Схемная реализация датчика ДДС-04

В представленном датчике тензорезисторы всех трех чувствительных элементов соединены специальным образом в измерительную цепь так, чтобы приложенные к ним нагрузки суммировались.

Электронная плата размещается в непосредственной близости от чувствительных элементов, что исключает влияние на сигнал длинных соединительных проводов, в отличие от пассивных датчиков.

Структурная схема датчика усилия показана на рисунке 1.7.

 

 

Рис. 1.7. Структурная схема датчика усилия

 

Современная электроника позволяет относительно просто реализовать все схемные элементы датчика. Имеются готовые решения в виде отдельных

микросхем, как для каждого элемента, так и интегрированные микроконтроллеры, имеющие внутри одной микросхемы все эти компоненты. Однако для создания датчика для работы в сложных условиях не всегда подходят типовые предлагаемые решения.

Самый ответственный и сложный элемент датчика – его измерительная

цепь. Она должна обеспечивать подавление постоянных и низкочастотных помех в виде действия промышленной частоты 50 Гц, а также высокочастотных помех и случайных выбросов. На наш взгляд другим существенным требованием к датчикам динамометрирования ШГН является необходимость обеспечения временной стабильности показаний в широком диапазоне температур. С этой целью в измерительном преобразователе, применено импульсное питание измерительной цепи тензорезисторов с использованием специальной знакопеременной весовой функции, благодаря чему сведены к минимуму влияние температурного дрейфа напряжения смещения активных элементов преобразователя и помехи питающей сети 50 Гц, обусловленной расположением датчика в непосредственной близости от потребителей промышленной сети.

Вместе с тем, дополнительная цифровая обработка результатов измерения позволила снизить влияние случайной помехи и нестабильности напряжения питания датчика.

Цифровая обработка выборки дискретных значений позволяет реализовать не только цифровое интегрирование сигнала, но и различные алгоритмы фильтрации, заключающиеся в удалении из выборки случайных выбросов.

Структурную схему измерительного канала, реализующего данные алгоритмы измерений, можно представить, как показано на рисунке 1.8. Напряжение питания тензорезистивного моста ТМ от источника питания Ипит подается на вход модулятора М, где по сигналам с микроконтроллера МК инвертируется, либо подается на выход неинвертированным. Напряжение с измерительной диагонали тензомоста ТМ усиливается дифференциальным усилителем ДУ, после чего инвертируется демодулятором ДМ, либо подается на вход АЦП неинвертированным в зависимости от полярности питающего напряжения. Цифровой код передается в микроконтроллер для последующей обработки. Микроконтроллер осуществляет управление источником питания, модулятором и демодулятором, а также регулирует начальное смещение тензомоста и коэффициент усиления благодаря применению цифровых потенциометров.

 

Рис. 1.8. Структурная схема измерительной цепи датчика усилия:

ИПит – источник питания; М – модулятор; ТМ – тензомост;

ДУ – дифференциальный усилитель; ДМ – демодулятор; МК – микроконтроллер

 

Предложенная схема измерительной цепи позволяет использовать весовые функции со знакопеременными коэффициентами, а также применять цифровые интегрирование и фильтрацию при обработке выборок измеряемого сигнала. Эти факторы позволяют в значительной степени подавлять сетевые, постоянные, низкочастотные, а также случайные помехи.

В измерительной цепи устройства используется питание тензорезистивного моста именно напряжением, а не током, так как электронная плата располагается в непосредственной близости от тензодатчиков и влияние сопротивления проводов линии связи минимально.

 

Проведенные испытания и опыт эксплуатации показали эффективность

примененных в датчике конструктивных, схемных и алгоритмических решений.

В настоящее время разработанный датчик ДДС-04 производится НПП

«Грант» и широко внедряется в нефтегазодобывающих управлениях ОАО

«Татнефть», данными датчиками уже оснащены свыше 600 скважин в Татарстане.

Запланировано внедрение большой партии датчиков в АНК «Башнефть».

Датчик имеет аналоговый токовый выходной сигнал 4-20 мА, а также цифровой выходной сигнал в стандарте интерфейса RS-485, поддерживается

протокол Modbus-RTU. Это позволяет легко интегрировать их в любую систему телемеханики.

Датчики эксплуатируются в составе кустовых систем телемеханики совместно с контроллерами и станциями управления ШГН «Телебит» (ЗАО

«Линт», Казань), «Орион» (ООО «Аякс», Ульяновск), АСУС-02 (НПФ «Экос», Уфа), «ТТУ» (ООО «Шатл», Казань), «Мега» (НПФ «Интек», Уфа) и другими.

На рис. 1.9. показаны наложенные друг на друга динамограммы скважины №1312 НГДУ-2 ОАО «БЕЛКАМНЕФТЬ», измеренные разработанным датчиком. Замеры проводились контроллером автоматически в течение суток с интервалом в 2 часа.

 

Рис. 1.9. Наложенные друг на друга динамограммы

скважины №1312 НГДУ-2 ОАО «БЕЛКАМНЕФТЬ»

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие места расположения датчиков усилия являются наиболее оптимальными? Почему?

2. В чем заключается метод ваттметрирования?

3. Из чего состоит конструкция датчика ДДС-04, НПП «Грант» (Уфа)?

4. Совместно с какими контроллерами используется датчик ДДС-04?

5. Заполнить таблицу:

 

Датчики усилия	Место установки	Достоинства	Недостатки
«Loadtrol» фирмы «Interface» или «Omega» (США)
ООО«Микон» (Набережные Челны)
ДПНТ20, НПФ «Интек» (Уфа)
ДДС-04 НПП «Грант» (Уфа)

 

 

ЗАДАНИЕ 2