Гидромеханический чувствительный элемент в задаче повышения точности измерения профиля буровой скважины, страница 2

Режимы эксплуатации зонда предполагают принудительный разжим измерительных рычагов для обеспечения их контакта с измеряемой поверхностью. Расчёты показали, что привод разжима измерительных рычагов может быть реализован на основе принципа гидравлической пружины. Таким образом, рабочая камера 3 (см. рис. 2) одновременно выполняет функции части измерительной системы зонда и привода разжима рычагов.

Так как гидравлическая пружина является статически неопределённой системой, она в значительной мере чувствительна к изменению температуры. Поскольку эксплуатационные режимы каверномера предполагают работу измерительной системы в диапазоне температур -40 … +125ºС, учёт влияния температуры является необходимым условием.

При изменении температуры происходит изменение объёма жидкости, в соответствии с законом объёмного теплового расширения:

                    (4)

где  - коэффициент объёмного теплового расширения,  - исходный объём жидкости,  - изменение объёма рабочей жидкости,  - изменение температуры.

В реальной конструкции расширению жидкости препятствует ограниченный объём рабочих камер. Это приводит к сжатию рабочей жидкости, по величине равному теоретическому тепловому расширению:

.                 (5)

Так как коэффициент объемного теплового расширения масла АМГ-10, которое планируется использовать в качестве рабочей жидкости, составляет 0,0008 1/ºС, под действием температуры объём жидкости может изменяться до 13,2%. Это вызовет существенное изменение давления в соответствии с формулами (2) и (4).

Для компенсации ошибки, возникающей вследствие температурного расширения рабочей жидкости, в конструкции каверномера предусмотрены датчики температуры – см. рис. 2. Данные о температуре рабочей жидкости поступают в контроллер одновременно с данными о давлении, что даёт возможность программно учесть влияние теплового расширения и температуры.

Изменение давления и температуры жидкости сопровождается изменением её модуля объёмной упругости [3]:

,         (6)

где  - начальный модуль упругости для масел при р = 0,1 МПа и температуре 20 ºС,  и  - функциональные коэффициенты,  - текущее значение давления.

Для конкретной рабочей жидкости известны значения коэффициентов  и , что даёт возможность скомпенсировать изменение модуля объёмной упругости рабочей жидкости программным путём и, тем самым, увеличить общую точность прибора.

На значение модуля объёмной упругости рабочей жидкости также оказывает влияние наличие в ней пузырьков нерастворённого газа. Поэтому, выдвигаются дополнительные требования к процедуре снаряжения гидравлической пружины при сборке прибора, что позволяет добиться отсутствия нерастворённого газа в рабочей жидкости измерительной системы.

Кроме теплового расширения жидкости, температура окружающей среды вызывает температурное расширение рабочих камер и плунжера. Изменение объёма рабочей камеры:

                    (7)

где  - коэффициент объёмного теплового расширения материала рабочих камер,  - исходный объём рабочей камеры,  - изменение объёма рабочей камеры.

Тепловому расширению подвергаются и плунжеры измерительной системы. Изменение температуры вызывает изменение геометрических размеров плунжера:

                     (8)

где - коэффициент линейного теплового расширения материала плунжера,  - исходная длина плунжера,  - изменение длины плунжера.

Изменение температуры также приводит к объёмному расширению плунжера. Изменение объёма жидкости в рабочей камере, вызванное тепловым расширением плунжера можно определить по формуле:

                    (9)