Методы повышения термостойкости инклинометрических преобразователей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 550.83

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

И.В. Рыжков, к.т.н., доц., Е.А. Пономарева, асс.

Ключовi слова: инклинометрический преобразователь, температура, температурный дрейф, алгоритмическая компенсация, термостойкость

Постановка проблемы. Обеспечение энергоресурсами - один из основных вопросов независимости государства. Украина за счет собственной добычи обеспечивает себя только на 25 -27 % нефтью. В то же время, доля энергии, которая расходуется в Украине, составляет 2,2 % мировой, тогда как ее население — меньше 1 % человечества. Годовое потребление газа в Украине составляет в среднем 70—73 миллиарда кубометров.

Наша страна не богата нефтью. Месторождения нефти в Украине стары и расположены не сплошными огромными запасами, а рассыпаны на больших территориях и из-за глубокого залегания трудно поддаются освоению. В итоге, себестоимость добычи нефти в стране очень высока.

Однако украинские специалисты полагают, что потенциал недр Украины позволяет увеличить уже разведанные запасы углеводородного сырья (газ и нефть с конденсатом) на 80 - 90 % при значительном увеличении объемов геологоразведочных работ.

В связи с глубоким залеганием углеводородов к инклинометрическим преобразователям (ИП) выдвигаются повышенные требования по температуре, так как по мере увеличения глубины скважины температура возрастает. На сегодняшний день работоспособность ИП должна обеспечиваться при температуре окружающей среды выше 200 °С.

Анализ исследований и публикаций. Высокая температура в скважине оказывает влияние на работоспособность ИП и результаты измерения. Рассмотрим существующие подходы к решению задачи повышения термостойкости ИП при сохранении требуемой точности измерения [1-8].

Одним из методов решения задачи повышения термостойкости является использование охлаждающих устройств [1-3]. Термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) применяются для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов преобразователей. Действие устройств основано на эффекте Пельтье [5]. Термоэлектрические охлаждающие элементы (ТЭМО, ТВ, STORM, FROST - 71, 72,73, ICE - 71, HALL, DRIFT, BULLINCH и др.) отличаются простотой управления, возможностью точного регулирования температуры, высокой надежностью работы и имеют практически не ограниченный срок службы.

Полупроводниковые термоэлектрические модули (ПТМ) представляют собой одно- или многокаскадные батареи из последовательно или параллельно - последовательно включенных термоэлементов.

Применение двухкаскадного соединения батарей позволяет:

— стабилизировать температуру чувствительной системы за счет реверсивного управления потоком теплоты при изменении направления и величины электрического тока через термобатареи;

— поддерживать тепло в изоляционном контейнере при температуре ниже температуры окружающей среды.

Несмотря на достоинства, возможность применения этих устройств ограничена. Это связано с тем, что для качественной работы термозащитного устройства необходима эффективная система отвода тепла от внешней поверхности термобатареи.

Термообмен внешней среды с ТОУ наиболее просто осуществляется воздухом при пропускании его вдоль оребренных коммутационных пластин. Движение воздуха производится как естественной конвекцией, так и принудительной подачей с помощью вентилятора. Для отвода тепла при естественной циркуляции воздуха температура окружающей среды не должна превышать 79 °С, что является существенным недостатком проведения измерений при бурении. Ограниченность применения этих устройств обусловлена еще и тем, что работа полупроводникового охлаждающего устройства характеризуется большим потреблением электроэнергии. Для защиты автономных инклинометрических преобразователей, которые предназначены для длительной беспрерывной работы, применение этих охлаждающих устройств почти невозможно из-за малого запаса электроэнергии аккумуляторов.

Другим методом повышения термостойкости ИП является поддержание постоянной температуры чувствительного элемента с помощью термостата [3; 5;6], например, с использованием сосуда Дьюара. К недостаткам этого метода можно отнести ограничение внутреннего объема изоляционной камеры, ограничение функциональных возможностей чувствительной системы и др.

Таким образом, на основании проведенного анализа можно сделать вывод, что возможности перечисленных методов повышения термостойкости ИП достаточно ограничены.

Цель статьи. Разработка методов повышения термостойкости инклинометрических преобразователей, способных сохранять требуемую работоспособность при воздействии повышенных положительных температур (свыше 200 °С).

Основной материал. Основываясь на анализе патентных материалов представим результаты исследований в области повышения термостойкости ИП в виде классификационной таблицы (табл.1).

Таблица 1

Методы повышения термостойкости

Обобщенный метод Обобщенна я цель Повышение термостойкости

Структурно-параметрический Оптимизаци я параметров Оптимальный выбор рабочего диапазона, точности, кинематической схемы.

Резервирова ние времени Увеличение числа измерений споследующей статистической обработкой. Измерение в момент отсутствия помехи. Разделение во времени процесса измерения - на ориентирование и съем показаний.

Конструкторс кий - Вынос электроники из скважинной части. Использование в качестве первичных преобразователей электромеханических датчиков: емкостных, потенциометрических, индуктивных.

Технологичес кий - Использование температуростойких элементов конструкций преобразователей: проводов, кабелей, изоляции, пропиток, припоев и т.д.

Алгоритмичес кий Устранение влияния помех Измерение помехи (температуры) с последующей корректировкой показаний. Выдерживание постоянными дестабилизирующих факторов. Вычисление искомых углов ориентации в функции tg или ctg для уменьшения мультипликативной погрешности.

В результате исследований мировой патентной документации приемы повышения термостойкости ИП при сохранении требуемой точности можно объединить в четыре обобщенных метода:

• структурно - параметрический;

• конструкторский;

• технологический;

• алгоритмический.

К структурно - параметрическому отнесем приемы и схемные решения, в основу которых положены резервирование времени, оптимизация параметров. Процесс измерения ориентации скважины есть медленно протекающий. Поэтому существует возможность использовать избыточность времени для увеличения числа измерений с дальнейшей статистической обработкой,

измерение в момент отсутствия помехи - при остановках, разделение процесса измерения на свободное ориентирование чувствительного элемента с последующим съемом показаний в заарретированном состоянии.

К оптимизации параметров отнесем выбор кинематической схемы ИП, обеспечивающий в заданном диапазоне преобразование с необходимой точностью.

К конструкторскому методу отнесем, во-первых, удаление электронных компонентов из скважинной части, а, во-вторых, использование в качестве первичных преобразователей электромеханических датчиков, а именно, емкостных, потенциометрических, индуктивных, способных выдерживать высокие положительные температуры.

К технологическому методу отнесем выбор температуростойких компонентов конструкций ИП: использование тефлоновых покрытий и полиэтилентерефталатных (ПЭТ - Э) пленок для изоляции проводов и кабелей; электроизоляционных материалов типа ЛКС - 110 - ТТ, ЛСКН - 160 ТТ; пропиток типа "TRIUMF"(1470°C), ГФ - 92ХС (1470°С), припоев типа GLOW CORE, WS 482 и др. температуростойких компонентов.

К алгоритмическому методу отнесем прием, в основу которого положено устранение влияния помех [4; 7; 8]. Избыточность времени позволяет применить добавочное измерение помехи специальным преобразователем с последующей корректировкой показаний. А вычисление искомого угла в функции tg или ctg позволяет снизить мультипликативную погрешность.

Бурение скважин на нефть и газ относится к медленно текущим процессам, аппаратура для измерения углов пространственной ориентации скважины содержит в своем составе ЭВМ. Поэтому алгоритмический метод повышения термостойкости ИП является наиболее предпочтительным. Предлагается на основании предварительных экспериментальных исследований определять величины температурного дрейфа первичных преобразователей инклинометра с последующим их учетом при определении искомых углов Эйлера.

Составим математическую модель ИП, учитывающего влияние температуры окружающей среды.

При составлении математической модели инклинометра считаем, что пространственных угловых перемещений датчиков относительно корпуса прибора не происходит, изменяются лишь выходные электрические параметры датчиков.

Выходные напряжения с акселерометров и феррозондов Uj и иф представляются следующим образом:

Uj = u0i(T) + Umi(T)b1, иф = U&(T) + uJmi(T)a1, i = 1,2,3, (1)

где U0i(T), Umi(T) и U0i(T),Umi(T) - нулевые и максимальные значения выходных

сигналов акселерометров и феррозондов, являющихся функциями температуры, а bi и ji -направляющие косинусы векторов ускорения силы тяжести и напряженности магнитного поля Земли. Последние задают пространственное положение корпуса прибора.

Пусть при двух неизвестных положениях инклинометра Ьц ац, i = 1,2,3 и bi2 ji2, i = 1,2,3 получены значения выходных сигналов датчиков при температурах окружающей среды T = T^j :

Ujk=U0i (Tkj)+Umi (Tkj )bij, UJ=4 (Tk,)+U m (Tkj )jij, i=I2,3, j=u k=1,2,...,n. (2)

Требуется на основе экспериментальных данных (2) определить зависимость выходных сигналов Uj и U^3 от температуры Т.

"TT j ф j ф

Предполагаем, что нулевые U0i, Uß и максимальные Umi, Umi - сигналы первичных

датчиков являются полиномами второй степени относительно температуры Т и их значения при T = T0 уже определены. Таким образом, согласно (1), имеем:

и? = и01(то)+а ^(Т - Т0)+в - т0)2 + кт1(т0)+а т-сг - т0)+в ^(Т - т0)2 ]ьь

иф = иф1(т0) + аф(т - т0)+вф1(т - т0)2 +

1 = 1,2,3.

и Ы)+ат1(т - т0)+вт,(т - т0)21?1, (3)

Тф

Нормируя выходные напряжения с акселерометров и феррозондов И и И^ и введя обозначения

и? =

и? - И01(т0)

ит1(т0)

ф иф =

иф - иф1(т0)

ит,(т0) :

рз _

аа а01

^0)

^01

ва в01

ит1(т0)

Ра. =

а

Ш1

ва-МШ1

Ш1

иаШ1(т0)

Ш1

иаШ1(т0)

рф __

Р01 _ - тф

аф а01

иШ^(т0)

вф

аф _—^ а01

ифШ1(т0)

рф= Ш1

а

ф Ш1

иф. (т0)

Ш1У 0/

аШ1*2 к 1+^+а Щ/1?1, 1 _ I2,3.

а

вф Ш1

Ш1 Ш1

Формулы (3) запишем следующим образом:

-а _"а* ~а^2 'I1+^+аШ1г

иГ _ ^+а01^ + иф _ Р0ф^+а0112 +

ф _-

Ш1 0

1 _ т - т0,

(4)

Таким образом, мы приходим к задаче нахождения неизвестных коэффициентов Р01, РЩШ,

>ф Рф аф

аШ1, а01, Р01, РШ1, аШ1, аф1 - температурного дрейфа с использованием экспериментальных данных:

иак _

иук - и01(т0)

иш1 (т0 ) :

ф иффк - иф1(т0)

иф _—У^—01-, 1 _ 1,2,3, j _ 1,2, к _ 1,2,...,п.

иЩ1(т0)

(5)

>ф Рф а ф

Для вычисления неизвестных коэффициентов Р01 , РЩШ, аЩШ, а01, Рф, РЩШ , аЩШ, аф (4)

нормированных выходных напряжений с акселерометров и феррозондов и1а и и1ф используем метод наименьших квадратов. Согласно этому методу введем функции

2 ^ Г

р _ II + а0^ j_lk_l

+

1+рш^+аШ11к| к- иак

2 ^

ф

a1j - ифк

2

1 _ 1,2,3.

(6) (7)

1 _ 1,2,3, j _ 1,2.

ф _ 1£{р(ф<к.,+ а 01«к1 + 1++а Ш^

j_1k _11 1

Далее определим новые неизвестные величины:

а т»а . тла 1 а _а , _а 1

х?_ р01 + РШ1ЬЧ, У? _ а01 + ашlblj,

(8)

хф _ Рф + Рф Ь.. уф _ а ф + а ф ь.. 1 _ 123 ; _ 12 (9)

Ху _ Р01 + РШ1 blJ, уу _ а01 + аш1 blJ, 1 _ 1,2,3, j _ 1,2. (9)

Теперь функции (6) и (7) с учетом(8) и (9) запишутся следующим образом:

2 г -,2

"" ^а!1^+- иак

р1 (ь 11, x1а1, xa2, уа1,уа2) _ II ^+х^+у?^ - иЗ!

(10)

j_lk _1

а

2 п, Г

хх { ,=1к=1

Ф1(а^ а 12,х<5,х£,уФу£) = XX ^ + хффгк^ + -и, } , 1 = 1,2,3.

(11)

Таким образом, неизвестные величины Ь^, х^-, у--, а^^, хФ, уф, 1 = 1,2,3, j = 1,2 определяются из

системы уравнений

эЬ,

= 0,

эха у

= 0,

эуа

= 0,

эа;;

= 0,

эФ;

эх Ф у

= 0,

эФ;

эу

Ф

= 0,

1 = 1,2,3, , = 1,2

которая, согласно (10) и (11), имеет вид:

X к + + у^ - и^к }= 0, X: {"ъ;; + х,+ч + у^ - и|5к к, =<

, г

х Ь+х^+уаа^к-- и-к

] 2 =,

к=1

х к+*Ф<«+- иЦк }= с,

к=1

х к+х;ф1к,+уф+к, - и| к=o,

1 = 1,2,3, , = 1,2.

X к + хЦ1к, + - и^ ^ = o, к=1

Введем обозначения

А1, = х

к=1

1, "к, "укЛк,

п, 2 п, 3 п, 4 п, а а Л2, = , А3 = ^Ч, , = ХЧ,, Хиак = Аа

хЦл = % хЦ^к = с; хи1,к = ^ хифл = ^

к—1 к—1 к—1 к—1

X „Ф + 2 = сф

кХ1и1,кик С1,,

тогда системы уравнений (12) и (13) перепишутся следующим образом:

п,ь1,+А1,хаа+А2,у а=Aa,

А1,ЬЧ + А2,ха+ А3,уа= Ba,

А2,ь1, + А3,ха, + А4,уа; = С, п,а;, + Ацх ф + А2,уф = Аф,

,аУ 1 + А2,у1, -у

А1,а 1, + А2,хф + А3,уф) = В, А2,а 1, + A3jXlф + , = С,

1 = 1,2,3, , = 1,2.

(12)

(13)

(14)

(15)

п

п

п

п

п

Далее введем матрицы

f

Pj =

nj

A1j A2j

A1j A2j A3j

A2j A3j A4j

Л

Xa =

y

lj

X

ф _

а ij ф

Хф

y

Qa _ ij

Aa ij

ва

Ca

_

ij

Ajj

вф

сФ Cij

(17)

1 = 1,2,3, j = 1,2.

Теперь используя матрицы (17) системы уравнений (15), (16) перепишем в матричной форме

P;Xa _ Qa

b-

P^ф _ Q$, i _ 1,2,3, j _ 1,2,

j „ Vy , , , , J

откуда

неизвестные

величины

, xa, ya, aij, хф, уф определяются по формулам.

Pa-, q

mi' M

mi

ф рф q Ф

p ф р

P0i, p

mi -

mi

ij ij'-'ij^j' ij'-'ij

И, наконец, искомые параметры температурного дрейфа P(

q* определяются из уравнений (8) и (9).

Выводы. Выявлены наиболее эффективные приемы повышения термостойкости ИП, способных работать при воздействии высоких положительных температур:

1. вынесение электронных компонентов в наземную часть системы управления;

2. использование в качестве чувствительных элементов электромеханических преобразователей - емкостных, потенциометрических, индуктивных;

3. использование температурной коррекции выходной измерительной информации;

4. определение искомых углов в функции tg или ctg для уменьшения мультипликативной погрешности.

Разработана математическая модель ИП на основе феррозондов и акселерометров учитывающая воздействие температуры окружающей среды. Учет температурного дрейфа первичных преобразователей ИП позволяет значительно повысить точность измерений углов ориентации скважины. При этом одновременно с определением коэффициентов температурного дрейфа были определены и величины bjj, aij, i _ 1,2,3, j _ 1,2, которые определяют два пространственных положения инклинометрического преобразователя.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

b

a

1. Барулина М. А. Математические модели систем терморегулирования микромеханических гироскопов / М. А. Барулина, В. А. Джашитов, В. М. Панкратов // Гироскопия и навигация. - 2002. - № 10 3. - С. 48 - 59.

2. Голиков А. В. Температурные погрешности волоконно-оптических гироскопов / А. В. Голиков, В. А. Джашитов // Гироскопия и навигация. - 2001. - № 10 2. - С. 3 - 17.

3. Ильинский В. М. Геофизические исследования глубоких скважин / В. М. Ильинский, Ю. А. Лимбергер. - М. : Недра, 1977. - 200 с.

4. Ковшов Г. Н. Преобразователь наклона с температурной компенсацией для систем контроля и ориентации объектов / Г. Н. Ковшов, А. В. Садовникова // Тр. Одес. политех. Ун-та. -2005. - № 102. - С. 218 - 221.

5. Миронов Э. Г. Методы построения термостойкой аппаратуры для изучения сверхглубоких скважин / Э.Г. Миронов // Геофизическая аппаратура. - 1980. - № 10 70. - С. 175 - 180.

6. Рогатых Н. П. Построение датчиков ориентации подвижных объектов / Н. П. Рогатых // Датчики и системы. - 2003. - № 10 2. - С. 15 - 18.

7. Рыжков И. В. Улучшение технических характеристик феррозондовых датчиков для автоматизированных систем управления ориентацией объектов: дисс. ... канд. тех. наук: 05.13.05 / Рыжков Игорь Викторович - Одесса, 2005. - 173 с.

8. Сергеев В. А. Погрешности тепловой природы измерительных преобразователей с дифференциальным включением датчиков / В. А. Сергеев // Датчики и системы. - 2003. - № 10 2. -С. 17 - 21.

УДК 550.83

Методы повышения термостойкости инклинометрических преобразователей / Рыжков И. В., Пономарева Е.А. // Вестник Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - Днепропетровск: ПГАСА, 2010. - №_. - С._. - Библиогр.: (8 назв.), 1 табл.

В работе выявлены наиболее эффективные приемы повышения термостойкости инклинометрических преобразователей способных работать при воздействии высоких положительных температур.

Разработана математическая модель инклинометрического преобразователя на основе феррозондов и акселерометров учитывающая воздействие температуры окружающей среды. Учет температурного дрейфа первичных преобразователей инклинометра позволяет значительно повысить точность измерений углов ориентации скважины.

Ключевые слова: инклинометрический преобразователь, температура, температурный дрейф, алгоритмическая компенсация, термостойкость.

Методи шдвищення термостшкост шклшометричних перетворювачiв / Рижков I. В., Понамарева О. В. // Вкник ПридншровськоТ державноТ академп бущвництва та арх^ектури. - Дншропетровськ: ПДАБА, 2010. - №_. - С._. - Бiблiогр.: (8 назв.),1 табл.

У робот виявлеш найбшьш ефективш прийоми шдвищення термостшкосп шклшометричних перетворювачiв здатних працювати при впливi високих позитивних температур.

Розроблено математичну модель шклшометричного перетворювача на основi ферозондiв й акселерометрiв враховуючий вплив температури навколишнього середовища. Облiк температурного дрейфу первинних перетворювачiв iнклiнометра дозволяе значно тдвищити точнiсть вимiрiв кутiв орiентацil свердловини.

Ключовi слова: тклтометричний перетворювач, температура, температурний дрейф, алгоритм1чна компенсащя, термосттюсть.

Methods of increase of heat-resistance of inclinometer / Rugkov I. V., Ponamareva O. A. // Herald of the Pridneprovsk state academy of civil engineering and architecture. - Dnepropetrovsk: PSACEA, 2010. - № __. - P. __ .- fig. 11. - Bibliogr.: (8 names), 1 tabl.

The most effective receptions of increase of heat-resistance of inclinometer are in-process educed able to work at influence of high positive temperatures.

The mathematical model of inclinometer is worked out on the basis of ferroprobes and accelerometers.

Keywords: inclinometer, temperature, temperature drift, algorithmic indemnification, heat-resistance.