Файл: Кривоносов, А. И. Полупроводниковые датчики температуры.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.10.2024

Просмотров: 74

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

шего исследования и практического применения тран­ зисторов в качестве термокомпенсаторов иизкоомных резисторов с положительным температурным коэффи­ циентом.

4-4. УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО к о н т р о л я ТЕМПЕРАТУРЫ

Создание дистанционных датчиков температуры имеет ряд характерных особенностей. В частности, это относится к их применению в условиях, когда последо­ вательно с ними включены длинные линии сопротивле­ нием около 2—3 ком. Эти длинные линии в то же время могут сами являться чувствительными к температуре элементами. При этом очень затруднено, а без приня­ тия специальных мер и вообще невозможно использова­ ние иизкоомных датчиков температуры с величиной сопротивления, соизмеримой с сопротивлением линии.

Создание датчика температуры с р-п переходом даст возможность решить проблему создания высокоомного датчика температуры, имеющего линейную термометри­ ческую характеристику.

При этом сопротивление датчика температуры в за­ висимости от схемы включения и выбора параметров ее элементов может составлять от единиц до сотен килоом.

Для измерения температуры морской воды удобно использовать самопишущие приборы (автоматические самопишущие мосты или потенциометры). Применение таких приборов позволяет не только измерять темпера­ туру, но и контролировать характер ее изменения во времени.

Применение в подобных схемах высокоомных термо­ чувствительных элементов дает возможность значитель­ но повысить точность измерения в связи о тем, что сопротивлением длинной линии и тем более его изме­ нением от различных факторов можно пренебречь.

В автоматических мостах обычно применяют измери­ тельную мостовую схему, показанную на рис. 4-10, где

обозначено Ri,

Rz, R3, Ri — постоянные

резисторы, R$

реохорд,

Rai,

Rji2 '— сопротивления

длинных линий,

Rt.c— сопротивление термочувствительной

цепи, УС

усилитель,

Д — реверсивный двигатель,

Е — источник

питания постоянного тока. При каждом изменении температуры мост выходит из равновесия и на входе усилителя появляется напряжение. Под воздействием

164


этого напряжения, усиленного усилителем, приходит в движение двигатель. Двигатель перемещает движок реохорда в новое положение, при котором мост опять придет в равновесие, но уже при новом значении тем­ пературы. Таким образом, каждому значению темпера­ туры соответствует определенное положение движка

Рис. 4-10. Схемы устройства дистанционного контроля тем­ пературы.

реохорда и связанного с ним указателя отсчет-ного уст­

ройства.

-.^і

Наиболее существенной

погрешностью термометров

сопротивления является погрешность, обусловленная изменением сопротивления линии вследствие колебании температуры окружающей среды. Сопротивление линий при больших расстояниях (до нескольких сотен — тысяч метров) может составлять сопротивление более 1 ком, и линия -сама может стать термочувствительной. В том случае, если номинальное сопротивление термочувстви­ тельного элемента больше сопротивления линии, то погрешность измерения температуры может быть умень­

шена за счет:

1) включения по трехпроводной схеме;

2) применения уравнительных катушек.

Трехпроводная линия будет составлена из двух ли­

ний, входящих

-в смежные плечи, и одной, входящей

165

в диагональ питания. Такое включение позволяет ском­ пенсировать температурные изменения двух, входящих в смежные плечи, длинных линий. Дополнительной ком­ пенсацией является включение уравнительных катушек в длинные линии смежных плеч. Такая необходимость появляется вследствие того, что длинные линии, как пра­ вило, «е симметричны.

Наиболее, перспективными с точки зрения использо­

вания

в нужном диапазоне (—2н-+30°С или 271 —

303 °К),

по-видимому, являются термодатчики, изготов­

ленные на основе кремниевых р-п переходов. Так, при токе /д=20 мка сопротивление термодатчика по основе полупроводникового диода типа ДЮЗ составляет 27,5 ком, что в десятки раз выше сопротивления длинной линии. Расчет семейства вольт-амперных характеристик для различных температур среды кремниевых р-п переходов

изложен в [Л. 32].

необходимо для установления

Наличие резистора

требуемого тока / д через термодатчик.

Инерционность термодатчика может быть значитель­ но уменьшена за счет разработки специальной бескор­ пусной конструкции. В этом случае инерционность мо­ жет составлять менее 0,1 сек.

Следует обратить внимание на то, что величина на­ пряжения питания берется значительно больше (как правило, более 4—5 в) по сравнению с падением напря­ жения на термодатчике, которое составляет обычно десятые доли вольта. Поэтому можно считать, что в этом случае Unm= oo.

Наиболее хорошие результаты можно получить, при­ меняя для автоматической регистрации температуры автоматический мост типа КСМ пли автоматический потенциометр типа КСП (например, КСП-4).

Два варианта электрических схем измерителей тем­ пературы морской воды приведены на рис. 4-10,а и б. Эти схемы отличаются тем, что в них применен термо­ чувствительный элемент на основе р-п перехода, вклю­ ченный в две различные синтезированные цепочки.

Таким образом, в данной схеме в качестве термо­ чувствительного элемента морской воды предложено использовать датчик температуры с р-п переходом, сме­ щенным в прямом направлении, сопротивление которого может достигать десятков и сотен килоом, термометри­ ческая характеристика падения напряжения на котором

166


при постоянном значении тока через него линейна в диа­ пазоне температур —2ч--Ь30°С и чувствительность ко­ торого по температуре составляет 2—3 мв/°С.

Кроме того, в результате проведенных эксперимен­ тальных исследований выявлено, что наиболее жела­ тельно применение для измерения температуры морской воды кремниевых р-п переходов, как наиболее высоко­ омных по сравнению с другими в связи с наличием на их вольт-амперной характеристике характерной «пятки».

С целью обеспечения взаимозаменяемости датчиков температуры необходимо осуществлять синтез цепей с ними.

4-5. АППАРАТУРА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ БУРЯЩИХСЯ СКВАЖИН

Вопросами измерения температур в бурящихся скважинах, уделяется серьезное внимание, так как теп­ ловая энергия земли является следствием многих сква­ жинных процессов. Измерение температуры производит­ ся специальной аппаратурой, спускаемой в скважину на кабель-тросе либо на колонне бурильных труб. Инфор­ мация о контролируемой температуре передается на поверхность земли или фиксируется забойными регист­ раторами на различных носителях информации [Л. 59]. При проводке нефтяных и газовых скважин электробу­ рами, питание которых осуществляется по схеме два провода — труба, с использованием для измерения тем­ пературы одного из погружных полупроводниковых устройств необходимо извлечь из скважины буровой ин­ струмент, после чего становится возможные спуск по­ гружной части измерительного устройства на специаль­ ном кабеле и прием поступающей от него информации наземным регистратором.

Необходимость извлечения инструмента для произ­ водства измерения температуры является основным не­ достатком применения подобного типа устройств ввиду значительных потерь рабочего времени.

Использование других устройств предполагает мон­ таж в компоновке низа бурильной колонны контейнера с чувствительным элементом температуры, связанного кабелем с наземным измерительным прибором. Несмот­ ря на то, что использование этих устройств позволяет исключить недостаток первых, они сами обладают тем

167

недостатком, что усложняют компоновку низа буриль­ ной колонны и снижают их надежность ввиду наличия в них погружного контейнера специально для измерения температуры.

Аппаратура для скважинных замеров температуры, включающая в себя датчики и регистрирующие устрой­ ства, должна быть рассчитана на эксплуатацию в сле­ дующих условиях: гидростатическое давление до 1 760 кгс/см2 и максимальная окружающая температура около 230 °С при глубине скважины до 9 000 м; вибро­ ускорения от 10 до 22 при частотах 400—15 гц. Корпус глубинной части аппаратуры должен быть выполнен из материала, стойкого к абразивному воздействию про­ мывочного раствора, а ее габарит должен быть мини­ мальным, причем наружный диаметр не должен пре­ вышать 40—50 мм. Сами приборы должны быть доста­ точно простыми в эксплуатации и надежны по конструкции. Весьма важным фактором является их стоимость и хорошие метрологические характеристики (постоянная времени, чувствительность, точность изме­ рения, отсутствие гистерезиса и т. д .).

В известных в настоящее время методах измерения температуры, предусматривающих привязку результа­ тов измерения ко времени и глубине, время определяет­ ся работой лентопротяжного механизма, а глубина — длиной троса или колонны бурильных труб, на которых спускается в скважину измерительная аппаратура. При такой методике определения масштабных величин не­ избежны ошибки измерения, а сам процесс расшифров­ ки связан с потерями времени. Более точные данные могут быть получены при спуске приборов на кабельтросе, в этом случае можно вести совмещенную запись измеряемого параметра в функции глубины погружения и времени спуска прибора «а забой.

При электробурении измерение различных забойных параметров и в том числе температуры осуществляется посредством телеметрических систем, которые передают информацию об измеряемом параметре до токоподвода электробура. При этом способе бурения, особенно при бурении сверхглубоких скважин, сравнительно просты­ ми техническими средствами, связанными с. приводом скважины, можно получить информацию о забойной температуре с достаточной точностью и без погрешно­ стей.

168


Питание погружного электродвигателя по схеме два провода — колонна труб потребовало разработки для целей контроля сопротивления изоляции специального устройства, через которое одна из фаз электробура под­ соединяется к колонне бурильных труб. Такое устройст­ во обеспечивает нормальный электрический режим пита-

/-ч_>

ния электробура и измерение сопротивления изоляции при спуско-подъемных операциях, посредством назем­ ного прибора.

Коммутирующий узел 2 (рис. 4-11) устройства вы­ полнен на включенных встречно-параллельно силовых кремниевых полупроводниковых приборах — диоде Дз и тиристоре Гц, управляющий электрод которого через конденсатор С2 подсоединен к его аноду. Так как напря­ жение переключения тиристора (Ппер) является функ­ цией температуры і[Л. 147] окружающей среды, то, следо­ вательно, глубинная часть устройства для контроля изоляции (УКИ), кроме выполнения своих основных функций, может быть использована в качестве датчика температуры. Сочетание таких свойств дает возможность

12— 2 5

169

без дополнительных затрат п разработки новой аппара­ туры в процессе эксплуатации УКИ получить информа­ цию об .изменении забойной температуры в процессе бурения скважины и, в частности, измерить:

1)забойную температуру по стволу скважины для случая длительного отсутствия циркуляции бурового раствора;

2)забойную теі\іпературу при циркуляции и отклю­ ченном электробуре;

3)забойную температуру в процессе работы элек­ тробура;

4)получить ряд зависимостей температуры в сква­ жине от расхода промывочной жидкости и ее физико­

химического состава, мощности

забойного

агрегата

и т. д.

тиристора в

качестве

На принципе использования

термочувствительного элемента был разработан прибор, позволяющий вести измерения забойной температуры с оттарированными в лабораторных условиях коммути­ рующими узлами. В процессе тарировки в лаборатор­ ных условиях производился контролируемый нагрев коммутирующего устройства и измерялось с помощью разработанного прибора напряжение переключения тиристора. Расчет зависимости напряжения переключе­ ния, тиристора для различных температур среды можно производить по методике, предложенной в {Л. 65].

Прибор представляет собой переносное влагозащи­ щенное устройство, питание которого осуществляется от сети 50 гц 220 в.

При измерении температуры в скважине, а также при тарировке коммутирующего узла УКИ в лаборатор­ ных условиях с помощью прибора (рис. 4-11) напряже­ ние подается через автотрансформатор Трі блока пита­ ния 1 на разделительный трансформатор Тр2, выход которого через резистор Ri подключей к коммутирую­ щему узлу УКИ. Ток в положительный полупериод про­ текает через тиристор, открывающийся током заряда конденсатора С2.

До открытия тиристора Та ток в цепи незначитель­ ный и почти все напряжение положительной полуволны приложено к конденсаторам Сі и С2, заряжая их. При открытии тиристора Та ток в цепи резко возрастет и скачком увеличивается падение напряжения на резисто­ ре Ru Конденсатор Сі разряжается через вольтметр,

170