Датчик электропроводности жидкости

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин и предназначена для измерения электрической проводимости промывочной жидкости.
Известен датчик электропроводности для непрерывного измерения удельной электропроводности промывочной жидкости на входе и выходе из скважины. Конструктивно устройство представляет собой первичный преобразователь погружного типа в защитном кожухе, залитом компаундом, соединенный штангой с блоком электроники. Действие устройства основано на измерении индукционным методом электропроводности жидкостного витка, охватывающего два тороидальных трансформатора. Жидкостной виток создается исследуемым раствором, находящимся как во внутренней полости, так и во внешнем объеме, охватывающем датчик (Буклет ОАО НПП «ГЕРС» «Станция геолого-технологических исследований нефтегазовых скважин «СИРИУС», Тверь, 2002, стр.21).
Недостатком устройства является зависимость показаний датчика от температуры раствора. Кроме того, постоянное нахождение первичного преобразователя в агрессивной среде предъявляет высокие требования к его герметичности. На показания датчика влияют электромагнитные поля, наводящие ЭДС в проводах, размещенных в штанге и соединяющих катушки индуктивности с источником питания и блоком электроники.
Прототипом полезной модели является датчик электропроводности, содержащий измерительный преобразователь, выполненный в виде двух тороидальных трансформаторов с общим витком связи. Измерительный преобразователь размещен в одном корпусе с блоком электроники и соединен с электродами, замыкающими жидкостной виток электрической связи. Электроды установлены на изолирующей вставке, размещенной на конце соединительной трубки, и погружены в контролируемую жидкость. На изолирующей вставке установлен также чувствительный элемент датчика температуры (RU 55152, МПК G01R 27/22, E21B47/00, 2006 г.).
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения из-за того, что в известном датчике применяют контактный способ измерения, когда измерение сопротивления производится напрямую через электроды. В связи с неоднородностью окружающей среды, в которую погружены электроды, на точность измерения будут влиять множество факторов, которые необходимо учитывать при измерении электропроводности жидкости.
Проблемой полезной модели является разработка устройства обеспечивающего повышенную точность измерения электропроводности жидкости за счет линейности шкалы разности фаз измерения и расширения диапазона измерения в области малой электропроводности.
Указанная проблема решается за счет того, что датчик электропроводности жидкости содержит корпус в виде штанги, включающей металлический стержень, на одном конце которого размещена измерительная головка с залитым компаундом чувствительным элементом в виде генераторного и приемного тороидального трансформатора с генераторной и измерительной обмотками, образующими при погружении в измеряемую жидкость жидкостный электропроводящий виток с общим витком связи, а на другом конце - блок электроники. Согласно полезной модели датчик дополнительно содержит два экрана из магнитно-мягкого железа для установки в них тороидальных трансформаторов. Экраны обращены друг к другу донными сторонами, и каждый экран выполнен с возможностью охватывания трансформатора с трех сторон – снизу, с внешней боковой стороны и с внутренней боковой стороны. Генераторная и измерительная обмотки тороидальных трансформаторов намотаны встречно, при этом измерительная обмотка приемного трансформатора соединена с низкоомным резистором. На стержне штанги перед блоком электроники установлен термометр для измерения температуры жидкости.
Экраны могут быть выполнены в виде двух соосных цилиндров с общим дном, расположенных один в другом.
Блок электроники дополнительно содержит дифференциальный усилитель сигнала измерительной обмотки, двухканальный синхронный детектор и микропроцессор.
Наличие токопроводящих и магнитопроводящих экранов, выполненных с возможностью охвата тороидальных трансформаторов с трех сторон исключает индукционное взаимодействие между собой генераторного и приёмного тороидоидального трансформаторов напрямую, в месте их расположения. Именно такая форма экрана обеспечивает индукционную связь, совпадающую с виртуальным жидкостным электропроводящим витком, что является основой для точного измерения электропроводности жидкости.
Встречная намотка обмоток генераторного и приёмного трансформаторов исключает воздействие электромагнитных помех по принципу «витая пара», что позволяет значительно повысить точность измерения и расширить диапазон измерения.
Соединение измерительной обмотки с низкоомным резистором позволяет электрической измерительной части датчика снимать сигнал пропорциональный проводимости.
о
Электронный термометр служит для измерения температуры жидкости, по показаниям которого микропроцессор производит автоматический пересчет измеренной проводимости при некоторой текущей температуре к любой другой выбранной температуре, например 25С (приведенная проводимость). При этом температурный коэффициент изменения проводимости от температуры может быть задан в зависимости от свойств жидкости. Наличие термометра для измерения температуры измеряемой жидкости, позволяет откорректировать выходную характеристику датчика введением поправок на температуру, что позволяет получить на выходе линейную характеристику в пределах допустимых погрешностей.
Включение в электрическую схему датчика дифференциального усилителя сигнала с измерительной обмотки обеспечивает подавление синфазной составляющей паразитной наводки, формирует постоянное напряжение измерительного сигнала, пропорционального проводимости жидкости и постоянное напряжение опорного сигнала, пропорционального амплитуде переменного напряжения генераторной обмотки, что подготавливает к сравнению опорный и измеряемый сигналы, а это сказывается на точности измерения и позволяет проводить измерение во всем диапазоне проводимости.
Включение микропроцессора, осуществляющего деление величины измеряемого сигнала на величину опорного сигнала, обеспечивает измерение с высокой достоверностью результатов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид датчика; на фиг. 2 – вид сбоку; на фиг. 3 – функциональная схема датчика электропроводности жидкости.
Датчик электропроводности жидкости выполнен в искробезопасном и взрывозащищенном исполнении в соответствии с ГОСТ 30852.10-2002 и ГОСТ 30852.11-2002 представляет собой корпус, выполненный в виде штанги, включающей металлический стержень 1, на одном конце которого расположена измерительная головка, размещенная в пластиковом корпусе 2, выполненном в виде тора. Чувствительный элемент измерительной головки залит компаундом 3 и включает генераторный трансформатор 4 с генераторной обмоткой 5 и приемный трансформатор 6 с измерительной обмоткой 7, каждый из которых выполнен тороидальной формой. Тороидальные трансформаторы 4 и 6 представляют собой катушки, намотанные на два кольцевых ферритовых сердечника. Генераторная обмотка 5 и измерительная обмотка 7 намотаны встречно. Каждый трансформатор 4 и 6 расположен внутри экранов 8 и 9, выполненных в виде двух соосных цилиндров с общим дном, расположенных один в другом. Экраны 8 и 9 выполнены из магнитно-мягкого железа. Экраны 8 и 9 обращены друг к другу донной стороной. Измерительная обмотка 7 соединена с низкоомным резистором 10, размещенным в блоке 11 электроники, расположенном на противоположном конце стержня 1. Блок 11 электроники расположен в герметичном пластмассовом корпусе 12 с крышкой 13 внутри которого на стойках (на фиг. не показано) установлены печатные платы, включающие: дифференциальный усилитель 14 сигнала измерительной обмотки 7, двухканальный синхронный детектор 15, микропроцессор 16 и электронный термометр 17. Крышка 13 к корпусу 12 крепится на винтах. На боковой стенке корпуса 12 установлен разъем 18 для подключения к цепи питания информационных линий.
Датчик электропроводности жидкости работает следующим образом.
Датчик предназначен для измерения удельной электропроводности промывочной жидкости. Принцип действия датчика основан на измерении электропроводности жидкостного витка связи, охватывающего два тороидальных трансформатора 4 и 6 индукционным методом. Жидкостный виток создается исследуемым раствором, находящимся как во внутренней полости тороидального датчика, так и во всем внешнем объеме, охватывающем датчик. В процессе работы жидкость омывает чувствительный элемент. Чувствительным элементом являются два тороидальных трансформатора генераторный 4 и приемный 6, разделенные магнитонепроницаемыми экранами 8 и 9, обращенных друг к другу донной стороной. Экраны 8 и 9 исключают взаимное влияние тороидальных трансфотматоров 4 и 6 напрямую друг на друга. Размещение трансформаторов 4 и 6 совместно с экранами 8 и 9 позволяет создавать индукционную связь, обеспечивающую замыкание магнитной индукции вокруг корпуса 2 в измеряемой жидкости, на чем основан принцип работы индукционных датчиков измерителей проводимости. Изменение индукции напрямую зависит от проводимости промывочной жидкости. Генераторный тороидальный трансформатор 4 создает магнитную индукцию, проходящую через промывочную жидкость. На приемный тороидальный трансформатор 6 замыкается магнитное поле генераторного трансформатора 4.
Индукция пропорциональна проводимости промывочной жидкости и её температуре. Соединение измерительной обмотки 7 на низкоомный резистор 10 создает трансформатор тока. Получаемый ток пропорционален измеряемому параметру. Далее ток поступает на синхронный детектор 15, где формируется постоянное напряжение измерительного сигнала. Далее сигнал поступает на микропроцессор 16, где оцифровывается. Туда же поступает сигнал с термометра 17. В микропроцессоре 16 сигнал корректируется по температуре и окончательно рассчитывается по следующей формуле:
где:
пр
χ – проводимость промывочной жидкости, См/м;
χ -  проводимость раствора, См/м;
ß - температурный коэффициент, %/°С;
1
Τ - температура фактическая температура раствора, °С;
0
Т - температура к которой приводится значение проводимости раствора °С;
1
1
χ – проводимость при фактической температуре раствора, Τ;
0
χ– проводимость при температуре, к которой приводится значение проводимости раствора.
Представленный датчик электропроводности жидкости за счет его нового конструктивного исполнения позволяет повысить точность измерения, а также расширить диапазон измерения до 100% от проводимости.
Включение в электрическую схему датчика дифференциального усилителя сигнала с измерительной обмоткой обеспечивает подавление синфазной составляющей паразитной наводки, формирует постоянное напряжение измерительного сигнала, пропорционального проводимости жидкости и постоянное напряжение опорного сигнала, пропорционального амплитуде переменного напряжения генераторной обмотки 5, что подготавливает к сравнению опорный и измеряемый сигналы, а это сказывается на точности измерения и позволяет проводить измерение во всем диапазоне проводимости в пределах основной приведенной погрешности измерения при температуре среды ±20°С ±1%.
В настоящее время датчик электропроводности жидкости прошел промышленные испытания и находится на стадии серийного производства.