XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Необходимость термостатирования возникла из зависимости точности прецизионных гироскопов от температуры. К гироскопам применяемым в скважинной аппаратуре выдвигаются жесткие требования по температурному диапазону. Так, например для гироскопа ГВК-6 ( динамический, настраиваемый гироскоп) температура статирования составляет +75±0,5 ºС.

Эксплуатация инклинометров происходит в тяжелых условиях. Во время работы они подвержены вибрации, линейным нагрузкам, давлению, но самое важное для нас, температуре. В России большие перепады температуры от +50 до – 50 °С в зависимости от местоположения.

Допустим мы приехали на место скважины, где температура окружающей среды -40 ºС, аппаратура вся промерзла и выдаст свои показатели только при +75±0.5 ºС. Следовательно, появляется необходимость нагреть прибор до нужной температуры – термостатировать. Но если мы опустили прибор на глубину, допустим 3 км, там температуре окружающей среды может достигать +100ºС, а нам нужно только +75±5 ºС, следовательно возникает необходимость охладить прибор – термостатировать.

Общие сведения об инклинометре

Инклинометр — прибор, предназначенный для измерения угла наклона различных объектов относительно гравитационного поля Земли. Помимо собственно величины угла наклона, может измеряться его направление -азимут.

Классификация

По методам измерений

Две основные группы:

Устройства непосредственного измерения с датчиками гравитационного поля Земли, геомагнитного поля, гироскопического эффекта и телезондирования;

Устройство косвенного измерения, применяющие методы ориентирования с поверхности, метод последовательных ходов, а также данные сейсмики, радиолокации, магнитометрического метода и другие источники.

По числу осей

Различают три основные группы датчиков наклона, это одноосевые (ось X), двухосевые (оси X и Y) и трёхосевые (оси X, Y и Z).

По статичности объекта

На объекте, находящемся в статическом состоянии, инклинометр измеряет угловые характеристики его пространственного расположения. Однако на движущемся, подверженном действию вибрации, ускоряющемся объекте, показания датчика зависят также от ускорений. Поэтому в ряде случаев инклинометр входит в состав комплексных систем измерения, содержащих акселерометры и устройства обработки информации с датчиков.

В зависимости от величин скоростей контролируемого объекта и конкретных целей контроля, инклинометры могут иметь совершенно различные динамические характеристики. Так, например, существуют инклинометры одноразового действия.

По регистрации замеров

Используются механические, фоторегистрационные, электрометрические и химические способы регистрации. Регистрация может проводиться как в инклинометре непосредственно, так и дистанционно. На начало XXI века в основном применяются дистанционные электронные методы регистрации

В горном деле инклинометром определяют угол и азимут искривления буровой скважины, тем самым контролируя её пространственное положение.

В этом деле очень важно точное определение положения, что может быть обеспечено только при термостировании гиродатчика. Например, нам нужно пробурить разведывательную скважину, чтобы снять омическое сопротивление породы, радиационный фон и другие очень важные параметры. Но они будут иметь смысл если мы знаем, в какой точке пространства мы получили то или иное значение параметра [4].

Способы термостатирования

К вопросу о термостатировании можно подойти с разных сторон и использовать разные методы для достижения результата. Эти методы обладают преимуществами и недостатками, но не подходят из-за условий эксплуатации. Такими методами являются термостатирования с помощью сосуда Дьюара или тепловыми трубами. Разберем их немного подробней.

Сосуд Дьюара

Сосу́д Дью́ара — сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре. Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить. Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение). В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов.

Оригинальный сосуд Дьюара представлял собой стеклянную колбу с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух. Для уменьшения потери на излучение обе внутренние поверхности колбы были покрыты отражающим слоем. Дьюар использовал в качестве отражающего покрытия серебро. Подобная конструкция применяется и в современных дешевых бытовых термосах.

Рис. 1. Схема сосуда Дьюара

1 — подставка; 2 — вакуумированая полость; 3 — теплоизоляция; 4 — адсорбент; 5 — наружный сосуд; 6 — внутренний сосуд; 7 — горловина; 8 — крышка; 9 — трубка для вакуумирования.

Этот метод термостатирования нам не совсем подходит. Этот сосуд устроен так, что тепло не идет ни снаружи, ни изнутри. Но у нас в приборе присутствует гироскоп, который сам является источником тепла. Если мы поместим систему в такой сосуд, то тепло выделяемое гироскопом не будет уходить и система просто перегреется.

Возможен случай, когда внутрь такого сосуда, помещается смесь, у которой химическая реакция происходит с поглощением тепла и путем расчетов количества вещества, можно обеспечить функционирования системы. Но такой способ рассчитан на небольшое количество тепла и на короткий временной промежуток, что нам не подходит [5].

Тепловые трубы

Теплова́я тру́бка, теплотру́бка (англ. heat pipe) — элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль [6].

Рис. 2. Схема тепловой трубки

Проанализировав вышеописанные методы, можем сделать вывод, что нам нужен активный метод термостатирования, т.е. он должен подводить, а также отводить тепло. Но если мы забрали тепло от элементов, по законам физики, мы должны куда-то это тепло деть. По этим же законам, тепло передается от более нагретому к менее нагретому телу. В наших условиях эксплуатации, такое условие не всегда будет выполняться. Температура окружающей среды может быть выше, чем внутри системы, тогда тепло нельзя будет «сбросить».

Исходя из этого, нам необходим метод термостатирования по типу холодильник. Он позволит передавать тепло от менее нагретому к более нагретому, т.е. навстречу градиенту. Данное свойство может нам обеспечить элемент Пельтье [2].

Элемент Пельтье

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Рис. 3. Элемент Пельтье

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре, которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур [7].

Заключение

В ходе работы была доказана важность термостатирования блока чувствительных, в который входит гироскоп, при использовании его в скважинной аппаратуре. Были рассмотрены несколько видов термостатирования, их принцип работы, достоинства и недостатки. На данный момент имеется четкое понимания как достичь термостатирования с применением и тепловых труб, для отвода тепла от чувствительного блока, и элементов Пельтье, которые заберут избыток тепла от тепловой трубы и смогут передать его во внешнюю среду через корпус, даже навстречу градиенту. В дальнейшем планируется уже спроектировать такую систему термостатирования с учетом всех составляющих.

Список использованных источников

Автоматизация и информационное обеспечение технологических процессов в нефтяной промышленности/ Под ред. А.К. Хорькова. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. – Т.2. – 408 с.

Тепловые трубы в электронных системах стабилизации температуры/ Г.Н. Дульнев, А.П. Беляков. – М.: Радио и связь, 1985. – 96 с.

Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов./ А.П. Ненашев. – М.: Высш. шк., 1990. – 432 с.

Инклинометр [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Инклинометр - (Дата обращения: 25.12.18)

Сосуд Дьюара [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сосуд_Дьюара - (Дата обращения: 25.12.18)

Тепловая трубка [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловая_трубка - (Дата обращения: 25.12.18)

Элемент Пельтье [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Элемент_Пельтье - (Дата обращения: 25.12.18)

Код для цитирования: Скопировать