Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Полупроводниковые датчики давления 15
1.1 Общие сведения о полупроводниковых датчиках давления 17
1.2 Датчики и системы измерения давления 21
1.3 Характеристики полупроводниковых измерительных преобразователей и методы компенсации их температурных зависимостей 25
1.3.1 Влияние температуры на аддитивную и мультипликативную составляющие температурной погрешности тензометрических преобразователей давления 26
1.3.2 Схемные методы компенсации температурных погрешностей ИТП 30
ГЛАВА 2 Алгоритмические способы коррекции статических характеристик измерительных преобразователей 44
2.1 Математическая модель многоканального измерительного преобразователя
2.2 Преобразователь с двумя измерительными каналами 48
2.3 Измерительный преобразователь с тремя каналами преобразования 51
2.4 Обработка экспериментальных данных, содержащих выбросы и промахи 66
2.5 Способ градуировки измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом 72
2.6 Нейросетевой способ коррекции статических характеристик измерительных преобразователей 80
ГЛАВА 3 Преобразователь давления измерительный МТУ 87
3.1 Назначение и структурная схема 87
3.1.1 Измерительные цепи датчиков давления и температуры 92
3.2 Алгоритм работы МТУ 95
3.3 Технические характеристики МТУ 99
ГЛАВА 4. Программное обеспечение и результаты испытаний МТУ 110
4.1 Назначение и возможности программного обеспечения 110
4.1.1 Определение параметров математической модели 111
4.1.2 Работа с измерительным преобразователем давления 115
4.2 Результаты испытаний МТУ 118
4.2.1 Эксплуатационные испытания 119
Заключение 124
Список используемой литературы 126
Приложение 1
- Датчики и системы измерения давления
- Преобразователь с двумя измерительными каналами
- Алгоритм работы МТУ
- Результаты испытаний МТУ
Введение к работе
Актуальность. Информационно-измерительные системы (ИИС) получили широкое распространение в нефтяной и газовой промышленности. Диапазон их применения чрезвычайно велик. Почти все технологические операции, начиная с процессов бурения скважин и заканчивая транспортировкой нефтепродуктов, не мыслимы без использования высокоточной измерительной техники. ИИС применяются для определения параметров газонефтеконденсатных месторождений, характера движения нефти и газа по продуктивным пластам, гидропроводности, пьезопроводности пласта и многих других геологических параметров. Они не заменимы при выборе режима эксплуатации скважины, а также для оперативного контроля работы длинноходовых насосных установок, штанговых глубинных насосных установок и своевременного определения аварийных ситуаций.
Конструктивно ИИС состоят из большого количества элементов, однако их точность, работоспособность и надежность зависят, в основном, от измерительных преобразователей (ИП) и, в частности, от правильного выбора и изготовления датчиков.
В качестве чувствительных элементов ИИС используются разные по своей физической природе датчики. Однако, наибольшее распространение получила технология производства датчиков, использующая полупроводниковые материалы, благодаря высокой чувствительности электрических характеристик полупроводников к различным внешним воздействиям. С помощью полупроводниковых приборов можно преобразовать практически все известные виды энергии. К преимуществам таких преобразователей относятся использование технологии интегральных схем при изготовлении полупроводниковых чувствительных элементов, высокая надежность и долговременная стабильность их параметров.
Достоинства полупроводниковых преобразователей являются вместе с тем и их недостатками. Поскольку чувствительный элемент подобных преобразователей способен воспринимать сразу несколько влияющих величин, измерительная информация оказывается в итоге искаженной, т.е. появляется дополнительная погрешность, вносимая неинформативными параметрами. В качестве примера таких преобразователей можно привести тензометрические преобразователи давления, усилия, датчики Холла, характеристики которых имеют существенную зависимость от изменения температуры окружающей среды.
Перспективным считается применение многоцелевых преобразователей нескольких параметров, что становится возможным за счет выделения в измерительном преобразователе измерительных каналов по числу влияющих величин. Сюда же можно отнести и группы преобразователей, работающих в составе единой измерительной цепи. Особенностями подобных преобразователей
являются нелинейность их измерительных каналов, а также взаимное влияние этих каналов друг на друга, что, в свою очередь, приводит к серьезному искажению измерительной информации.
Указанные обстоятельства обусловливают актуальность разработки методов и способов компенсации погрешностей измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом, линеаризации функций преобразования их измерительных каналов и повышения точности информационно-измерительной системы в целом.
Целью настоящей работы является разработка и исследование методов компенсации погрешностей, вызванных нелинейностью и взаимным влиянием измерительных каналов ИП друг на друга, а также апробация их при создании ИИС, не уступающим по метрологическим характеристикам существующим аналогам.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Исследование характеристик и определение влияющих внешних и внутренних факторов на метрологические характеристики полупроводниковых измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом.
Теоретический анализ и систематизирование известных методов и способов коррекции статических характеристик интегральных измерительных преобразователей с целью установления их потенциальных возможностей.
Разработка алгоритмических методов уменьшения погрешностей многоканальных измерительных преобразователей физических величин от влияния неинформативных параметров.
Разработка, испытание и исследование метрологических ИИС с целью подтверждения правильности заложенных алгоритмов.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с использованием классической теории электрических цепей, теории погрешностей и помехоустойчивости, методов статистической обработки результатов измерений, теории вероятности и численных методов решения нелинейных алгебраических систем уравнений.
На защиту выносятся следующие результаты исследования:
Метод коррекции статических характеристик многоканальных измерительных преобразователей.
Способ коррекции статических характеристик ИП, позволяющий обрабатывать экспериментальные данные, содержащие промахи и выбросы.
Метод градуировки измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом.
Измерительный преобразователь давления МТУ, разработанный при непосредственном участии автора и внедренный в промышленность.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
Разработанный алгоритмический метод коррекции статических характеристик измерительных преобразователей с произвольным числом влияющих друг на друга измерительных каналов позволяет не только устранить влияние неинформативных параметров на результаты измерения, но и выделить влияющие факторы в качестве дополнительных измеряемых параметров.
Разработанный способ обработки экспериментальных данных позволяет упростить процесс определения параметров математической модели измерительного преобразователя путем автоматической коррекции выборок данных, содержащих выбросы и промахи, вплоть до полного исключения их из процедуры расчета.
Разработанная методика градуировки измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом позволяет ускорить и упростить процесс определения параметров их математических моделей за счет исключения процедуры стабилизации и измерения значений влияющих факторов.
Предложенный метод коррекции статических характеристик измерительных преобразователей с помощью обучающихся систем на основе искусственных нейронных сетей позволяет добиться высоких метрологических характеристик преобразователей в широком диапазоне влияющих величин, а также учесть прогрессирующую погрешность датчиков.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Разработана ИИС МТУ, представляющая собой программно-аппаратный комплекс и предназначенная для измерения давления и температуры на нефтегазодобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях, предприятиях теплоэнергетики и водоснабжения, а также для работы в составе систем обнаружения утечек магистральных продуктопроводов.
В настоящее время ИИС внедрена на таких предприятиях, как ОАО «Сургутнефтегаз», ОАО «Газсбытсервис», ОАО «ЮганскНИПИнефть», ЗАО «Гео-трансгаз, ЗАО «Ханты-Мансийская нефтяная компания», НПО «Буран», ОАО «Самотлорнефтегаз», ОАО «ТНК-Нижневартовск», НПП «Элмаш», ОАО «Уренгойская НГРЭ», ООО «Чегис-М», СП «Татех», 000 «Нефть Поволжья», ТНПВО «Сиам» и др.
Годовой экономический эффект от внедрения МТУ только по ОАО «Сургутнефтегаз» составил 2834562 рубля на один прибор.
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований и результаты работы докладывались на следующих конференциях:
50 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, УГНТУ, 1999);
XI научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 1999);
XII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 2000);
Международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2000);
XIII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 2001);
Международная научно-техническая конференция «Датчики и системы» (Санкт-Петербург, 2002);
XIV научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 2002);
Международная научно-техническая конференция «Методы и средства измерения в системах контроля и управления», посвященная памяти заслуженного деятеля науки и техники, д.т.н., профессора Е.П. Осадчего (Пенза, 2002).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, из которых 1 статья, 11 тезисов докладов, 1 положительное решение о выдаче патента и 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 183 страницы, 42 рисунка и 17 таблиц.
Датчики и системы измерения давления
Отечественная промышленность выпускает огромное количество аналоговых и дискретных датчиков, а так же систем измерения давления [54-56, 60, 64-65, 72]. Среди всего многообразия выпускаемых образцов остановимся подробнее на тензорезистивных датчиках абсолютного, избыточного давлений и универсальных датчиках и системах, позволяющих измерять давления разных видов [34].Они предназначены для измерения с высокой точностью давления жидких и газообразных сред с преобразованием его в унифицированный токовый или дискретный выходной сигнал. Датчики могут быть использованы в системах контроля, регулирования и управления химико-технологическими процессами, а также в системах сбора и учета нефти и газа, и позволяют контролировать рабочие среды с высокой химической активностью в широких интервалах давлений и температур.
Принцип действия таких датчиков основан на использовании тензорези-стивного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической пластинки из сапфира. Эта структура «крем ний на сапфире» (структура КНС) является основой ЧЭ. Кроме этого, широко применяются кремниевые интегральные датчики, в качестве ЧЭ которых используется мембранный монокристаллический кремниевый элемент (структура КНК). Деформация ЧЭ, пропорциональная измеряемому давлению, вызывает изменение сопротивления кремниевых тензорезисторов. Электронное устройство преобразует это изменение сопротивления в универсальный токовый сигнал.
Чувствительный элемент таких датчиков обычно защищен от измеряемой среды гофрированной металлической мембраной, которая изготавливается из различных коррозионностойких материалов, а внутренняя полость измерительного узла заполняется силиконовым маслом. Имеются модели датчиков, в которых измеряемый параметр непосредственно воздействует на титановую мембрану ЧЭ.Иногда в качестве тензорезисторов в датчиках используется пленка из высокотемпературного резистивного сплава с подложкой-диэлектриком - пленкой из моноокиси кремния и демпфирующего слоя из хрома.
В отдельных случаях электрическая схема измерительного прибора содержат помимо мостовой схемы термокомпенсационный резистор, автоматически позволяющий существенно уменьшать температурную погрешность датчика.
В таблице П1.1 сведены основные характеристики различных по своей структуре и назначению отечественных полупроводниковых датчиков и систем измерения давления. Однако, в последнее время большое распространение получают датчики импортных производителей, таких как HONEYWELL, MOTOROLA, YOKOGAWA и др.
Из всего многообразия электронных компонентов Honeywell наиболее знакомы российским разработчикам датчики давления. Спектр выпускаемых датчиков перекрывает диапазон давлений от 1,7 кПа до 490 атм. Наиболее простые датчики представляют собой сформированную на кремниевой мембране мостовую схему из четырёх резисторов. При прогибе мембраны от внешнего давления один из резисторов, находящийся в зоне максимальной деформации, изменяет своё сопротивление, что, в свою очередь, приводит к разбалансу моста и возникновению разностного сигнала. Датчики этого типа заключены в пластмассовый корпус, не содержат на кристалле дополнительных схем обработки сигнала и имеют сравнительно невысокую цену. Датчики могут работать в среде влажного газа (серия 26РСхх) и выпускаются для измерения дифференциального или относительного давления. Выходной сигнал датчиков этой группы не превышает 300 мВ и имеет линейность до 0,2%. Диапазон рабочих температур датчиков составляет от -40 до +85С, диапазон давлений — от 1,7 до 1720 кПа. Датчики типа 40РСхх и 4040РСхх имеют в своём составе схему термокомпенсации, калибровки и усиления разностного сигнала, диапазон рабочих температур расширен до +125С, и что особенно важно, датчики этого типа допускают в качестве рабочей среды применять воду. Приборы группы 4040РСхх могут использоваться в среде бензин/дизельное топливо/гидромасло, их корпус имеет резьбовое крепление под стандартную резьбу 1/4" и выполнен из нержавеющей стали. Приборы выпускаются на диапазон давлений от 100 до 1700 кПа, и цена таких датчиков, естественно, выше.
Наиболее сложными, с точки зрения конструкции, являются датчики группы Mediamate-xx. Они предназначены для измерения давления в гидросистемах, водопроводах, устройствах топливоподачи, холодильных установках и так далее. Их корпус содержит защитную мембрану из нержавеющей стали, что препятствует прямому контакту измеряемой среды и чувствительного элемента. Диапазон рабочих давлений составляет от 1 до 490 атм, что подразумевает прочный металлический корпус с резьбовым креплением; диапазон рабочих температур — от -40 до +100С. Датчики имеют промышленное коррозионно-стойкое исполнение, повышенную надёжность и долговечность. Основные характеристики некоторых датчиков Honeywell приведены в таблице П1.2.
Фирма Yokogawa выпускает высокоточные интеллектуальные измерительные преобразователи давления серии DPharp EJA. Датчики серии EJA обладают всеми функциями современных интеллектуальных датчиков. Широкая линейка предлагаемых моделей позволяет гибко решать большинство задач, где требуется измерение давления или перепада давления.
Отличительной особенностью преобразователей серии EJA является принцип измерения давления: в качестве чувствительного элемента в них используется кремниевый механический резонатор - уникальная разработка фирмы Yokogawa. В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления. Минимальная основная приведенная погрешность датчиков серии EJA находится на уровне ±0,075%, однако, дополнительная приведенная погрешность составляет порядка 0,01 %/С и, как правило, не нормируется.
Фирма Motorola является одним из лидеров в области производства датчиков давления. Это достигается использованием запатентованного элемента X-duser в качестве основы кристалла датчика, тогда как в традиционных полупроводниковых датчиках давления используются четыре чувствительных к давлению и температуре резистора.
Применяя при создании датчиков давления сочетание таких современнейших методов производства, как лазерная компьютерная настройка, тонкоплёночная металлизация, микромеханическая и биполярная полупроводниковая технологии, компания Motorola добилась наилучшего сочетания себестоимости производимых датчиков давления и их высокой конкурентоспособности за счёт получения высокоточной линейной характеристики аналогового выходного сигнала, пропорционального прилагаемому давлению (таблицы П1.3-Ш.5).
Преобразователь с двумя измерительными каналами
На рисунке 2.1 изображен измерительный преобразователь с двумя влияющими друг на друга измерительными каналами. Выходные величины Yi и Уг каждого канала ИП функционально связаны с его входными величинами
Необходимо устранить взаимное влияние измерительных каналов друг на друга и однозначно определить входные величины ИП Xi и Х2 по известным значениям выходных величин Yt и Y2.
Существуют алгоритмические способы коррекции статических характеристик ИП [35-38, 43], разработанные, в частности, и на кафедре АПП УГНТУ. Один из таких способов [51] заключается в разбиении интервалов представления выходных величин преобразователя на отдельные участки с последующей аппроксимацией экспериментальных данных линейной функцией. Искомые значения входных величин затем получают решением системы уравнений. Однако, учитывая нелинейность передаточных функций ИП, весь диапазон данных необходимо разделять на большое количество интервалов, что приводит к усложнению математической модели ИП.
Нашел применение и другой способ коррекции датчиков по температуре [106]. Согласно нему характеристика датчика давления аппроксимируется полином, коэффициенты которого описываются полиномиальными зависимостями от температуры. Коэффициенты полиномов определяются по результатам экспериментов. Температура, при этом, изменяется с помощью отдельного датчика. Для достижения хороших результатов коррекции коэффициенты определяются индивидуально для каждого измерительного преобразователя. Часто применяется упрощенный вариант упомянутого способа, при котором для каждого температурного поддиапазона задается линейная функция, связывающая напряжение с выхода тензомоста с измеряемым давлением. При достаточно частом разбиении на температурные поддиапазоны обеспечивается высокая точность преобразования. Однако, в этом случае, математическая модель измерительного преобразователя получается через чур сложной и избыточной.
Указанных недостатков лишен другой способ коррекции статических характеристик измерительных преобразователей [3-4]. Суть упомянутого способа заключается в описании передаточных функций измерительных каналов преобразователя некоторыми аналитическими зависимостями, то есть определении параметров функций yi - fj(xb х2) и у2 — f2(X], х2). Для этого проводится градуировочный эксперимент, в ходе которого измеряют значения выходных величин преобразователя при различных комбинациях значений его входных величин.
Затем для всех значений величины х2, участвовавших в тестовом эксперименте, проводится аппроксимация функций yi = f(xj). Результатом аппроксимации являются значения параметров функции f(xi), индивидуальные для каж дого значения х2. После этого каждый параметр функции f(xi) аппроксимируют по величине х2, то есть, описывают набором коэффициентов, задающих, в конечном итоге, передаточную функцию yi = fi(xb х2). Аналогичным образом определяется аналитическая зависимость передаточной функции уг = f2(xi, х2).
Итак, измерительный преобразователь описан математической моделью, представляющей собой два набора коэффициентов, определяющих вид передаточных функций для каждого канала измерительного преобразователя. Теперь по значениям выходных величин измерительного преобразователя, используя параметры полученной математической модели, можно определить значения его входных величин. Один из возможных способов решения этой задачи заключается в сужении области возможных значений входных величин при заданных значениях выходных величин. Данный процесс является итерационным и сходящимся. Критериями выхода из итерационного процесса могут быть, например, количество циклов, разница между значениями входных величин, рассчитанных на двух соседних итерациях и др. В результате область возможных значений входных величин измерительного преобразователя сожмется с некоторой погрешностью до искомых значений Xi и х2.
Использование упомянутого способа при коррекции статических характеристик интегральных тензометрических преобразователей давления не потребовало какого-либо усложнения схемы измерительного преобразователя или включения его в более сложную систему. Указанное обстоятельство позволило упростить устройство измерительных каналов, а выделение дополнительного канала, подверженного одновременному воздействию давления и температуры, позволило без дополнительного датчика осуществлять измерение значения температуры как дополнительного информационного параметра. Аппроксимация передаточных функций каждого измерительного канала производилась полиномами второго порядка, в результате чего приведенная погрешность измерения давления и температуры во всем возможном диапазоне их изменения не превысила 0,25%.
Упомянутый метод [3] позволяет решить задачу коррекции взаимного влияния каналов ИП и устранить погрешности от нелинейности их характеристик, являясь в то же время универсальным для большого класса преобразователей. Однако этот метод позволяет осуществить коррекцию для ИП с числом каналов равным двум. Разработанный способ [5, 8-10, 12] коррекции многоканальных измерительных преобразователей позволяет расширить возможности метода [3] на неограниченное число влияющих друг на друга измерительных каналов, однако продемонстрировать его проще и нагляднее на примере трех-канального измерительного преобразователя.
Упрощенно рассматриваемый ИП с тремя каналами преобразования может быть представлен в виде, изображенном на рисунке 2.2. Здесь Хь Х2, Хз -входные, a Yi,Y2,Y3, соответственно, выходные величины. Каждая из выходных величин, в общем случае, зависит от всех трех входных величин. Стоит задача однозначного определения значений входных величин по значению отсчетов на выходе ИП в условиях нелинейности преобразовательных характеристик и взаимного влияния измерительных каналов.
Сущность предлагаемого способа иллюстрируется рисунком 2.3. Зависимость значения выходного сигнала одного из каналов преобразователя от входных величин в общем случае представляет собой скалярное поле, описываемое функцией уі = f\(xhX2,x3), где хь х2, Хз - входные величины, уі - выходная величина. При измерении при конкретных значениях входных величин хь
Алгоритм работы МТУ
Прибор имеет четыре возможных состояния - это режим измерения, работа с внешним устройством (ЭВМ или МСИ), обслуживание кнопки управления и контроля состояния, режим пониженного энергопотребления (аналог выключения прибора).
Рассмотрим алгоритм работы прибора (рисунок 3.5) После подачи питания или выхода системы из режима пониженного энергопотребления микроконтроллер определяет функциональное назначение своих портов. Затем после настройки и инициализации портов микроконтроллер осуществляет чтение данных из статической памяти RTC-таймера, в которой хранится информация о текущем состоянии прибора (адрес последней записи и т.д.). Следует отметить, что статическая память RTC-таймера, объемом 256 байт, используется для внутрисистемных нужд по причине экономии ресурсов E2PROM памяти, которая рассчитана на 100000 циклов перезаписи.
Далее происходит определение причины пробуждения прибора. Существуют пять условий пробуждения прибора - это прерывание от таймера, прерывание от кнопки управления, прерывание от RS-232 порта, прерывание от RS-485 порта и непосредственно подача питания на схему.
После определения причины выхода из режима пониженного энергопотребления микроконтроллер выполняет соответствующую подпрограмму обработки. Коммуникация осуществляется по стандартному протоколу, причем скорость обмена может быть установлена динамически от 9600 до 115200 бит/сек, в зависимости от способности ЭВМ обрабатывать входящий поток данных. Данное ограничение обусловлено отсутствием аппаратного контроля потока, так как сигнальные линии RTS и DTR последовательного порта ЭВМ используются для питания прибора. Что позволяет, например, осуществить чтение памяти прибора при разряженных элементах питания или при полном их отсутствии, также это позволяет экономить ресурс элементов питания, так как при подключении к порту энергопотребление прибора существенно увеличивается.
Для корректного восстановления оси времени при сбоях по питанию в памяти прибора предусмотрена область, в которой регистрируются все сбойные ситуации (рисунок 3.5).
В режиме измерения прибор работает в соответствии с установленной программой. Так если от кнопки можно изменять лишь дискретность измерений, то при запуске в работу от ЭВМ имеется возможность гибко настраивать прибор под конкретные исследования.
При запуске прибора в работу доступны десять рабочих интервалов, которые могут иметь различные дискретности измерения. Время работы на каждом из интервалов может быть установлено заранее или быть определено в процессе работы.
Алгоритм измерения (рисунок 3.6) следующий:- измеряется температура;- измеряется давление;- проверяется наличие условия переключения;- если условие установлено и выполнено, то производится переход к следующему интервалу измерения.
При этом следует отметить, что в приборе реализована возможность изменения дискретности измерения одного параметра по отношению к другому в рамках одного интервала. Также можно запретить запись одного из параметров в память либо совсем отключить канал. Условием переключения может выступать время или изменение одного из параметров на заданную величину.
Измерение температурыИзмерение давленияПереход к следующему интервалуПри сохранении результатов измерения в памяти имеется возможностьзаписи либо кодов давления и температуры (16-разрядные величины), либо пересчитанных значений (24-разрядный формат с плавающей запятой: 1 байт порядок числа со знаком + 2 байта - мантисса числа со знаком). При записи кодов преобразование их в именованные единицы производится либо ЭВМ, либонепосредственно микроконтроллером при получении данных по одному из способов алгоритмическойкоррекции статических ха рактеристик измеритель ных преобразователей, описанных во второй главе. При работе с инте гральным тензопреобразо вателем давления выход ной сигнал одного канала преобразователя делается пропорциональным напря жению на измерительной диагонали моста, а выход ной сигнал другого канала — полному сопротивлению моста (рисунок 3.3). Стоп канал — температуру. В силу неидентичности номинальных значений сопротивлений плеч моста и их чувствительностей у входным величинам измерительные каналы имеют ощутимые взаимное влияние друг на друга и нелинейности функций преобразования. Для реализации изложенных выше алгоритмов коррекции статических характеристик интегральных тензопреобразователей оказалось удобным задавать каждый канал измерительного преобразователя в виде наборов параметров аппроксимирующих функций. В качестве последних для данного типа преобразователей оптимально подошли многочлены второго порядка. Так, например, для описания канала давления используется математическая модель вида:где Р - измеряемое давление, Np - код давления, NT - код температуры, ау - параметры математической модели измерительного преобразователя.
Использование модели второго порядка для измерения как давления, так и температуры, позволяет производить измерения с точностью 0,25% как по каналу давления, так и по каналу температуры во всем диапазоне рабочих температур.
Для экспериментальной проверки правильности теоретических положений и расчетов, а также принятых схемных решений и для определения основных технических характеристик МТУ на кафедре автоматизации производственных процессов УГНТУ были проведены его лабораторные испытания. Испытания проводились в два этапа: градуировка (тарировка) и поверка МТУ.
В качестве образцового средства измерения при испытаниях использовался грузопоршневой манометр МП-600 (пресс) с классом точности 0,05. В процессе проведения градуировки приборы помещались в термостат. При этом давление от пресса в МТУ подавалось через медные импульсные трубки. Гру-зопоршневым манометром задавался ряд давлений от 0 до 20 МПа с шагом 5 МПа. Температура при этом не стабилизировалась, но непрерывно изменялась от 0 до 60 С (рисунок 3.7). Для вариантов исполнения МТУ с выносным датчиком температуры, последнюю необходимо стабилизировать не менее чем в трех точках для принятой математической модели в виде полиномов второго порядка. Данные, полученные в результате градуировки, вводились в разработанную автором программу, с помощью которой вычислялись коэффициенты математической модели МТУ, т.е. подбиралась функция (3.4) с использованием метода наименьших квадратов. Для примера, параметры ау математической модели из
Результаты испытаний МТУ
В ГЦИ СИ "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева" в период с 19.02 по 7.03 2001г. на основании письма-поручения № 410/24 - 2112 от 15.09.2000г. Госстандарта РФ проводились испытания с целью утверждения типа преобразователей давления измерительных с измерителем температуры МТУ-04. В результате проведенных испытаний ГЦИ СИ "ВНИИМ им.Д.И.Менделеева" устано вил, что преобразователи давления измерительные с измерителем температуры МТУ-04 соответствуют требованиям ГОСТ 22520 и ТУ 4212-003-39971257-2001. Преобразователи имеют свидетельство и сертификат соответствия. Кроме того, ГЦИ СИ "ВНИИМ им.Д.И.Менделеева" отмечает, что преобразователи МТУ-04 при эксплуатации и после ремонта обеспечены методами и средствами поверки.
В приложении 5 приведено заключение ЦС ВЭ ГДИ от 13.04.2000 г., согласно которому МТУ соответствуют требованиям нормативных документов, что разрешает проведение эксплуатационных испытаний измерительных преобразователей давления во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок, согласно гл. 7.3 ПУЭ и другим нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных зонах и связанного искробезопасными цепями с электротехническими устройчтвами, установленными вне взрывоопасной зоны.
Высокие метрологические характеристики измерительных преобразователей давления МТУ позволяют использовать их в составе систем обнаружения утечек, предназначенных для контроля целостности газопровода и выявления места и объема утечки на контролируемом участке [16].
Работа систем контроля утечек основана на регистрации волн давления, генерируемых в местах возникновения негерметичности газопровода и распространяющихся вдоль его оси. Система обнаружения утечек может работать как в режиме реального времени, так и в режиме накопления информации. При этом датчики давления устанавливаются попарно на каждом конце контролируемого участка газопровода на определенном расстоянии друг от друга, что позволяет не только надежно регистрировать время появления утечек, но и точно определить их место. Работоспособность системы сохраняется и при установке по одному датчику на конце каждого контролируемого участка.
Для промышленных экспериментов выбрали участок магистрального газопровода диаметром 1400 мм в Полянском ЛПУ МГ. В испытаниях участвова-ли преобразователи давления с пределом измерения 100 кГ/см . Показания преобразователей давления измерительных МТУ сопоставлялись с показаниями датчиков избыточного давления фирмы HoneyWell, широко применяющиеся в настоящее время в подразделениях ОАО «Газпром».
В ходе первого испытания последовательно, через временной интервал, равный 1 минуте, открывались шаровые краны отводов труб 030 мм каждая. Расстояние от датчиков до кранов составляло при этом около 300 метров. Как видно из рисунка 4.10(a), измерительные преобразователи давления МТУ зафиксировали перепад давления, равный 0,04 атм. После обработки результатов измерений на программе верхнего уровня с использованием методов цифровой фильтрации данных (рисунок 4.10(6)) можно наблюдать полки давления, соответствующие изменению давления в системе на 4, 5 и 6 минутах. Датчики избыточного давления HoneyWell не зарегистрировали изменение давления в сис теме во время эксперимента.
В процессе проведения второго эксперимента моделировались утечки через отвод трубы 0300 мм. Сначала кран приоткрывался на 10 %, затем, через 30 секунд, на 25 %, затем на 50 и на 100 %. На рисунках 4.11(a) и 4.11(6) показаны временные диаграммы изменения давления в системе, полученные с помощью измерительных преобразователей давления МТУ и датчиков HoneyWell соответственно. При этом МТУ однозначно зарегистрировали перепад давления при утечке в 10 %, а датчики HoneyWell - при 25 %.
В ходе третьего эксперимента моделировались утечки газа через отвод трубы 0300 мм на удалении около 10 км от места установки приборов. В процессе испытания на время, равное 1 минуте, последовательно открывался кран Как видно из рисунка 3, измерительные преобразователи давления МТУ зафиксировали изменения давления на 0,015 атм. т.е. утечку, равную 10 %. Датчики избыточного давления HoneyWell в эксперименте не участвовали.
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что технические и метрологические характеристики МТУ позволяют контролировать технологический процесс перекачки и обнаруживать малейшие его изменения, связанные с возникновением утечек, и могут быть использованы, в том числе, и для 11:15:00 11:30:00 11:45:00 1200:00 12:15:00Рисунок 4.12 - Временные диаграммы изменения давления в газопроводеуправления работой автоматических кранов магистральных газопроводов.
