Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и средства многофазной расходометриш 10
1.1. Расходомеры Agar серии MPFM 12
1.2. Расходомер Roxar MPFM 1900VI Non-gamma 15
1.3. Расходомер РГЖ-001 НИИИС 18
1.4. Расходомеры Schlumberger (бывш. Framo) 20
1.5. Экспертная система многофазной расходометрии ESMER 23
1.6. Расходомеры серии ПОТОК 26
Глава 2. Исследование и разработка эвристического метода измерения многофазных потоков 32
2.1. Идея эвристического метода 32
2.2. Исследование и разработка эвристического метода измерения многофазных потоков 33
2.2.1. Входные переменные нейросетевой модели 33
2.2.2. Анализ этапов построения нейросетевой модели и предварительная оценка точности 37
2.2.3. Построение и оценка потенциальной точности нейросетевой модели 44
Глава 3. Информационная структура и требования к функциональным блокам ИИС 50
3.1. Информационная структура ИИС 50
3.2. Измерительный преобразователь 51
3.3. Аналоговая обработка сигнала 53
3.3.1. Масштабирующие измерительные усилители 54
3.3.2. Требования к полосовым фильтрам 55
3.3.3. Выбор аппроксимации и синтез полосовых фильтров 58
3.4. Аналого-цифровое преобразование 62
3.5. Программно-вычислительный комплекс ИИС 63
3.5.1. Статистические оценки информативных спектральных параметров потока64
3.5.2. Вычисление расхода фаз по нейросетевой модели потока 76
3.5.3. Разработка и анализ алгоритма программно-вычислительного комплекса 78
Глава 4. Функциональные блоки ИИС и их схемотехнические решения 90
4.1. Измерительный преобразователь 90
4.2. Масштабирующие измерительные усилители 93
4.3. Полосовые фильтры 97
4.4. Сквозные амплитудно-частотные характеристики частотных каналов 101
4.5. Аналого-цифровой преобразователь 103
4.6. Сигнальный процессор 105
Глава 5. Информационно-измерительная система, исследование и оценка её потенциальной точности 108
5.1. Принципиальная стилизованная схема ИИС 108
5.2. Аналитическое исследование и оценка потенциальной точности ИИС 111
5.2.1. Оценка потенциальной точности аналого-цифровой части системы 111
5.2.2. Оценка точности статистического оценивания информативных спектральных параметров 114
5.2.3. Оценка потенциальной точности нейросетевой модели расхода фаз 114
5.3. Оценка полной погрешности ИИС 114
Заключение 117
Приложение А
- Расходомер Roxar MPFM 1900VI Non-gamma
- Исследование и разработка эвристического метода измерения многофазных потоков
- Измерительный преобразователь
- Масштабирующие измерительные усилители
Введение к работе
Долгосрочными ориентирами Энергетической Стратегии России на период до 2030г. [1] названы энергетическая и экологическая безопасность. Под энергетической безопасностью понимается минимальная опасность внешних и внутренних угроз энергоснабжения страны, которые могут нарушить устойчивое развитие. Рассматривая в этом контексте нефтегазодобывающую промышленность России, отметим низкий уровень техники и технологии промыслов, обуславливающий высокие издержки производства, высокую аварийность и экологические проблемы, а также технологическую зависимость от импорта.
Преодоление указанных глобальных трудностей отрасли возможно благодаря внедрению новых технологий при решении производственных задач. Так, в отрасли существует целый ряд технологических процессов, требующих непрерывной измерительной информации о параметрах многофазной продукции добывающих скважин. Перечислим некоторые из них:
Контроль преждевременного обводнения за счет непрерывного отслеживания динамики расхода флюидов
Управление газлифтными установками. Информация о текущем дебите жидкости дает возможность оптимизировать расход подаваемого газа
Предотвращение появления песчаных, гидратных, парафиновых пробок в призабойной зоне скважины, препятствующих нормальной фильтрации флюидов
Закрытие скважины при превышении влагосодержания ниже рентабельного уровня
Непрерывный контроль нестабильных скважин
Решение перечисленных и других задач позволяет осуществлять более эффективную разработку месторождений. Однако до сих пор не создано многофазных расходоизмерительных систем, удовлетворяющих всем требованиям по погрепшости, диапазону расходов и надежности работы в
условиях Крайнего Севера России. Предлагаемое диссертационное исследование посвящено разработке нового метода измерения расхода фаз многофазного потока.
Создание многофазных расходомеров затрудняется сложностью явлений, специфичных для многофазных потоков [2, 3] и не описываемых аналитическими моделями потока с достаточной для задач измерения точностью.
Исторически многофазная расходометрия развивалась по пути адаптации однофазных методов измерения расхода к многофазным потокам, с помощью введения в измерительную систему дополнительной информации о составе многофазной среды. Такие расходомеры содержат не менее двух функциональных блоков, определяющих расход потока и его состав. Мировой и отечественный опыт разработки таких комбинированных измерительных систем показывает, что их основным недостатком является возросшая техническая сложность по сравнению с однофазными расходомерами. В целом, подобные расходомеры как правило характеризуются дороговизной, технической сложностью, недостаточно высокой надежностью при низких температурах Крайнего Севера России и абразивном воздействии потока.
В последние годы наметилась новая тенденция в многофазной
расходометрии: упрощение измерительных преобразователей расходомеров
за счет нетривиальной обработки измерительной информации. Такой подход
приводит к созданию модели многофазного потока, которая позволяет
определить расходы его фаз по косвенным показателям, доступным
непосредственному измерению. Причем имеющийся на настоящий момент
уровень аналитического моделирования многофазных потоков не дает
возможности создать достаточно точную модель для задач расходометрии,
поэтому практически применяют эмпирические модели. Отметим среди
подобных разработок расходомеры серии ПОТОК компании ГАНГ-
Нефтеавтоматика [1, 11] и расходомеры ESMER компании Petroleum Software
Ltd [ЗО, 35].
В спектрометрическом методе используется формирователь потока специальной конструкции, обеспечивающий регулярность структуры потока независимо от текущего режима течения. Причем спектр флуктуации давления потока после формирователя практически определяется только расходами фаз. Расход фаз потока определяется по спектру флуктуации давления с помощью эмпирической регрессионной модели.
Система ESMER использует измерительную информацию от датчиков давления, емкости, сопротивления, температуры и перепада давления на стандартном сужающем устройстве - диафрагме. Связь измеряемых параметров потока с расходами его фаз определяется с помощью методов теории нейронных сетей. Применяемое сужающее устройство в отличие от формирователя потока спектрометрического метода не обеспечивает инвариантность измерений к режиму течения потока. Однако применение сложной иерархической нейросетевой модели позволило достичь удовлетворительной точности.
В данной работе предлагается и исследуется новый метод измерения расхода фаз многофазных потоков, названный эвристическим, в котором используется комбинация и развитие идей, заложенных в упомянутых методах. Новый метод измерения использует измерительный преобразователь спектрометрического метода и методы теории нейронных сетей для построения модели расхода фаз потока. Таким образом, объединены сильные стороны обоих методов: формирователь потока спектрометрического метода, обеспечивающий инвариантность к режиму течению и упрощающий таким образом модель потока, а также мощный аппарат эмпирического моделирования — теория нейронных сетей. Используемая комбинация должна обеспечить следующие преимущества: о увеличение точности измерения; о расширение динамического диапазона измерения
Целью работы является исследование и разработка метода и ИИС расхода многофазной продукции добывающих нефтегазовых скважин на базе
нейросетевой модели, использующей спектрометрическую информацию о флуктуациях давления в трубопроводе.
Для достижения цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:
Проведение сравнительного анализа современных методов измерения расхода фаз многофазной продукции скважин и выяснение практической применимости базирующихся на них измерительных систем в условиях Крайнего Севера
Исследование и разработка метода измерения расхода многофазного потока, основанного на нейросетевой модели, входная информация для которой извлекается из спектра флуктуации давления потока после специального формирователя потока
Исследование и разработка нейросетевой модели расхода многофазного потока:
a. Определение структуры входных переменных нейросетевой модели
расхода фаз
b. Построение нейросетевой модели многофазного потока, определение
архитектуры и алгоритма обучения на основе данных эксперимента.
c. Аналитическое и экспериментальное исследование потенциальной
точности нейросетевой модели
Разработка информационной структуры ИИС
Разработка функциональных блоков ИИС, их структуры и схемотехнических решений
Анализ источников погрешностей ИИС и оценка ее потенциальной точности
Расходомер Roxar MPFM 1900VI Non-gamma
Трехфазный расходомер Roxar [21] измеряет расходы фаз на вертикальном участке трубопровода без предварительной сепарации и гомогенизации потока. Измерительный преобразователь расходомера (рис. 1.4) состоит из вертикально расположенного измерительного участка и четырех пар электродов, которые зондируют поток по сопротивлению и емкости. Многофазная среда рассматривается как совокупность газовой фазы, движущейся в виде пузырей, и псевдогомогенной фазы, которая состоит из газа, нефти и воды (рис. 1.4). Скорости течения обеих фаз различны и измеряются отдельно (этот подход имеет коммерческое название метода Двойной Скорости). Газовый пузырь может не полностью занимать сечение трубопровода, при этом по краям трубопровода течет псевдогомогенная фаза. Определение фазы, протекающей в данный момент по трубопроводу, осуществляется с помощью анализа изменений фиксируемой электроемкости за заданный период измерения Т. В результате период измерения делится на период газового пузыря Т и период псевдогомогенного потока Т ={Т— Т ). рис. 1.5. Вертикальное течение многофазного потока Скорость псевдогомогенной фазы потока V определяется корреляционным методом по сигналам 1-ой и 2-ой пар электродов, а скорость газового пузыря У — по 3-ей и 4-ой парам электродов (рис. 1.4). Объемное содержание компонентов смеси определяется по измеренным значениям диэлектрической проницаемости смеси при прохождении газового пузыря и прохождении псевдогомогенои фазы с учетом заданной диэлектрической проницаемости воды, нефти и газа. Вычисления производятся по формуле Бруггемана. В период прохождения газового пузыря Т объемный расход газа Qz складывается из расхода газа в газовом пузыре Q zX , а также расхода диспергированного газа в псевдогомогенной фазе Qzl, которая течет в виде оторочки по стенкам трубопровода. Расход Q zl определяется по очевидной формуле: где & г - объемная доля газа при прохождении газового пузыря, А - площадь сечения трубопровода. Расход Qe2 рассчитывается исходя из скорости псевдогомогенной фазы V, её объемной доли при прохождении газового пузыря, равной (1 — х г ) и объемной доли диспергированного газа в псевдогомогенной фазе «г: В период прохождения псевдогомогенной фазы Т , расход газа равен: Формула полного расхода газа, учитываяющая продолжительность периодов газового пузыря Т" и псевдогомогенной фазы Т , имеет вид: Аналогично рассматривая расход жидкости за оба измерительных периода, получают выражение для расхода жидкости Q)K (нефть и вода): Зная общий расход жидкости 2Ж, вычисляют объемный расход воды Qe и нефти QH\ где ае - объемная доля воды, усредненная по периоду газового пузыря и псевдогомогенной фазы. Диапазон измерений [25]: Доля газа в потоке: 0-100% Содержание воды в жидкости: 0-85% Диапазон скоростей потока при низком газовом факторе: 1.5-15 м/с Диапазон скоростей потока при высоком газовом факторе: 3.5-35 м/с Погрешность измерений [25]: Дебит жидкости: ± 5% (отн.), 95% доверительный интервал Содержание воды в жидкости: ± 3.5% (аба), 95% доверительный интервал Расход: ± 10% (отн.), 95% доверительный интервал Особенности: зависимость результатов измерений от диэлектрической проницаемости газа и нефти; необходимость организовывать вертикальный участок трубопровода; высокая стоимость. Расходомер РГЖ-001 [19] предназначен для бессепарационного измерения расхода фаз двухфазной жидкости. Основными узлами расходомера (рис. 1.6) являются радиолокационный микроволновый измеритель скорости газовой и жидкой фаз и объемный резонатор, по резонансной частоте которого определяют объемные доли фаз, а также датчики давления и температуры. Измерение скорости движения компонентов потока осуществляется с помощью анализа отраженного сигнала микроволнового приемопередатчика. Сигнал отражается от жидкой фазы потока, и составляющие спектра доплеровских частот пропорциональны скоростям движущихся частиц жидкой фазы. Область верхних частот спектра соответствует наиболее мелким и быстрым частицам жидкости, движущимся практически со скоростью газа. Таким образом, верхняя граничная частота доплеровского спектра соответствует скорости газовой фазы Vz. Средневзвешенная по спектру скорость соответствует скорости жидкости Уж. поток рис. 1.6. Структурная схема расходомера РГЖ-001Д—детектор, Г— генератор развертки, ОР - объемный резонатор, МП - микроволновый приемопередатчик, В У - вычислительно-управляющий блок, Р, Т— датчики давления и температуры Состав смеси определяется по резонансной частоте объемного резонатора fc, через который проходит газожидкостная смесь. Резонатор возбуждается генератором развертки и частота регистрируется детектором. Площадь сечения резонатора, занятая жидкой фазой 5 , определяется по формуле: где Su - площадь сечения измерительной линии, єж - диэлектрическая проницаемость жидкости, fc - резонансная частота резонатора при прохождении газожидкостной смеси, /г - резонансная частота измерительного преобразователя при заполнении одним газом, с — коэффициент форм-фактора, характеризующий взаимодействие электромагнитного поля измерительного преобразователя с потоком газожидкостной смеси. Зависимость (1.6) справедлива при среднем содержании жидкой фракции более 50%, а также при условии гомогенности потока, которая достигнута за счет гофрированной поверхности на входе сужения расходомера. Площадь сечения, занятого газом Sa определяется по соотношению: площадь сечения. Знание скоростей жидкости и газа Уг, Уж, а также занимаемых ими площадей сечения,%, 5 позволяет определить объемные расходы фаз: где T— время измерения. зависимость результатов измерений от дйэлектрической проницаемости газа и нефти; гофры сужающего устройства разрушаются абразивным воздействием среды, что приводит к увеличению погрешности измерения; устройство находится на стадии опытной эксплуатации, отсутствуют данные о погрешности и диапазоне измерения Расходомер Framo Phase Watcher VX [26] предназначен для измерения расхода фаз трехкомпонентных водогазонефтяных потоков. В состав устройства входит трубка Вентури, источник и детектор гамма-излучения, датчики давления, температуры и дифференциального давления (рис. 1.7).
Исследование и разработка эвристического метода измерения многофазных потоков
Исходная информация о потоке в предлагаемом эвристическом методе формируется с помощью измерительного преобразователя (рис. 2.1). Измерительный преобразователь состоит из формирователя потока, измерительного преобразователя флуктуации давления Р, а также измерительных преобразователей давления Р и температуры 0. В качестве формирователя потока используется сужающее устройство в виде протяженного сопла со скругленными кромками на сужении. Такой выбор обусловлен следующими обстоятельствами [12]. Отсутствие протяженности сужающего устройства приводит к недостаточной информативности сигнала флуктуации давления. При наличии острых кромок на сужении генерируется широкополосный акустический шум, который может вызвать резонансные явления в промысловом трубопроводе и исказить сигнал флуктуации давления. вихревые зоны рис. 2.1. Измерительный преобразователь Выяснено [б], что процесс течения газожидкостного потока через формирователь происходит следующим образом. При наличии достаточно большого количества жидкости в потоке, соответствующего диапазону расходного газосодержания (3 от 0.9 до 0.999 и скорости потока в сужении не менее 30 м/с, в вихревых зонах перед формирователем потока скапливается газожидкостная смесь, которая затем через сужение формирователя потока устремляется в зону пониженного давления. При попадании порций жидкости в сужение формирователя, его гидравлическое сопротивление изменяется, что вызывает флуктуации давления Р в измерительном участке трубопровода. Эти флуктуации давления носят случайный характер, причем их статистические свойства зависят от расхода фаз потока. Описанные явления проявляются в информативной частотной области сигнала флуктуации давления Л/н = (/ншш -/ншах) = (20 + 1000) Гц. Далее эта область будет называться информативной низкочастотной областью (НЧ). Дискретные включения потока (твердые частицы, капли жидкости при её малых расходах, /3 0.999) не могут заметно изменить гидравлическое сопротивление сопла. Поэтому способ регистрации дискретных включений основан на подсчете числа ударных воздействий на датчик измерительного преобразователя флуктуации давления [9]. При этом требуемая равномерность распределения дискретных включений по трубопроводу достигается за счет применяемого формирователя потока. Сигнал датчика при ударных воздействиях является широкополосным, однако его регистрация возможна лишь в частотных областях, где отсутствуют иные воздействия на датчик. Выяснено, что такая область лежит в диапазоне частот Afe = (femin + femax) = (70 + 200) кГц. Далее эта область будет называться информативной высокочастотной областью (ВЧ). В каждой информативной частотной области выделяются информативные частотные полосы Af = {/" 4- f ) (рис. 2.2). Количество полос в НЧ области LH = 10, количество полос в ВЧ области LB также равно 10. Таким образом, количество используемых полос в эвристическом методе существенно больше по сравнению со спектрометрическим методом, где используются только 3 полосы. Полосы Af расположены на расстоянии друг от друга с целью упрощения фильтрации сигнала флуктуации давлении при измерении величин Ft, причем это расстояние равно ширине самих полос Afi. Ширина полос информативной НЧ области:
Ширина полос информативной ВЧ области: Исходной информацией о потоке является мощность сигнала флуктуации давления J7,- в информативных частотных полосах Aft. где S(f) — спектральная плотность мощности флуктуации давления P(t). Величины Fi условимся называть информативными спектральными параметрами потока. В общем случае, расход фаз потока и содержание его дискретных включений определяется по вектору информативных спектральных параметров НЧ области FH ={Fl F2,...,Fl0) и ВЧ области модель расхода фаз не использует параметры ВЧ-области: где б = (бг &с)» 8І-) - вектор-функция расхода фаз, аппроксимируется нейросетевой моделью. Для удобства дальнейших обозначений введем вектор информативных спектральных параметров потока F = \FH ,FB) и вектор информативных параметров потока G = \FH ,FB,P,TJ. С учетом введенных обозначений, выражение (2.4) примет вид: Вектор информативных параметров G = \FH,FB,P,J определяет структуру входных переменных нейросетевой модели расхода фаз эвристического метода измерения. Отметим, что спектральная плотность мощности S(f) случайного процесса флуктуации давления, через которую определены информативные спектральные параметры F, (2.3), в свою очередь определена на бесконечной «выборке». В то же время на практике имеется лишь оценка спектральнойплотности мощности S(f) по выборке сигнала флуктуации давления конечной длительности. Определение достаточного объема выборки рассматривается ниже, пока же примем, что по выборке приемлемой длительности возможно оценить информативные спектральные параметры F{ достаточно точно.
Измерительный преобразователь
На этапе измерительного преобразования флуктуации давления Р, температура Є и давление Р преобразуются в сигналы напряжения, соответственно UJf), U f) и UP(t), с помощью различных измерительных преобразователей.
Сделаем важные замечания о свойствах сигнала P(t). Физическаяприрода флуктуации давления P(t), образованных формирователем потока, подробно рассмотрена в главе 2. Рассмотрим статистические свойствасигнала флуктуации давления P(t). В работе [6] с помощью критериев серий и инверсий показано, что при постоянстве макроскопических параметров газожидкостного потока (расход фаз, давление и температура), флуктуации давления можно рассматривать как стационарный случайный процесс. При изменении макроскопических параметров потока свойство стационарности флуктуации давления теряется, однако темп изменения таков, что выборку сигнала %[я] или /в[я] можно рассматривать как конечную реализацию стационарного случайного процесса. Далее это свойство сигнала флуктуации давления условимся называть квазистационарностью. В упомянутой работе [6] рассматриваемый процесс считается эргодическим. Проведенные там же исследования свидетельствуют о том, что функция плотности распределения случайного процесса флуктуации давления имеет колоколообразный вид с одной модой. Этоозначает, что в сигнале отсутствуют детерминированные периодические составляющие и допустимо анализируемый случайный процесс считать гауссовым.
Сигнал Uj(t) содержит две информативные частотные области: низкочастотную область НЧ и высокочастотную область ВЧ, имеющие различное информационное содержание. Низкочастотная область НЧ лежит вдиапазоне А/н = (/„шт -г /нтах j = (20 — 1000) Гц и характеризует расход жидкой и газообразной фаз потока. Высокочастотная область ВЧ лежит в диапазоне= (70 -s- 200) кГц и содержит информацию о дискретных включения потока (твердые частицы и капли жидкости при её малых расходах). При различных расходах фаз амплитуда сигнала Uj(t) в НЧ области не превышает 100 мВ, а его амплитуда в ВЧ области не превышает 200 мкВ (рис. 3.2). Характеристики сигнала флуктуации давления Uj(t) сведены в табл. 3.1.
На этапе аналоговой обработки сигнала флуктуации давления UJf) осуществляется его подготовка к аналого-цифровому преобразованию. Амплитуда сигнала Uj(t) в различных информативных частотных областях отличается на 3 порядка (табл. 3.1), поэтому для приведения сигнала к диапазону входного напряжения АЦП требуется и различный коэффициент усиления. Кроме того, частотные диапазоны информативных областей существенно отличаются по частоте. Поэтому аналоговую обработку сигнала целесообразно проводить с помощью двух раздельных частотных каналов, формирующих сигналы информативных частотных составляющих U t) и UB(t), которые содержат только информативную НЧ и ВЧ область сигнала флуктуации давления соответственно.рис. 3.3. Функциональная схема блока аналоговойобработки сигнала Функциональная схема блока аналоговой обработки сигнала показана на рис. 3.3. Каждый частотный канал состоит из масштабирующих измерительных усилителей УН и УВ, выполняющих также предварительную фильтрацию сигнала, а также полосовых фильтров ПФН и ПФВ: Усилители УН и УВ обеспечивают необходимую амплитуду сигналов /#(/) и %(/) на выходе частотных каналов. Коэффициент усиления в полосе пропускания усилителей рассчитывается исходя из требуемой амплитуды сигнала на входе АЦП, а также с учетом того, что коэффициент усиления применяемых активных фильтров ПФН и ПФВ равен 1. Рассчитанные коэффициенты усиления приведены в табл. 3.2.табл. 3.2. Характеристики масштабирующих измерительных усилителей сигнала флуктуации давления сигнала UJii).
Масштабирующие измерительные усилители
Обработка информативных составляющих сигнала Uv(t) осуществляется отдельными частотными каналами - НЧ и ВЧ. Каждый из частотных каналов НЧ и ВЧ состоит из масштабирующего измерительного усилителя и полосового фильтра. Функция масштабирующего измерительного усилителя заключается в обеспечении требуемого коэффициента усиления в диапазоне частот информативной частотной области. Полосовой фильтр затем удаляет из спектра неинформативные области частот. Кроме того, полосовой фильтр выполняет функцию антиэлайзингового фильтра. Требования к масштабирующим измерительным усилителям обоих частотных каналов определены в 3.3 и приведены в табл. 4.3.табл. 4.3. Требования к масштабирующим измерительным усилителямреализованы на базе прецизионных операционных усилителей ОРА-847 [89]. Микросхема имеет коэффициент усиления более 3-Ю4 (90 дБ) в информативных частотных областях НЧ и ВЧ флуктуации давления. Принципиальная электрическая схема усилителя УН показана на рис. 4.4. В схему введены простые RC-фильтры первого порядка верхних и нижних частот, ограничивающие частотную полосу операционного усилителя с разомкнутойцепью обратной связи.полосы пропускания определяются постоянными времени Тн = R] Сі и тв = Roc Сое- Амплитудно-частотная характеристика УН (рис. 4.5) построена для номиналов резисторов и конденсаторов, приведенных на рис. 4.4. Из приведенного графика видно, что полоса пропускания усилителя соответствует требуемому диапазону 20 -М 000 Гц, причем АЧХ равномерна в полосе пропускания. Предварительная фильтрация сигнала обеспечена за счет спада АЧХ в верхней и нижней полосе подавления, составляющего 20 дБ на декаду. Полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ от коэффициента усиления в полосе пропускания лежит в диапазоне от 13 Гц до 1.9 кГц.рис. 4.5. Амплитудно-частотная характеристика УН Анализ АЧХ показывает, что амплитуда сигнала на выходе УН не превышает 2.5В. При этом очевидно, что ВЧ-составляющая сигнала UJit) не приводит к насыщению усилителя УН.
Построение УВ осуществляется на базе аналогичного операционного усилителя, однако требуемый коэффициент усиления 12500 достигается за счет двух последовательно соединенных каскадов на базе ОРА-847 (рис. 4.6). Для того чтобы НЧ-составляющая флуктуации давления, имеющая высокую амплитуду, не приводила к насыщению операционных усилителей, на входе каждого каскада установлена дифференцирующая RC-цепь второго порядка.
Каскады УВ в полосе пропускания имеют коэффициент усиления, равный 111, что в итоге дает требуемую величину 111" 12500.Общий передаточный коэффициент УВ запишется как произведение передаточных коэффициентов каскадов:
На рис. 4.7 представлена АЧХ УВ, построенная для значений резисторов и конденсаторов, показанных на рис. 4.6. Из приведенного графика видно, что предложенная схема обеспечивает требуемый коэффициент усиления в полосе пропускания от 70 до 200 кГц. Амплитудно-частотная характеристика УВ в полосе пропускания близка к равномерной. За счет спада АЧХ 80 дБ/дек в нижней полосе подавления, устранена возможность насыщения операционного усилителя из-за высокой амплитуды НЧ-составляющей флуктуации давления. Спад АЧХ 40 дБ/дек в верхней полосе подавления обеспечивает предварительную фильтрацию сигнала. Полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ от коэффициента усиления в полосе пропускания лежит в диапазоне от 48 кГц до 270 кГц. Амплитуда сигнала флуктуации давления на выходе УВ не превышает 2.5Врис. 4.7. Амплитудно-частотная характеристика УВ
Таким образом, построены схемотехнические решениямасштабирующих измерительных усилителей, удовлетворяющие требованиям по коэффициенту усиления, полосе пропускания и обеспечивающие предварительную фильтрацию. При этом устранена возможность насыщения усилителя УВ. Как было показано в 3.3, фильтры ПФН и ПФВ, представляющие собой фильтры Чебышёва I рода, реализуемы на базе микросхемы МАХ275 компании Maxim [84]. Диапазон входного и выходного сигнала микросхемы составляет ±4.5В. Такой диапазон достаточен для выходных сигналов усилителей УН и УВ, имеющих амплитуду не более 2.5В. Микросхема МАХ275 содержит два звена второго порядка с передаточным коэффициентом Kj(p), заданным (3.3). При синтезе фильтров ПФН и ПФВ (см. 3.3) определено количество звеньев второго порядка К,{р), а также величины средней частоты ,, коэффициента усиления К0І и добротности Q{ каждого звена (см. табл. 3.4 и табл. 3.5 в 3.3). Отметим, что полученные значения f0i, КОІ, Qt допустимы для МАХ275 [84].
Фильтр ПФН состоит из двух звеньев К,(р) и реализован на базе одной микросхемы МАХ275 (рис. 4.8). Фильтр ПФВ состоит из трех звеньев К}(р) и реализован на базе двух микросхем МАХ275 (рис. 4.9). Заметим, что одно звено второй микросхемы оказывается незадеиствованным, поэтому при необходимости порядок фильтра можно увеличить.
