Устройство для измерения давления

 

.Изобретение служит для повышения точности измерения давления в нефтяных и газовых скважинах. УстГ гмйШГ I: ройство содержит тензопреобразователь 8 в виде мостовой цепи,дифференциальный буферный усилитель 11, интегратор 12, компаратор 13, ключи 16 и 17, задатчик 20 калиброванных временньрс интервалов и измеритель 21 временных интервалов. Введение резисторов 1-7, источника 9 постоянного напряжения, двух четьфехвходовых коммутаторов 10, конденсаторов 14 и 15, ключей 18, 19 позволяет компенсировать температурную нестабильность тензопреобразователя 8. При этом температурньй дрейф операционных усилителей не влияет на функцию преобразования . Погрешность устройства не превьшает 0,001%/град. 2 ил. - - а (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН,.80„„1322 (51) 4 G 01 R 17/10 G 01 L 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г 8+(Г

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3978841/24-21 (22) 18.11.85 (46) 07.07.87. Бюл. й- 25 (71) Уфимский нефтяной институт (72) Л.Н.Латьппев, Н.А.Хлесткин и В.С.Гриб (53) 621.317(088.8) (56) Вагапов В.И. Интегральные тензопреобразователи. — М.: Знергоатомиздат, 1983.

Авторское свидетельство СССР и 423055, кл. G 01 R 17/10, 1971. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57), Изобретение служит для повьппения точности измерения давления в нефтяных и газовых скважинах. Устройство содержит тензопреобразователь 8 в виде мостовой цепи,дифференциальный буферный усилитель 11, интегратор 12, компаратор 13, ключи 16 и 17, задатчик 20 калиброванных временных интервалов и измеритель 21 временных интервалов. Введение резисторов 1-7, источника 9 постоянного напряжения, двух четырехвходовых коммутаторов 10, конденсаторов 14 и 15, ключей 18, 19 позволяет компенсировать температурную нестабильность тензопреобразователя 8. При этом температурный дрейф операционных усилителей не влияет на функцию преобразования. Погрешность устройства не превьппает 0,0017/град. 2 ил.

° ° °

1322

158 2 где U, — напряжение выхода многополюсной измерительной цепи между выводом резисторов 3 и 4 и выводом резисторов 6 и 5;

К вЂ” коэффициент усилений буферного усилителя; 1

U — напряжение смещения операг ционных усилителей.

В момент времени t задатчик 20 производит переключение входного напряжения при помощи коммутатора 10 и замыкает ключи 17 и 19, при этом ключи 16 и 18 размыкаются.

Напряжение U,1 "запоминается" на конденсаторе 15. Величина его равна (2) где U — напряжение выхода многос<1 полюсной измерительной цепи между выводом резисторов 2 и 3 и выводом резисторов 7 и 6.

Такт коррекции заканчивается в момент времени

Ключ 19 получает команду на размыкание, а на вхоц АЦП коммутируется напряжение U „ с измерительной диагонали тензопреобразователя °

Напряжение U,„ „ усиленное в К раз и поданное на вход интегратора 12, начинает заряжать емкость интеграто- ра.Напряжение на выходе интегратора изменяется по закону

t 4

U = — (KU -U )а + — (КЦ +U )dt, 1 1 вь см RC cd ™

„ з ь (3) где КС вЂ” постоянная интегратора.

В момент времени t4 задатчик 20 подает сигнал на переключение коммутатора. На вход АЦП поступает напряжение 0 . При этом по второму входу интегратора подключается конденсатор

14 при помощи ключа 16. Ключ 17 в этот момент размыкается.

Полярность напряжения на выходе буферного усилителя 11 такова, что напряжение на выходе интегратора 12 начинает убывать по.закону

1р

1 1

U = — (KU +U )dt- — I (+KU +

» RC„> ea «RC J >Ь

tg 4

Псм) с " (4) где U — напряжение на последователье но соединенных резисторах

2,3и4.

Когда напряжение на выходе интегратора 12 уменьшится до нуля (t ), компаратор 13 выдает сигнал на эадатчик 20 который воспринимает его как

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления в нефтяных и газовых скважинах в условиях повьппенных и быстроменяющихся температур.

Цель изобретения — повьппение точности измерения за счет компенсации температурной нестабильности тензопреобразователя. 10

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2— временные диаграммы интегратора и компаратора.

Устройство для измерения давления состоит из многополюсной измерительной цепи (НИЦ), содержащей резисторы 1-7, тензопреобразователь 8 в виде мостовой цепи, источник 9 постоянного напряжения, и аналого-цифрового Л) преобразователя (АЦП), содержащего два четырехвходовых коммутатора 10, дифференциальный буд>ерный усилитель 11, интегратор 12, компаратор 13, два конденсатора 14 и 15, ключи 16-19, задатчик 20 калиброванных временных интервалов и измеритель 21 временных интервалов. Входные шины четырехвходовых коммутаторов 10 подсоединены попарно к соответствующим точкам МИЦ, 30 а выходные — к зажимам буферного усилителя 11. К выходу последнего под-, ключены последовательно первый и инверсньп входы интегратора l2 и компаратор 13. Одни Hs 3B>KHMQB конденсаторов 14 и 15 через клк>чи 16 и 17 соединены с вторым входом интегратора 12, а через ключи 18 и 19 — с выходом компаратора 13 и задатчиком 20, который в свою очередь соединен с щ управляющими входами всех ключей 1619 и коммутатера 10, а также с измерителем 21.

Устройство работает следующим образом. 45

Работой АЦП управляет задатчик 20.

В первый момент времени 1, (фиг.2) он выдает сигнал на замыкание ключей 16 и 18, и на вход при помощи входного коммутатора 10 коммутируется напряжение U Ь. Это напряжение, с>Ь усиленное в К раз, с выхода буферного усилителя 11 прикладывается к инверсному входу интегратора 12. Íàпряжение на конденсаторе 14 увеличивается до тех пор, пока его величина не будет равна входной. Величина этого напряжения равна (1) 3 13221 окончание преобразования. Время

-(ts-t ) фиксируется в измерителе 21.

Если известен интервал времени Т,= — то из равенств (3) и (4) (5) 5

Если временные интервалы формируются от одного внутреннего генератора опорной частоты, то выражение (5) можно записать 10 н = — = — — и

U å <х Ucd (б)

Про- Uab где N „ - код измеряемого давления;

N — емкость счетчика в задатчике временных интервалов. 15

Как видно из выражения (6), АЦП выполняет функциональную операцию над входными аналоговыми величинами, которые могут изменяться от температуры и автоматически производить 20 поправку результата измерения. При этом напряжение смещения операционных усилителей не входит в формулу преобразования.

Рассмотрим более подробно меха- 25 ниэм компенсации дополнительной температурной погрешности (датчиков) тензопреобраэователей. Для этого рас, смотрим многополюсную измерительную цепь. 30

Выходное напряжение U ы„ тензопреобразователя, построенного на основе полного тензомоста, зависит от давления P питающего тока I,. температуры t и описывается выражением

Пе„, =К,(1+х, At)Р1+К Т+Тх,bt, (7) где К» — коэффициент пропорциональности между питающим током, давлением Р и выходным сигналом U èëè чувствитель- 40 ность

К вЂ” коэффициент пропорциональности между током I и выходным напряжением Б, при давлении Р=О (он определяет 45 величину напряжения смещения нуля); х — температурный коэффициент . изменения напряжения смещения нуля; 50 х,, — температурный коэффициент чувствительности; — приращение температуры от номинальной (t=t-t„).

При этом входное сопротивление К „ 55 тензомоста зависит от температуры ех ВФ<< (е (8) где R „„ — входное сопротивление тензомоста; и за малостью величины R х,ht Ие, (R )+ е (12) п

Приняв К =К, напряжение Ух,ь окончательно записывают

U = — — — -Rх

Еп (13)

aЪ В «В

sx (R + ь+ «)х .

Выбирая R =R =-= — — — — -- (14)

4 х 3 х выражение (13) записывают

U b Х (К2 В з к4)х<ЬС (15) Аналогично находится

Eï и = — — — l(R +R )-(R +R ) сЛ R +R L 6 6 < Ф ех

E — x ht(R +R )°. ц»р » 5 6

sx S х

Выбрав величины (R +R )= —

5 6 х т е (R +R„) =К,«-- (17) з и подставив в (16), получают

Ud =I <(K, .Zt) (18)

Напряжение U определяется как (1б) 58

4 х — температурный коэффициент сопротивления тензомоста.

Все эти коэффициенты однозначно определяют свойства тензопреобразователя и приводятся в паспортных данных.

При включении источника питания по первой ветви многополюсной измерительной цепи протекает ток

Е«

I = — ——

Ю (9)

Rex+Re где Š— ЭДС источника постоянного

<» напряжения;

В» а

+R +R — сумма сопротивлений резисторов 1 — 4, а по второй ветви .»»

Е (10)

7 6 5 причем сумма сопротивлений резисторов 5 — 7 К7,R6 R выбирается равной R „„ +К для того, чтобы при номинальной температуре токи в ветвях были равные.

Напряжение на зажимах многополюсной измерительной цепи описывается выражением (11)

Rb+R.eõ Rs .+RS Учитывая из выражения (8), чго

2К.

R ехи 1+х ht< е уравнение (11) можно записать в виде

К К,(1+хна t) ) 1322158

2 )

E (к,+к +к,)

° (19) ео (R +R )

Величина сопротивления резистора 1

R определяется по номинальному току через тенэопреобразователь, Сопротивление выбирается таким, чтобы ток не превышал номинального значения, определяемого техническими условиями эксплуатации тензопреобразователя.

Подставим найденные значения на- 10 пряжений завью Пс,1 о а » Пео в функцию преобразования (6)

N -- — — — N.P

К< (20) х R +R +R о з

Величина кода не зависит от темпе- 15 ратуры.

Устройство позволяет компенсировать все виды температурных погрешностей тензопреобразователей. Кроме того, температурный дрейф операцион- 20 ных усилителей, входящих в устройство, также не влияет на функцию преобразования. Это позволяет создать устройство для измерения давления в условиях быстроменяющихся температур (например, в нефтянных скважинах) с цифровым выходом, у которого дополнительная температурная погрешность не превышает 0,0017/град.

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее тензопреобразователь, первый ключ, последовательно соединенные дифференциальный буферный усилитель, интегратор, компаратор и задатчик калиброванных интервалов времени, второй ключ, вход которого соединен с выходом компаратора, второй вход 40 которого соединен с общей шиной, измеритель временных интервалов, при этом управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами задатчика 45 калиброванных интервалов времени, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет компенсации температурной нестабильности тензопреобразователя, в него введены первый и второй четырехвходовые коммутаторы, третий и четвертый ключи, первый и второй конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой резисторы, источник постоянного напряжения, при этом первый, второй, третий и четверый резисторы соединены последовательно с тензопреобразователем и образуют первую ветвь многополюсной измерительной цепи, пятый, шестой и седьмой резисторы соединены последовательно и образуют вторую ветвь многополюсной измерительной цепи, первая и вторая ветвь подсоединены к истоЧнику постоянного напряжения, выход первого коммутатора соединен с инвертирующим, а второго — с неинвертирующим входами дифференциального буферного усилителя, входы первого и второго коммутаторов попарно подсоединены к измерительной диагонали тензопреобразователя, к общим выводам третьего и четвер- . того, пятого и шестого резисторов, к общим выводам второго и третьего, шестого и седьмого резисторов, к общим выводам первого и второго, четвертого и пятого резисторов, первые выводы обоих конденсаторов через третий и четвертый ключи соединены с вторым входом интегратора, а через первый и второй ключи с выходом компаратора, вторые выводы конденсаторов соединены с общей шиной, управляющие входы третьего и четвертого ключей и коммутаторов соединены с третьим, четвертым и пятым выходами задатчика временных интервалов соответственно.

1322158

16

f7

Э

1Z

13

Фиа2

Составитель В.Семенчук

Редактор И.Николайчук Техред А.Кравчук Корректор ИМуска

Заказ 2857/39 Тирах 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óõãoðîä, ул.Проектная, 4