Разработка канала для комплексной скважинной аппаратуры (стр. 2 из 11)
3) Диапазон измерения влагосодержания, % 0...100
4) Погрешность измерения температуры:
а) основная погрешность, ºС ±0,05
б) дополнительная температурная погрешность, ºС/ºС
5) Погрешность измерения влагосодержания:
а) основная погрешность ±0,05
б) дополнительная температурная погрешность, 1/ ºС
6) Время преобразования, с, не более 0,2
7) Напряжение электрического питания, В 5
8) Диаметр корпуса прибора, мм 28
9) Выходной код – двоичный, последовательный, 24-разрядный.
Проанализировав техническое задание, можно сказать, что высокой точности требует измерение температуры. К измерению же влагосодержания не предъявляется требования высокой точности, поскольку все существующие методы определения влажности не могут ее обеспечить. Быстродействие модуля невысокое.
1.3 Выбор метода измерения влагосодержания
Методы измерения влажности жидкости можно разделить на 5 групп: равновесные, испарительные, выделительные, химические и физические.
При использовании равновесных методов измерения сводятся к определению влажности газовой фазы, находящейся в подвижном гигротермическом равновесии с жидкостью, содержащей влагу. Практически используется электрохимический влагомер газов и гигроскопический дилатометрический влагомер газов. Недостаток метода – большая инерционность и невысокая точность.
При использовании испарительного метода определение содержания влаги в жидкости подменяется определением ее в газе, для чего пробу влажной жидкости полностью выпаривают. Этот метод позволяет пользоваться любым типом влагомера для газов; он пригоден для измерения влажности низкокипящих жидкостей, упругость паров которых при температуре окружающего прибор воздуха не превышает рабочего давления данного влагомера (0,07 до 1,0 МПа) – фторированных углеводородов (фреона), сжиженного нефтяного газа, жидкого пропана и др. Если это давление значительно (единицы и десятки МПа), применяют редуктор давления и обогреваемый паром или электричеством испаритель.
В выделительных влагомерах влагу сначала выделяют из контролируемой жидкости тем или иным способом (дистилляция, экстрагирование жидкостью, вымывание газом), после чего прямо или косвенно определяют содержание воды в отгоне или экстракте. При работе по методу экстрагирования (чаще всего диоксаном) нужно, чтобы экстрагирующее вещество не взаимодействовало с безводной частью контролируемой жидкости. Дистилляционный метод в прямом виде примени только к жидкостям с относительно низкой упругостью –поров (например, трансформаторное масло) и недиссоциирующим термически при температуре перегонки. При малых концентрациях воды (10-1 до 10-4% объемный) ее предпочтительно выделяют промыванием жидкости в колонке током тщательно осушенного (остаточное содержание влаги менее 1 – 10-4% объемный) нейтрального газа.
В химических методах вода контролируемой жидкости вступает количественно в химическую реакцию со вспомогательным реагентом, вводимым в жидкость, и мерой определяемого содержания воды является количество продуктов реакции или ее тепловой эффект. Эти методы получили значительное распространение как образцовые в широком интервале значений концентраций влаги в жидкостях как методы лабораторного и производственного спорадического экспресс-анализа. Физические (прямые) методы характеризуются тем, что содержание воды в контролируемой жидкости определяют измерением значений каких-либо однозначно зависящих от влажности, физических свойств непосредственно самой жидкости, без выделения из нее влаги. К числу свойств, используемых для этой цели, относятся диэлектрические потери и проницаемость, электропроводность, показатель преломления, плотность, температуры фазовых переходов, поглощение электромагнитных и корпускулярных излучений и др. Наибольшее значение среди них получили методы емкостные и кондуктометрические.
Влажность жидкостей, в составе которых водород составляет небольшой процент, может быть измерена методом ядерного резонанса.
Недостатком всех перечисленных выше методов является то, что для них необходимо специальное оборудование, либо их необходимо проводить в лабораторных условиях.
Кондуктометрический метод основан на измерении электропроводности. Однако она зависит не только от соотношения воды и нефти, но также и от химического состава жидкости. Из-за наличия солей в воде результат измерения может изменяться в 50-100 раз.
Поэтому наиболее приемлемым методом для решения поставленной задачи является диэлькометрический, основанный на существовании функциональной зависимости между диэлектрической проницаемостью водо-нефтяной эмульсии и объемным содержанием воды в ней [3]. Этот метод наиболее удобен для практической реализации. Кроме того, он имеет высокие метрологические показатели и возможность контроля влажности непосредственно в потоке нефти.
В качестве первичного преобразователя используем цилиндрический датчик, состоящий из металлического корпуса, который служит наружным электродом, и коаксиального внутреннего цилиндрического электрода, покрытого слоем прочной и термостойкой пластмассы для защиты от воздействия внешней агрессивной среды. Такой преобразователь отличается простотой конструкции и удобством сопряжения с трубопроводом.
1.4 Выбор метода измерения температуры
Термический каротаж широко используется как на стадиях региональных и зональных геофизических исследований, так и на стадии эксплуатации скважин, включая контроль процессов разработки и изучение состояния скважин [4]. В связи с этим большую роль играют технические и, прежде всего, метрологические характеристики применяемых средств измерения температуры. В настоящее время имеются реальные технические возможности создавать средства термометрии, обладающие существенно более высокими метрологическими характеристиками по сравнению с известными серийно выпускаемыми каротажными приборами и системами.
К важнейшим метрологическим характеристикам относятся:
- погрешность измерения температуры (во всем диапазоне условий эксплуатации);
- разрешающая способность по температуре;
- инерционность (постоянная времени);
- долговременная стабильность характеристик.
Улучшение указанных характеристик позволит не только повысить точность измерений температуры и термоградиента, но и повысить метрологическую надежность средств измерений и достоверность получаемой измерительной информации.
В термоизмерительных приборах метрологические характеристики прибора в целом определяются главным образом характеристиками первичного измерительного преобразователя (датчика) температуры.
Различные средства измерения температуры можно подразделить по типу используемых первичных преобразователей.
Термоэлектрические преобразователи. При использовании термоэлектрических преобразователей (термопар) возникает необходимость измерения значения термо-ЭДС на выходе термопары. Для этой цели широко применяются милливольтметры и компенсаторы постоянного тока, шкалы которых градуируются непосредственно в градусах температуры.
При измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре. Рабочий диапазон температур термопары 0 - 150ºС и точность измерения до 0,001.
Кварцевые термопреобразователи. В последние годы для измерения температур от -80 до +250ºС все более широкое распространение получают кварцевые термопреобразователи, отличающиеся высокой разрешающей способностью и имеющие частотный выходной сигнал, хорошо защищенный от помех и легко преобразуемый в цифровой код. В кварцевом термопреобразователе используется зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры.
Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 103Гц/К), высокую временную стабильность (0,02К за год) и разрешающую способность 10-4-10-7К, что и определяет перспективность их использования в цифровых термометрах, а применение микропроцессоров открывает возможность учета их индивидуальных нелинейных градуировочных характеристик.
Пирометры. Приборы для измерения температуры, основанные на использовании энергии излучения нагретых тел, называются пирометрами. Они делятся на радиационные, яркостные и цветовые.
Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500ºС. Они градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры.
Яркостные (оптические) пирометры основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя. Они обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.
Цветовые пирометры основаны на измерении на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей областях спектра. Диапазон измерения температур 900-2200ºС с основной погрешностью ±1%.
Шумовые термометры. Для измерения температуры в диапазоне 4-1300К применяются шумовые термометры, действие которых основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Практическая реализация метода заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой – при измеряемой.
Термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического поля решетки. А он, в свою очередь, зависит от температуры, и с ее повышением частота ЯКР понижается. Погрешность измерения температуры 10К составляет ±0,02К, а температуры 300К ±0,002К.