ТОЧНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ НА ОСНОВЕ СТРУКТУР КНС
Дистанционное измерение давления и температуры, особенно в области повышенных температур, вызывает всё больший интерес в связи с активным использованием измерительных преобразователей при эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Как правило, при этом используются разные преобразователи для измерения давления и температуры, что приводит к усложнению измерительной аппаратуры. Особенно большие проблемы возникают при измерениях при высоких температурах (более 150 оС), когда невозможно разместить электронные преобразователи сигнала рядом с первичными преобразователями и приходится передавать электрический сигнал непосредственно от первичного преобразователя по кабелю в зону размещения аппаратуры обработки сигнала.
В высокоточных датчиках давления на основе структур КНС, выпускаемых Промышленной группой МИДА [1], для коррекции температурной погрешности используется температурная зависимость сопротивления мостовой схемы тензопреобразователя (ТП) [2]. Эту температурную зависимость можно также использовать для измерения температуры измеряемой среды (если измеряемая среда имеет практически одинаковую температуру с чувствительным элементом ТП). Такие датчики, измеряющие одновременно давление и температуру теплоносителя, много лет используются в системе контроля отопления ПГ МИДА.
В ПГ МИДА разработаны и выпускаются тензопреобразователи давления МИДА-ПА-82 для измерения давления в скважинах (Рис.1а). По просьбе потребителей были проведены испытания таких преобразователей в диапазоне температур 20-200 оС с целью определения точности одновременного измерения давления и температуры. Для испытаний использовались 10 образцов преобразователей ПА-82 на диапазон измерения 600 кгс/см2, которые прошли дополнительную стабилизацию параметров. Нагрузочные характеристики снимались по 5 точкам нагружения давлением через каждые 20 оС при повышении и понижении температуры. Измерения проводились в двух режимах питания – постоянным напряжением U и постоянным током I. Схемы включения тензорезисторных мостов при этих режимах показаны на рис.1б,в.
Внешний вид преобразователя МИДА-ПА-82 и схемы включения тензорезисторных мостов (рис. 1)
Особенности используемых в преобразователях тензочувствительных элементов из структур «Кремний на сапфире» (КНС) [3] позволяют аппроксимировать зависимости выходных сигналов квадратичными функциями, используя соответственно результаты измерений только при трёх температурах (в нашем случае 20, 120 и 200 оС). Данные при остальных температурах использовались для проверки точности аппроксимации.
Аппроксимирующие функции для расчёта давления Ррасч и температуры Трасч имеют следующий вид:
Pрасч=[A+B*(ft)+C*(fp)+D*(ft)2+E*(fp)2+F*(ft)*(fp)+G*(ft)*(fp)2+H*(ft)2*(fp)+K*(ft)2*(fp)2]*Pд,
Tрасч=L+M*( ft)+N*( ft)2,
где AB,….N – коэффициенты аппроксимации, Рд – диапазон измерения давления.
Функции давления fp и температуры ft имеют вид:
- при питании постоянным напряжением: fp = Us; ft = Ut;
- при питании постоянным током: fp= U*Us/(Um+I*Rv); ft = U*I*Rv/(Um+I*Rv),
где Rv – значение виртуального резистора, включённого последовательно с мостовой схемой.
Полученные типичные результаты – отклонения расчётных значений давления Ррасч и температуры Трасч от заданных Р и Т: Δ = (Ррасч –Р)/Рд, ΔТ=(Трасч –Т) – приведены на рис.2 и 3 для двух приборов при питании напряжением и током соответственно. Как видно, во всём интервале температур 20÷200 оС погрешность расчёта давления не превышает ±0,03% и погрешность расчёта температуры не превышает ±1 оС при питании тензосхемы как постоянным напряжением, так и постоянным током.
Погрешности расчёта давления и температуры при питании напряжением (рис. 2)
Погрешности расчёта давления и температуры при питании током (рис. 3)
Питание постоянным напряжением предпочтительно, когда есть возможность поместить электронику рядом с преобразователем давления; при этом минимально влияние различных наводок на передачу сигнала от преобразователя, проще алгоритм обработки сигнала, а наверх может выводиться помехоустойчивый цифровой сигнал. Питание постоянным током необходимо, когда нет возможности обработки выходного сигнала преобразователя в зоне его расположения, поскольку в этом случае убирается зависимость питания от величины сопротивления кабеля, по которому поступает питание и передаётся сигнал с поверхности.
ЛИТЕРАТУРА
- www.midaus.com
- Васьков Ю.А., Емельянов Г.А., Козлов В.И. Цифровой метод коррекции температурной погрешности тензопреобразователей давления на основе структур «Кремний на сапфире». // Радиоэлектронная техника: межвузовский сборник научных трудов — Ульяновск, УлГТУ, 2009 — С.72-79
- Стучебников В.М. Структуры «Кремний на сапфире» как материал для тензопреобразователей механических величин. // Радиотехника и электроника, 2005, т.50, №6 – С.678-696