DE2531784C2

DE2531784C2 - Meßanordnung zur Temperatur- und Druckmessung eines Mediums in Bohrlöchern

Info

Publication number: DE2531784C2
Application number: DE19752531784
Authority: DE
Inventors: Leopold St.Andrä-Wördern Eggenhofer; Horst Wien Kaindl
Original assignee: OEMV AG
Current assignee: OEMV AG
Priority date: 1974-10-10
Filing date: 1975-07-16
Publication date: 1987-02-26
Also published as: AT353505B; DE2531784A1; ATA815774A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.
Eine solche Meßanordnung ist aus der DE-AS 10 91 351 bekannt. Diese Meßanordnung weist zur Temperaturmessung einen mit der Temperatur seinen elektrischen Widerstandswert ändernden und mit dem zu messenden Medium in thermischem Kontakt stehenden Widerstand auf. Zur Druckmessung ist ein durch den Mediumsdruck beaufschlagter Druckfühler vorgesehen. Der Widerstand und der Druckfühler sind über Meßsignalleitungen an eine außerhalb des Bohrloches befindliche Auswerteschaltung angeschlossen. Die Meßsignale werden durch einen Schreiber aufgezeichnet.
Aus der US-PS 20 15 851 ist eine Meßanordnung zur Temperatur- und Druckmessung eines Mediums in Bohrlöchern bekannt, bei welcher sich Druck- und Temperaturfühler in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Das Gehäuse ist mit Öffnungen versehen, die den Zutritt des Mediums in eine Meßkammer gestatten. Im Meßkopf ist ferner ein Schreiber untergebracht, welcher die ermittelten Meßwerte am Meßort registriert.
Aus der DE-AS 12 64 810 ist ferner eine Meßanordnung zur Druckmessung in Bohrlöchern bekannt, bei welcher als Druckfühler ein veränderlicher Widerstand verwendet wird, der zwischen einer Widerstandsbahn und einem Schleifkontakt gebildet ist, welcher druckabhängig über die Widerstandsbahn verschoben wird. Ein Ende der Widerstandsbahn und der Schleifkontakt sind über Meßleitungen, die zur Erdoberfläche hochgeführt sind, an eine Auswerteschaltung angeschlossen. Der Druck im Bohrloch wird mittels einer elastisch deformierbaren Membran abgefühlt, deren Rand am Gehäuse des Meßkopfes eingespannt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßanordnung der aus der DE-AS 10 91 351 bekannten Art eine zuverlässige, präzise und reproduzierbare sowie von Leitungseinflüssen weitgehend freie Messung von zwei Parametern gleichzeitig zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Meßanordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
Im folgenden werden mehrere Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Schaltschema der Meßanordnung,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Meßsonde,
Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Meßsonde und
Fig. 4 eine dazugehörige Kabelaufhängung mit Schnellkupplung.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Meßsonde bezeichnet, die in einem Gehäuse 2 eine von einem NTC-Widerstand gebildete Temperaturmeßeinrichtung 3 und eine von einem Potentiometer 4 gebildete Druckmeßeinrichtung aufweist, wobei das Potentiometer 4 mit einem Bourdon-Rohr 5 verbunden ist. Mit 6 ist eine Druckeinlaßöffnung bzw. eine Druckeintrittsschraube zum Bourdon-Rohr bezeichnet und mit 7 sind die Ausnehmungen im Gehäuse 2 bezeichnet, über die der NTC-Widerstand mit dem zu messenden Medium in Verbindung steht.
Die Ausgänge der Widerstände 3 und 4 sind jeweils als zu messende Widerstände R _X einer Brückenschaltung geschaltet, die sich in einem Meßstand befinden kann. Die anderen Widerstände der Brückenschaltung sind mit R ₁, R ₂ und R ₃ bezeichnet, wobei die Widerstände R ₃ die Abgleichwiderstände der Brückenschaltung sind. Zwischen die Widerstände R ₁ und R ₂ bzw. R _X und R ₃ ist ein Schreiber zur Aufzeichnung der Änderungen der Widerstände R _X in Abhängigkeit von Druck und Temperatur geschaltet.
Die Speisung der Brücke erfolgt von einem Gleichstromanschluß 8 über Schutzwiderstände 9 und einen Regelwiderstand 10, an dem die Brückenspeisespannung einstellbar ist. Parallel zum Speisespannungseingang ist eine Kontrollampe 11 geschaltet. Ferner ist nach dem ersten Schutzwiderstand zur Stabilisierung eine Zener-Diode 12 mit einer Durchbruchspannung von 10 V und nach dem zweiten Schutzwiderstand 9 eine Zener-Diode 13 mit einer Durchbruchspannung von 5,6 V geschaltet. Vor dem Regelwiderstand 10 ist zum Ablesen und Einstellen der Brückenspeisespannung ein entsprechendes Meßgerät 14 angeordnet. Zum Aus- und Einschalten dient ein Schalter 15.
Sowohl für die Messung der Temperatur als auch für Messung des Druckes ist jeweils eine Brückenschaltung vorgesehen, wobei üblicherweise die beiden Brückenschaltungen untereinander bis auf die Abgleichwiderstände R ₃ gleich ausgeführt sind.
Falls eine Brückenschaltung in Dreileiterschaltung vorgesehen ist, kann zusätzlich noch zur Kompensation als dritte Ader der Kabelmantel des Verbindungskabels vorgesehen sein, der mit 16 schematisch bezeichnet wurde.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Sonde 1 dargestellt. Die Sonde 1 besteht aus einer Anzahl rohrförmiger, mit Dichtungen untereinander verbundener Bauteile. Der Durchmesser der Sonde 1 beträgt etwa 36 mm, ihre Länge rund 1500 mm. Im unteren Abschnitt ist die Druckmeßeinrichtung gezeigt, die das Potentiometer 4 aufweist, von dem entsprechende Anschlußkabel 17 nach oben zur Brückenschaltung geführt sind. Das Potentiometer 4 ist mit dem Bourdon-Rohr 5 verbunden, das eine langgestreckte Spirale aufweist, auf die über eine Membran 19 und eine dazwischenliegende Ölfüllung 20 der Druck der zu messenden Flüssigkeit einwirkt, die durch die Öffnung 6 bzw. die Druckeintrittsschraube 6 eindringen kann.
Im oberen Abschnitt der Sonde 1 ist die Temperaturmeßeinrichtung angeordnet, wobei der NTC-Widerstand 3 über Leitungen 21 mit der Brückenschaltung verbunden ist. Über Ausnehmungen 7 im Gehäuse 2 bzw. in den einzelnen zusammengefügten Bauteilen steht der Körper des NTC-Widerstandes 3 mit der zu messenden Flüssigkeit direkt in Verbindung, wodurch Verzögerungen bei der Anzeige vermieden werden.
Die Leitungen 17 und 21 führen in einem vieradrigen Kabel mit entsprechender Schutzisolierung zur Brückenschaltung. Am anderen Ende des Kabels ist dieses an Schleifkontakte bzw. -ringe angeschlossen, von denen über entsprechende Schleifbürsten die Signale abgenommen und an die Brückenschaltung weitergeleitet werden. Die Meßsignale durchlaufen daher immer die gesamte Länge des Kabels. Bei Messungen in Bohrlöchern kann das Verbindungskabel zwischen der Meßsonde 1 und den Schleifkontakten bis zu 5000 m betragen.
Der Durchmesser des Kabels liegt bei rund 4-5 mm. Sein Gesamtwiderstand beträgt einige hundert Ohm. Die mit der Anordnung meßbaren Drücke reichen bis zu einigen 100 bar und die meßbaren Temperaturen bis zu einigen 100°C. Die einzelnen Bauteile der Meßsonde 1 bestehen aus NIRO-Stahlteilen und sind mit Abdichtungen, die sowohl die hohen Drücke als auch die hohen Temperaturen aushalten müssen, gedichtet. Auch die Anschlußstellen für das Kabel sind mit entsprechenden Dichtungen (Schraub- oder Quetschdichtungen) versehen.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Meßsonde 1, bei der die Temperaturmeßeinrichtung unterhalb der Druckmeßeinrichtung angeordnet ist. Ferner ist die Anordnung der Dichtungen und die Verbindung der Zuleitungskabel ersichtlich. Die Druckmeßeinrichtung besteht aus einem kompakten Bauteil, der in Abhängigkeit vom Druck in der Druckeinlaßöffnung 6 seinen Widerstandswert ändert. An die in Fig. 3 gezeigte Meßsonde 1 schließt mittels einer Schnellkupplung 22 eine in Fig. 4 gezeigte Kabelaufhängung 23 an. Mittels Dichtungen und Verschraubungen ist das Kabel, das die gesamte Meßsonde trägt, dichtend ins Innere der Kabelaufhängung 23 und von dort über die Schnellkupplung 22 in die Meßsonde geführt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Meßanordnung liegen in einer hohen Meßgenauigkeit, einer hohen Ansprechempfindlichkeit und auch darin, daß der elektronische, zu einer Baueinheit zusammengefaßte Teil in hohem Maße frei von Umwelteinflüssen, z. B. Temperaturschwankungen und elektromagnetischen Einflüssen ist.
Der Papiervorschub des Schreibers kann zeitabhängig und meterabhängig geschaltet werden, so daß Bohrlochmessungen in großer Tiefe genau durchgeführt werden können. Ferner erfolgt die Messung unabhängig von der Länge des Kabels zwischen der Sonde und der Brückenschaltung und unabhängig von Änderungen des Kabelwiderstandes.
Im folgenden wird die Funktionsweise der Meßanordnung näher beschrieben.
Der Widerstand R _X der Brückenschaltung der Widerstände R ₁, R ₂, R ₃ und R _X befindet sich in der Meßsonde, und im vorliegenden Fall beträgt der Widerstandswert des NTC-Widerstandes 47 kΩ und der Widerstandswert des Potentiometers für die Druckmessung 2-10 kΩ. Die Werte der Widerstände R ₁ und R ₂ betragen jeweils 2,5 kΩ.
Vor dem Einführen der Meßsonde bzw. vor Beginn der Messung werden die Leitungen 17 und 21 abgeglichen, d. h. es wird gegebenenfalls mit Hilfe eines zusätzlichen Widerstandes der Widerstandswert einer zu den Widerständen 3 und 4 führenden Leitung genau an den Widerstandswert des entsprechenden Rückleiters angepaßt. Daraufhin werden der NTC-Widerstand 3 bzw. das Potentiometer 4 angeschlossen. Die verwendeten NTC-Widerstände sind vorerst einige Wochen gealtert und danach geeicht worden. Die erhaltene Eichkurve wird der Messung zugrundegelegt. Zur Anpassung der Regelwiderstände R ₃ an den Widerstandswert des NTC-Widerstandes wird derart vorgegangen, daß für jeden NTC-Widerstand eine Einheit mit an diesen angepaßten Fixwiderständen und entsprechenden Regelwiderständen vorgesehen ist. Falls einander bezüglich des Widerstandswertes ähnliche Widerstände verwendet werden, so kann diese vorzugsweise vorgefertigte und austauschbare Einheit entfallen. Zur Veränderung des Meßbereiches ist ein Tandemschalter vorgesehen, mit dem gleichzeitig die Meßbereiche und die entsprechenden Spannungen schaltbar sind.
Beim Einfahren der Sonde in ein Bohrloch bzw. im Bohrloch selbst, ändern sich mit dem Druck und der Temperatur in dem Bohrloch die elektrischen Ausgangssignale der Widerstände und die Verstimmung der Brücke wird durch den Schreiber registriert und an Hand der Eichkurven ausgewertet. Vorzugsweise erfolgt die Aufzeichnung des Druckes und der Temperatur auf einem Zweikanalschreiber.
Im Schreiber erfolgt die Messung nach dem Potentiometerverfahren, bei dem ein Servomotor den Abgriff eines Potentiometers so lange verschiebt, bis die Ausgangsspannung der Brückenschaltung, in der sich das Potentiometer des Schreibers befindet, der Gegenspannung am Potentiometer gleich ist. Während des Abgleichvorganges ist die Ausgangsspannung der Brückenschaltung, die am Schreiber anliegt, kleiner oder größer als die der Brücke zugeführte Meßspannung. Die Differenz der Spannungen wird im Takt der Meßfrequenz zerhackt, verstärkt und setzt den Servomotor derart in Bewegung, daß die Differenz kleiner wird, und zwar so lange bis der Abgleich vollendet ist.
Für die Druckmessung ist eine Angleichung des Abgleichwiderstandes R ₃ mittels Fix- und Regelwiderständen an das Potentiometer 4 nicht notwendig, da die Potentiometer 4 an sich durchwegs gleichen Widerstandswert haben, so daß bei Austausch eines Potentiometers 4 keine wesentliche Verstimmung der Brückenschaltung erfolgt.
Ferner kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von der in das Bohrloch eingeführten Länge des Kabels an den Schreiber Signale abgibt, um eine Aufzeichnung der Meßwerte in Abhängigkeit der Kabellänge zu erreichen. Vorzugsweise wird dabei so vorgegangen, daß die vom Meterzählwerk abgegebenen Impulse mittels einer Relaisschaltung zergliedert werden, wodurch ein gelegentliches Stehenbleiben des Stellwerkes an einer Impulsstelle ohne Einfluß auf den Papiervorschub des Schreibers bzw. auf die Meßwerte ist. Ferner kann man dadurch an beliebiger Stelle des Papierstreifens die Messung beginnen und das Zählwerk auf null schalten und dann die Impulse in gewünschter Weise auf den Schreiber übertragen. Das Zählwerk kann so eingerichtet sein, daß es beginnend bei null alle 10 m einen zusätzlichen Impuls auf den Schreiber abgibt.

Claims

Meßanordnung zur Temperatur- und Druckmessung eines Mediums in Bohrlöchern, die zur Temperaturmessung einen mit der Temperatur seinen elektrischen Widerstandswert ändernden, mit dem Medium in thermischem Kontakt stehenden Widerstand und einen durch den Mediumsdruck beaufschlagten Druckfühler aufweist, wobei der Widerstand und der Druckfühler über Meßsignalleitungen an eine außerhalb des Bohrloches befindliche, eine Brückenschaltung enthaltende Auswerteschaltung angeschlossen sind, mit der ein Schreiber verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand und der Druckfühler (4) in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse (2) axial übereinander angeordnet sind, daß der von einem NTC- Widerstand (3) gebildete Widerstand zur Temperaturmessung mit dem zu messenden Medium über Ausnehmungen (7) in dem Gehäuse (2) in freiem Kontakt steht, daß der Druckfühler durch ein druckabhängiges Potentiometer ( 4) gebildet ist, daß sowohl dem Potentiometer (4) als auch dem NTC-Widerstand (3) eine eigene Brückenschaltung zugeordnet ist, daß der NTC-Widerstand (3) und das Potentiometer (4) jeweils über zwei mittels Dichtstücken gedichtete Meßsignalleitungen (17, 21) in den Meßzweig der jeweiligen Brückenschaltung geschaltet sind, daß zum Abgleich des Widerstandswertes der jeweiligen von der Brückenschaltung zum NTC-Widerstand (3) bzw. zum Potentiometer (4) führenden Meßleitung mit der jeweiligen Rückleitung in die Meßleitungen (17, 21) Anpaßwiderstände eingefügt sind, daß im Abgleichzweig der Brükkenschaltung für die Temperaturmessung eine Anzahl von aus Fix- und Regelwiderständen gebildeten Widerständen (R ₃) vorgesehen sind, mit denen der Widerstandswert des Abgleichzweiges an den Widerstandswert des Meßzweiges anpaßbar ist, daß die Brückenspeisespannungen durch Regeleinrichtungen (10) einstellbar sind und daß die Regeleinrichtungen (10) gleichzeitig mit den Widerständen (R ₃) zur Änderung bzw. Anpassung des Meßbereiches umschaltbar sind.