Лабораторный резистивиметр

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для измерения проводимости и солевой минерализации воды, бурового раствора и пластовой жидкости. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Для этого устройство содержит измерительный канал напряжения, измерительный канал тока, ключевой преобразователь постоянного напряжения в переменное, стабилизатор мощности, вход питания стабилизатора мощности, термометр со схемой питания, коммутатор, усилитель, преобразователь напряжение - частота, счетчик, арифметическо-логическое устройство, генератор тактовых импульсов, блок ОЗУ и ПЗУ, многорежимный буферный регистр, шину данных, шину управления, шину адресов, блок вывода информации, блок клавиатуры и электроды. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для измерения проводимости и солевой минерализации воды, бурового раствора и пластовой жидкости.

Известен измерительный преобразователь электропроводности в корпусе навесного монтажа, тип 2 AML2-70 (Средства электрохимического анализа: сборник /Фирма ЮМО, М. К. JUCHHEIM GmbH & Со. М., 2000, стр.77-79). Преобразователь снабжен двухэлектродной измерительной ячейкой электропроводности и предназначен для измерения электрической проводимости жидких сред.

Недостатком этого устройства является узкий динамический диапазон измерения электропроводности без смены измерительной ячейки и невозможность измерения солевой минерализации жидких сред.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является переносной резистивиметр ПР-1, предназначенный для измерения удельного электрического сопротивления буровых промывочных жидкостей (Техническое описание и инструкция по эксплуатации, ГОСТ 5.1932-73, АЛУ. 2. 880.000 ТО, УЗГ, г. Уфа, 1975, лист. 21). Прибор состоит из следующих основных узлов: источника питания, генератора напряжения, измерительного усилителя, переключателя диапазонов, переключателя вида измерений измерительного сосуда. Принцип измерения основан на измерении падения напряжения на столбе жидкости, находящейся в измерительном сосуде, при заданном токе. Для уменьшения влияния поляризации на результаты измерения измерительная ячейка содержит 4 электрода. На передней панели расположены специальные зажимы для установки измерительного сосуда.

Недостатком этого устройства является необходимость переключения диапазонов измерения, что требует ручной подстройки режима измерения. Окончательный результат измерения получают только после введения температурной поправки при помощи градуировочной таблицы. Неразборная конструкция измерительного сосуда после проведения измерения затрудняет полную очистку поверхности электродов от исследуемой жидкости и отложений после ее высыхания, что ведет к искажению результатов измерений.

Предлагаемое изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей за счет автоматизации введения температурной поправки в измерение удельного электрического сопротивления, измерения солевой минерализации и повышения надежности измерений за счет использования разборной конструкции измерительного датчика.

Поставленная задача решается предлагаемым лабораторным резистивиметром, состоящим из измерительного датчика с токовыми и измерительными электродами, измерительных каналов тока и напряжения, входы которых подключены к соответствующим электродам датчика и цепей питания электродных схем, который содержит стабилизатор мощности, ключевой преобразователь постоянного напряжения в переменное, термометр со схемой питания, коммутатор, усилитель, преобразователь напряжение - частота, счетчик, арифметическо-логическое устройство, шину данных, шину адресов, шину управления, генератор тактовых импульсов, блок ОЗУ и ПЗУ, многорежимный буферный регистр, блок вывода информации и блок клавиатуры. Первый выход ключевого преобразователя напряжения соединен с токовым электродом, второй выход через канал измерения тока соединен с обратным токовым электродом. Вход питания ключевого преобразователя напряжения соединен с выходом стабилизатора мощности, на вход которого подается стабилизированное напряжение питания. Вход управления ключевого преобразователя соединен с первым входом многорежимного буферного регистра. Выход канала измерения тока соединен с первым входом коммутатора. Выход канала измерения напряжения соединен со вторым входом коммутатора. Выход термометра со схемой питания соединен с третьим входом коммутатора. Вход управления коммутатора соединен со вторым выходом многорежимного буферного регистра. Выход коммутатора соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения - частота, выход которого соединен со счетным входом счетчика. Выходы счетчика соединены с шиной данных, входы управления счетчика соединены с шиной управления. Выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом арифметическо-логического устройства. Входы/выходы данных арифметическо-логического устройства соединены с шиной данных и входами/выходами блока ОЗУ и ПЗУ, и входами/выходами многорежимного буферного регистра. Адресные выходы арифметическо-логического устройства соединены с шиной адресов и адресными входами блока ОЗУ и ПЗУ, и адресными входами многорежимного буферного регистра. Входы/выходы управления арифметическо-логического устройства соединены с шиной управления и входами управления блока ОЗУ и ПЗУ, и входами/выходами управления многорежимного буферного регистра. Третий выход многорежимного буферного регистра соединен с входом блока клавиатуры, выход которого соединен с входом многорежимного буферного регистра. Четвертый выход многорежимного буферного регистра соединен с первым входом блока вывода информации, пятый выход многорежимного буферного регистра соединен со вторым входом блока вывода информации. Чувствительный элемент термометра расположен непосредственно в измерительном датчике. Измерительный датчик соединяется со схемой измерения при помощи гибкого экранированного кабеля и коаксиально устанавливается в съемную цилиндрическую калиброванную емкость, открытую с одного торца и герметичную с другого торца, причем емкость в другом торце имеет отверстие со съемной пробкой.

На чертеже представлена структурная схема лабораторного резистивиметра.

Устройство содержит измерительный канал напряжения 1, измерительный канал тока 2, ключевой преобразователь постоянного напряжения в переменное 3, стабилизатор мощности 4, вход питания стабилизатора мощности 5, термометр со схемой питания 6, коммутатор 7, усилитель 8, преобразователь напряжение - частота 9, счетчик 10, арифметическо-логическое устройство 11, генератор тактовых импульсов 12, блок ОЗУ и ПЗУ 13, многорежимный буферный регистр 14, шину данных 15, шину управления 16, шину адресов 17, блок вывода информации 18, блок клавиатуры 19 и электроды (А - токовый, В -обратный токовый, М и N - измерительные).

Первый выход ключевого преобразователя напряжения 3 соединен с токовым электродом А, второй выход через канал измерения тока 2 соединен с обратным токовым электродом В. Вход питания ключевого преобразователя напряжения 3 соединен с выходом стабилизатора мощности 4, на вход 5 которого подается стабилизированное напряжение питания. Вход управления ключевого преобразователя 3 соединен с первым входом многорежимного буферного регистра 14. Выход канала измерения тока 2 соединен с первым входом коммутатора 7. Выход канала измерения напряжения 1 соединен со вторым входом коммутатора 7. Входы канала измерения напряжения 1 соединены с измерительными электродами М и N. Выход термометра со схемой питания 6 соединен с третьим входом коммутатора 7. Вход управления коммутатора 7 соединен со вторым выходом многорежимного буферного регистра 14. Выход коммутатора 7 соединен с входом усилителя 8, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения - частота 9, выход которого соединен со счетным входом счетчика 10, Выходы счетчика 10 соединены с шиной данных 15, входы управления счетчика 10 соединены с шиной управления 16. Выход генератора тактовых импульсов 12 соединен с тактовым входом арифметическо-логического устройства 11. Входы/выходы данных арифметическо-логического устройства 11 соединены с шиной данных 15 и входами/выходами блока ОЗУ и ПЗУ 13, и входами/выходами многорежимного буферного регистра 14. Адресные выходы арифметическо-логического устройства 11 соединены с шиной адресов 17 и адресными входами блока ОЗУ и ПЗУ 13, и адресными входами многорежимного буферного регистра 14. Входы/выходы управления арифметическо-логического устройства 11 соединены с шиной управления 16 и входами управления блока ОЗУ и ПЗУ 13, и входами/выходами управления многорежимного буферного регистра 14. Третий выход многорежимного буферного регистра 14 соединен с входом блока клавиатуры 18, выход которого соединен с входом многорежимного буферного регистра 14. Четвертый выход многорежимного буферного регистра 14 соединен с первым входом блока вывода информации 19, пятый выход многорежимного буферного регистра 14 соединен со вторым входом блока вывода информации 19. Чувствительный элемент термометра расположен непосредственно в измерительном датчике. Измерительный датчик соединяется со схемой измерения при помощи гибкого экранированного кабеля и навинчивается в калиброванную емкость в виде цилиндра, открытую с нижнего торца, причем емкость в верхнем торце имеет отверстие с пробкой для выпуска воздуха.

Устройство работает следующим образом.

Перед проведением измерения измерительный зонд навинчивают на калиброванную емкость, нижний торец которой открыт, при этом нижний торец измерительного датчика располагается выше границы нижнего торца калиброванной емкости. Верхний торец емкости имеет отверстие с пробкой. После сборки связку “калиброванная емкость - измерительный датчик” опускают в исследуемую жидкость, при этом отверстие в верхнем торце калиброванной емкости открыто и по мере погружения связки в жидкость через отверстие выходит воздух. Если измерение проводится путем заполнения калиброванной емкости исследуемой жидкостью, то отверстие в верхнем торце закрывается пробкой.

Определение электрической проводимости или удельного электрического сопротивления ρ жидкости основано на измерении тока, протекающего через жидкость, и падения напряжения на объеме жидкости, находящейся между измерительным датчиком и калиброванной емкостью.

ρ=U/I×K, где U - падение напряжение на объеме жидкости высотой l, I - ток, протекающий через жидкость, К - коэффициент измерительного датчика.

К=l/(S_e-S∂), где S_e - площадь поперечного сечения внутренней полости калиброванной емкости, S∂ - площадь поперечного сечения измерительного датчика.

Определение солевой минерализации исследуемой жидкости и температурная компенсация удельного электрического сопротивления основано на методе табличного преобразователя. С необходимой дискретностью составляются таблицы, где столбцы содержат значения концентрации раствора в г/л или в нормалях, а строки температуру раствора. На пересечении столбцов и строк расположены значения удельного электрического сопротивления раствора при соответствующей температуре и концентрации. По результатам измерения удельного электрического сопротивления и температуры выбирается соответствующее значение солевой минерализации и истинное значение сопротивления. Сопротивление и концентрация раствора промежуточных значений определяется интерполяцией. Алгоритм табличного преобразователя, реализованный в программе, записывается в ПЗУ.

Стабилизатор 4 выполняет функцию стабилизации тока, но так как он питается стабилизированным напряжением, которое подается на вход 5, то в сущности является стабилизатором мощности. На входе ключевого преобразователя постоянного напряжения в переменное 3 поддерживается постоянная мощность, поэтому стабилизируется также мощность, вводимая электродами А и В в исследуемую жидкость. Это приводит к тому, что при повышении удельного электрического сопротивления (УЭС) жидкости уменьшение тока в цепи токовых электродов А и В компенсируется возрастанием напряжения на выходе стабилизатора 4 и, следовательно, на выходе ключевого преобразователя 3. Компенсация уменьшения питающего тока приводит к возрастанию напряжения, измеряемого каналом измерения напряжения 1. Уменьшение УЭС жидкости, приводящее к возрастанию питающего тока, компенсируется падением напряжения на выходах ключевого преобразователя 3, что предотвращает перегрузку стабилизатора 4. Взаимозависимость питающих токов и напряжения обеспечивает, при изменении УЭС жидкости в 10000 раз, изменение тока через жидкость всего 100 раз, что предотвращает перегрузку источника питания и сохраняет напряжение на измерительных электродах М и N на достаточно высоком уровне, что в свою очередь повышает точность его измерения. Полученные соотношения между током и напряжением в цепи А, В позволяют также сократить количество переключении режимов работы.

Чувствительный элемент термометра 6 расположен на поверхности измерительного датчика, это автоматизирует температурную компенсацию УЭС жидкости за счет использования температурных данных в программе обработки, записанной в ПЗУ.

Сигналы с канала измерения напряжения 1, канала измерения тока 2 и термометра со схемой питания 6 последовательно, через коммутатор 7, поступают в усилитель 8. Усиленные аналоговые сигналы преобразуются в преобразователе напряжение - частота 9 в последовательность импульсов, которая поступает на счетный вход счетчика 10. Период подсчета импульсов и считывание цифрового кода с счетчика 10 по шине данных 15 осуществляется арифметическо-логическим устройством (АЛУ) 11 под управлением программы, записанной в ПЗУ. Цикл считывания команд из ПЗУ формирует АЛУ на основе сигналов синхронизации, формируемых генератором тактовых импульсов 12. Взаимодействие АЛУ с блоком ОЗУ и ПЗУ 13 и многорежимным буферным регистром 14 осуществляется при помощи сигналов по шинам данных 15, адресов 17 и управления 16. В ОЗУ хранятся данные промежуточных вычислений. Входы и выходы многорежимного буферного регистра 14 являются двунаправленными, каждый может быть использован независимо для ввода или вывода информации. АЛУ, программируя многорежимный буферный регистр, управляет через соответствующие входы или выходы регистра 14 ключевым преобразователем 3, коммутатором 7, блоком клавиатуры 18 и блоком вывода информации 19. В состав блока вывода информации 19 входит индикатор для отображения буквенно-цифровой информации и последовательный интерфейс RS232. Взаимодействие оператора с прибором происходит с помощью индикатора и кнопок управления, входящих в состав блока клавиатуры.

После проведения измерения связку “калиброванная емкость - измерительный датчик” разбирают, и свободный доступ к поверхности измерительного электрода позволяет полностью очистить электроды.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с другими имеет расширенные функциональные возможности за счет автоматизации введения температурной поправки в измерения и возможности измерения солевой минерализации, повышенную надежность измерений за счет использования разборной конструкции измерительного датчика.

Пример. АЛУ 11, счетчик 10, многорежимный буферный регистр 14, генератор тактовых импульсов 12, шина данных 15, шина адресов 16 и шина управления 17 выполнены на однокристальной микроЭВМ КР1830ВЕ31. МикроЭВМ работает с внешним ПЗУ емкостью 32К байт. ОЗУ - внутреннее, емкостью 128 байт. Преобразователь напряжение - частота выполнен на микросхеме КР1108ПП1. Время преобразования задается программно 20 и 40 мсек. Кратность времени преобразования периоду сети позволяет ослабить наводки с частотой 50 х n Гц. В приборе применен 8-разрядный ЖКИ-индикатор. Крайний левый разряд индикатора отображает номер канала, в следующем разряде индицируется символ “-”, мигающий с частотой 2 сек, что является признаком работы прибора. Шесть правых разрядов - значение параметра в выбранном канале. Цикл измерений повторяется с периодом 1 сек. Максимальное число индицируемых параметров - 6. Вызов параметра на индикатор производится кнопками ИНДИКАТОР и КАНАЛ. Последовательное нажатие кнопки ИНДИКАТОР вызывает последовательный перебор индицируемых параметров. RS232 интерфейс используется для программирования прибора или считывания данных с помощью ПЭВМ.

1. Лабораторный резистивиметр, содержащий измерительный датчик с токовыми и измерительными электродами, измерительные каналы тока и напряжения, входы которых подключены к соответствующим электродам датчика и цепи питания электродных схем, отличающийся тем, что устройство содержит стабилизатор мощности, ключевой преобразователь постоянного напряжения в переменное, термометр со схемой питания, коммутатор, усилитель, преобразователь напряжение - частота, счетчик, арифметическо-логическое устройство, шину данных, шину адресов, шину управления, генератор тактовых импульсов, блок ОЗУ и ПЗУ, многорежимный буферный регистр, блок вывода информации и блок клавиатуры, причем первый выход ключевого преобразователя напряжения соединен с токовым электродом, второй выход через канал измерения тока соединен с обратным токовым электродом, вход питания ключевого преобразователя напряжения соединен с выходом стабилизатора мощности, на вход которого подается стабилизированное напряжение питания, вход управления ключевого преобразователя соединен с первым входом многорежимного буферного регистра, выход канала измерения тока соединен с первым входом коммутатора, выход канала измерения напряжения соединен с вторым входом коммутатора, выход термометра с схемой питания соединен с третьим входом коммутатора, вход управления коммутатора соединен с вторым выходом многорежимного буферного регистра, выход коммутатора соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение - частота, выход которого соединен с счетным входом счетчика, выходы счетчика соединены с шиной данных, входы управления счетчика соединены с шиной управления, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом арифметическо-логического устройства, входы/выходы данных арифметическо-логического устройства соединены с шиной данных и входами/выходами блока ОЗУ и ПЗУ и входами/выходами многорежимного буферного регистpa, адресные выходы арифметическо-логического устройства соединены с шиной адресов и адресными входами блока ОЗУ и ПЗУ и адресными входами многорежимного буферного регистра, входы/выходы управления арифметическо-логического устройства соединены с шиной управления, входами управления блока ОЗУ и ПЗУ и входами/выходами управления многорежимного буферного регистра, третий выход многорежимного буферного регистра соединен с входом блока клавиатуры, выход которого соединен с входом многорежимного буферного регистра, четвертый выход многорежимного буферного регистра соединен с первым входом блока вывода информации, пятый выход многорежимного буферного регистра соединен со вторым входом блока вывода информации.

2. Лабораторный резистивиметр по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент термометра расположен непосредственно в измерительном датчике.

3. Лабораторный резистивиметр по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что измерительный датчик соединяется со схемой измерения при помощи гибкого экранированного кабеля.

4. Лабораторный резистивиметр по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что измерительный датчик коаксиально устанавливается в съемную цилиндрическую калиброванную емкость, открытую с одного торца и герметичную с другого торца, причем емкость в другом торце имеет отверстие со съемной пробкой.