Результат интеллектуальной деятельности: Способ и система измерения давления и температуры тензомостом

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению температуры и давления.

Известен способ измерения температуры термометром сопротивления [а.с. №1332158], который приводят в контакт с объектом контроля. Подают на термометр сопротивления мощность P₁ и в момент времени t₁ измеряют первое значение температуры θ₁ и увеличивают мощность до величины Р₂. В моменты времени Т₂ и Т₃ проводят второе и третье измерение температуры θ₂ и θ₃. Измерение температур организовано так, что Т₂-Т₁=Т₃-Т₂. Значение измеряемой температуры рассчитывается по формуле

Недостатками данного метода являются неопределенность условий и параметров, при которых проводится градуировка термометра сопротивления. При градуировке термометра сопротивления при различных величинах рассеиваемой мощности градуировочные характеристики получаются разными. Также большое влияние оказывают параметры теплообмена со средой, в которой проводится градуировка термометра сопротивления. Неучет этих факторов в процессе измерения температуры приводит к погрешности.

За прототип принят способ дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком [см. патент РФ №2118802, G01K 7/16, G01L 1/22, Коловертнов Ю.Д. и др.], включающий подачу тока на диагональ питания тензомоста и измерение напряжения на измерительной диагонали. При смене направления тока питания тензомоста совмещают питающую и измерительную диагонали и измеряют второе напряжение, а значения давления и температуры определяют из соотношений

,

.

Устройство для дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, содержащее тензомост, четырехпроводную линию связи, двухполярный источник тока, измерительно-вычислительное устройство, снабжено двумя развязывающими диодными цепочками, подключенными одними выводами через провода линии связи к двухполярному источнику тока, а другими двумя выводами параллельно тензорезисторам, включенным в противоположные плечи тензомоста.

Прототип обладает существенными недостатками: невозможностью автоматизации в адаптивном диапазоне из-за ручного подбора коэффициентов статистической градуировки, снижающей точность и оперативность способа.

Технической задачей предлагаемого решения является автоматизация измерения давления, температуры и объема за счет использования калибровочных характеристик, снижающих до минимума методическую погрешность.

Поставленная задача достигается тем, что

1) способ измерения давления и температуры тензомостом включает подачу тока на диагональ питания тензомоста и измерение напряжения на измерительной диагонали U₊. При смене направления тока питания тензомоста измеряют напряжение U_-. В отличие от прототипа действительные значения температуры Т и давления P измеряют по калибровочным характеристикам от сопротивления R, параметрами которых служат предельные сопротивления температуры R_T, давления R_P и соответствующие им предельные температура Т₀ и давление Р_o, калибровочные характеристики строят априори по известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ адаптивного диапазон T_i, P_i, где i=1, 2, а из отношения действительных значений Т, P калибровочных характеристик зависимостей сопротивления от температуры и давления находят объем V.

2. В способе по п. 1, в отличие от прототипа, действительное значение температуры T измеряют по калибровочной характеристике температуры от сопротивления R

параметрами которой служат предельная температура

и предельное сопротивление

которые находят априори по известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ адаптивного диапазона температуры T_i и сопротивления R_i, где i=1, 2.

3. В способе по п. 1, в отличие от прототипа, действительное значение давления P измеряют по калибровочной характеристике от сопротивления R:

параметрами которой служат предельное давление

и предельное сопротивление

которые находят априори по известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ адаптивного диапазона P_i, где i=1, 2.

4. Системе измерения давления и температуры тензомостом содержит стандартный мостовой датчик давления с тензорезисторами, соединенный через четырехпроводную линию связи с измерительно-вычислительным устройством. В отличие от прототипа, система включает инвертор в питающей диагонали тензомоста, измерительная диагональ которого соединена с информационными входами измерительно-вычислителельного устройства, управляющие выходы последнего подключены к соответствующим входам инвертора постоянного тока в двуполярные импульсы.

5. В системе по п. 4, в отличие от прототипа, инвертор постоянного тока стабилизированного напряжения в двуполярные импульсы состоит из мостовой схемы четырех тиристоров, питающая диагональ которой является выходом двуполярных импульсов инвертора, нагруженных на тензомост, а управляющие входы тиристоров служат соответствующими входами инвертора, которые соединены через четырехпроводную линию связи с измерительно-вычислительным устройством.

Сущность способа поясняют режимы калибровки сопротивления от давления, температуры (фиг. 1) и объема (фиг. 2); сопоставительные оценки погрешности градуировки прототипа (фиг. 3, 4) и калибровки (фиг. 5, 6); структурная (фиг. 7) и принципиальная (фиг. 8) схемы системы, а также таблица состояния (фиг. 9), иллюстрирующая последовательность действий инвертора в цикле при смене направления тока питания тензомоста.

На фиг. 7 показана структурная схема системы измерения давления и температуры тензомостом, содержащая стандартный мостовой датчик давления с тензорезисторами 1, 2, 3, 4. Питающая диагональ тензомоста 1, 2 и 3, 4 нагружена на импульсную диагональ тиристоров 5-8 инвертора (фиг. 8). Тензомост соединен через четырехпроводную линию связи активными сопротивлениями проводов 9-12 с измерительно-вычислительным устройством 14. Система включает инвертор 13 в питающей диагонали тензомоста 1, 2 и 3, 4, измерительная диагональ 1, 3 и 2, 4 которого соединена с информационными входами измерительно-вычислительного устройства (ИВУ) 14, управляющие выходы последнего подключены к соответствующим входам инвертора 13 постоянного тока в двуполярные импульсы.

На фиг. 8 показана принципиальная схема системы. Инвертор постоянного тока 13 стабилизированного напряжения в двуполярные импульсы состоит из мостовой схемы четырех тиристоров 5-6. Питающая диагональ 6, 7 и 5, 8 схемы является выходом двуполярных импульсов инвертора 13, нагруженных на тензомост 1-4. Управляющие входы тиристоров 5, 7 и 6, 8 служат соответствующими входами инвертора 13, которые соединены через четырехпроводную линию связи А, В с ИВУ 14.

Способ осуществляется следующим образом.

1. Измерительная цепь содержит мост с тензорезисторами 1, 2, 3, 4, имеющими равные номинальные значения сопротивлений R_k, где тензорезисторы 1, 4 получают положительное приращение сопротивления R_Pk, а тензорезисторы 2, 3 отрицательное приращение сопротивления R_Pk при увеличении измеряемого давления, а при изменении температуры все плечи тензомоста получают одинаковое приращение R_Tk, четырехпроводную линию связи с активными сопротивлениями проводов соответственно 9-12 (см. фиг. 7).

К питающим двуплечий тензомостовой датчик проводам 9 и 12 подают ток одной полярности и измеряют напряжения между потенциальными проводами 10 и 11 (U₊), затем при подаче тока другой полярности на тензомостовой датчик также измеряют напряжение между потенциальными проводами 10 и 11 (U_-). Значения давления и температуры определяют по сопротивлениям R_k тензомоста согласно k-м напряжениям U_k (k=1, 4), представленным системами уравнений

где R_Tk=R_Tk+1=R_{Tk, k+1}, R_Pk=R_Pk+1=R_Pk,k+1.

Известно, что

и для положительной полярности получим

тогда

Откуда находим термосопротивление R_T24, а также тензосопротивление R_P24

Найдем при отрицательной полярности значение напряжения U

тогда

Откуда находим термосопротивление R_T13, а также тензосопротивление R_P13

Принципиальную схему поясняет таблица состояний (фиг. 9).

В 1-м состоянии 10 периода ИВУ 14 по управляющему выходу А включает единичным потенциалом тиристоры 5 и 7 инвертора 13, а тиристоры 6 и 8 закрыты нулевым потенциалом. Ток положительной полярности поступает через тиристор 5 на первое плечо тензорезисторов 1-2, протекает через измерительную диагональ тензомоста, регистрируется ИВУ 14 и со второго плеча тензорезисторов 3-4 возвращается через тиристор 7 на отрицательный потенциал стабилизированного источника питания инвертора 13. Во втором состоянии 01 через тиристоры 6 и 8 инвертора 13 через тензомост 1-4 пртекает ток обратной полярности, т.к. ток течет в обратном направлении через второе плечо 3-4 к первому 1-2 тензомоста.

В способе определения давления и температуры по сопротивлению терморезистора подают ток I на диагональ питания стандартного тензомостового датчика и измерение напряжения U₊ на магистральной диагонали, а при смене направления тока питания измеряют напряжение U_-. В отличие от прототипа действительные значения температуры T и давления P измеряют по калибровочным характеристикам сопротивления от температуры и давления, параметрами которых служат предельные сопротивления температуры R_T, давления R_P и соответствующие им предельные температура Т₀ и давление Р_o, калибровочные характеристики строят априори по известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ адаптивного диапазона Т_i, Р_i, где i=1, 2, а из отношения действительных значений Т, Р калибровочных характеристик сопротивления от температуры и давления находят объем V.

2. Действительное значение температуры T измеряют по калибровочной характеристике сопротивления R_Tk,k+1 = R (см. 1) от температуры [см. Пат. №2269102 (РФ)]

или

,

параметрами которой служат предельные сопротивление R_T температуры и значение температуры Т₀.

Действительно, из пределов характеристики (2) и ее инверсии следует

,

,

что соответствует закономерностям тождественности множества ненормируемых измерений сопротивления R и контроля температуры Т информативным параметрам: предельному сопротивлению R_T и предельной температуре Т₀ калибровочной характеристики (2):

Закономерности (2а, в) однозначно определяют параметры калибровочной характеристики (2) и служат нормируемыми мерами ее тождественности эталонной характеристике натурного эксперимента.

Предельное значение температуры Т₀ определяют по двум известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ диапазона, T_i и T₂=nT₁ для n>1 (см. фиг. 1). Исходя из (2), составим систему уравнений для зависимости сопротивления от температуры:

Поделим первое уравнение системы (3) на второе

и после логарифмирования получим

,

из которого находят алгоритм оптимизации предельного значения температуры Т₀

I

Следовательно, алгоритм оптимизации (4) регламентирует измерение сопротивлений R_i границ (i=1, 2) диапазона нормированных температур T_i, известных образцов, нахождение диапазонов сопротивления и температуры, из отношения которых оптимизируют параметр предельной температуры калибровочной характеристики (2) к адаптивному диапазону.

Предельное значение сопротивления найдем из системы уравнений начального значения температуры, аналогично, по двум известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ диапазона, T₁ и Т₂

Преобразуем систему (5) в логарифмическое уравнение

,

а после экспоненцирования в степенное уравнение

.

из которого находим алгоритм оптимизации предельного сопротивления

Следовательно, алгоритм оптимизации (6) регламентирует измерение сопротивлений R_i границ (i=1, 2) диапазона нормированных температур T_i известных образцов, нахождение диапазонов сопротивления и температуры, из отношения которых оптимизируют параметр предельного сопротивления калибровочной характеристики (2) к адаптивному диапазону.

3. Действительное значение давления P измеряют по калибровочной характеристике зависимости сопротивления R_Pk,_k+1=R от давления. Согласно монографии [Техника творчества / Е.И. Глинкин. - Тамбов: ТГТУ, 2010, с. 150-162] зависимость сопротивления от давления находят по формуле

или

,

в которой R_P и Р₀ - предельное сопротивление и соответствующее ему начальное значение давления, которые являются информативными параметрами.

Действительно, из пределов характеристики (7) и ее инверсии следует

,

,

что соответствует закономерностям тождественности множества ненормируемых измерений сопротивления R и контроля давления Р информативным параметрам: предельному сопротивлению R_P и предельному давлению Р₀ калибровочной характеристики (7):

Закономерности (7а, в) однозначно определяют параметры калибровочной характеристики (7) и служат нормируемыми мерами ее тождественности эталонной характеристике натурного эксперимента.

Предельное давление Р₀ определяем по двум известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ диапазона, P₁ и Р₂, где Р₂=2Р₁ (см. фиг. 1). Исходя из (7), составим систему уравнений для зависимости сопротивления от давления:

Поделим первое уравнение системы (8) на второе уравнение, тогда

,

а после логарифмирования получим

,

из которого находят алгоритм оптимизации предельного значения давления Р₀

Следовательно, алгоритм оптимизации (9) регламентирует измерение сопротивлений R_i границ (i=1, 2) диапазона нормированных давлений P_i известных образцов, нахождение диапазонов сопротивления и давления, из отношения которых оптимизируют параметр давления калибровочной характеристики к адаптивному диапазону.

Предельное значение сопротивления найдем из системы уравнений значений давления, аналогично, по двум известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ диапазона, Р_i и Р₂:

Поделив в системе (10) одно уравнение на другое, получим логарифмическое уравнение

а после экспоненцирования - степенное уравнение

,

из которого следует алгоритм оптимизации предельного значения сопротивления:

Следовательно, алгоритм оптимизации (11) регламентирует измерение сопротивлений R_i границ (i=1, 2) диапазона нормированных давлений Р_i известных образцов, нахождение диапазонов сопротивления и давления, из отношения которых оптимизируют параметр предельного сопротивления калибровочной характеристики (7) к адаптивному диапазону.

Исходя из закона Клайперона-Менделеева, известно, что

Следовательно, вычислив по калибровочным характеристикам давление Р и температуру Т, можно воспользоваться законом Шарля, частным случаем объединенного газового закона:

На фиг. 2 показана калибровочная характеристика сопротивления R от объема V по известным калибровочным характеристикам сопротивления R от давления Р (7) и температуры Т (2).

Докажем эффективность способа.

В прототипе давление и температура в скважине определяются из соотношений

,

,

где Р, Т - соответственно давление и температура в месте нахождения скважинной части прибора, I - значение питающего тока, ΔR_P, ΔR_T - приращение активных сопротивлений тензодатчика от измеряемых параметров давления и температуры, k_Pi, k_Ti - коэффициенты пропорциональности давления и температуры, U₊, U_- - измеряемые напряжения.

Коэффициенты пропорциональности подбираются вручную, исходя из рассматриваемого диапазона, что отрицательно сказывается на точности и оперативности, а также делает невозможным автоматизацию измерения.

На фиг. 3 показана градуировочная 1 и калибровочная 2 характеристики сопротивления от температуры, качественный анализ которых показывает, что зависимость прототипа аппроксимируется по поддиапазонам линиями, подобранными субъективно среднестатистическим анализом относительно предлагаемого решения с калибровочной характеристикой, тождественной физике эксперимента, и оптимальными параметрами нормированных границ адаптивного диапазона. Количественная оценка представлена методической погрешностью (см. фиг. 4) температуры прототипа, которая составляет до ±50% от значений предлагаемого способа. Аналогично доказывается эффективность по давлению, где методическая погрешность прототипа также составляет ±50% по сравнению с предлагаемым решением.

Качественный анализ фиг. 5 показывает тождественность эталонной 1 и калибровочной 2 характеристик сопротивления от давления (аналогично и по температуре), что обусловлено в предлагаемом решении калибровочной характеристикой, тождественной физике эксперимента, и оптимальными параметрами нормированных границ адаптивного диапазона. Количественная оценка представлена методической погрешностью (см. фиг. 6) давления прототипа (аналогично и по температуре), которая составляет до 0,06% от значений эксперимента. Аналогично доказывается эффективность по температуре, где методическая погрешность предлагаемого решения не превышает 0,06% по сравнению с натурным экспериментом.

Таким образом, в предлагаемом способе, в отличие от прототипа, измеряют действительные значения температуры, давления и объема за счет калибровочных характеристик от сопротивления, с предельными параметрами, которые оптимизируют априори по известным образцам с нормируемыми мерами верхней и нижней границ адаптивного диапазона, что в итоге не превышает методическую погрешность автоматического измерения характеристик климата (температуры, давления и объема) 0,06% от натурного эксперимента.