СОДЕРЖАНИЕ

На правах рукописи




ПОЛИЩУК Игорь Николаевич




КОРРЕКЦИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ



Специальность 05.11.16 –
Информационно-измерительные и управляющие системы
(в промышленности)




АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
2
УФА 2003
Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом
университете


Научный руководитель: кандидат технических наук,
доцент Емец Сергей Викторович



Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Косолапов Александр Михайлович


кандидат технических наук, доцент
Гулин Артур Игоревич



Ведущее предприятие: МОАО «Нефтеавтоматика»




Защита состоится «___» 2003 г. в _______ часов на заседании
диссертационного совета Д-212.288.02 Уфимского государственного авиацион-
ного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.




С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ



Автореферат разослан «___» 2003 г.




Ученый секретарь
диссертационного совета Д-212.288.02
д.т.н., профессор Г.Н.Утляков
3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Информационно-измерительные системы (ИИС) полу-
чили широкое распространение в нефтяной и газовой промышленности. Диапа-
зон их применения чрезвычайно велик. Почти все технологические операции,
начиная c процессов бурения скважин и заканчивая транспортировкой нефте-
продуктов, не мыслимы без использования высокоточной измерительной тех-
ники. 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 ава-
рийных ситуаций.
Конструктивно ИИС состоят из большого количества элементов, однако
их точность, работоспособность и надежность зависят, в основном, от измери-
тельных преобразователей (ИП) и, в частности, от правильного выбора и изго-
товления датчиков.
В качестве чувствительных элементов ИИС используются разные по
своей физической природе датчики. Однако, наибольшее распространение по-
лучила технология производства датчиков, использующая полупроводниковые
материалы, благодаря высокой чувствительности электрических характеристик
полупроводников к различным внешним воздействиям. С помощью полупро-
водниковых приборов можно преобразовать практически все известные виды
энергии. К преимуществам таких преобразователей относятся использование
технологии интегральных схем при изготовлении полупроводниковых чувстви-
тельных элементов, высокая надежность и долговременная стабильность их па-
раметров.
Достоинства полупроводниковых преобразователей являются вместе с
тем и их недостатками. Поскольку чувствительный элемент подобных преобра-
зователей способен воспринимать сразу несколько влияющих величин, измери-
тельная информация оказывается в итоге искаженной, т.е. появляется дополни-
тельная погрешность, вносимая неинформативными параметрами. В качестве
примера таких преобразователей можно привести тензометрические преобразо-
ватели давления, усилия, датчики Холла, характеристики которых имеют суще-
ственную зависимость от изменения температуры окружающей среды.
Перспективным считается применение многоцелевых преобразователей
нескольких параметров, что становится возможным за счет выделения в изме-
рительном преобразователе измерительных каналов по числу влияющих вели-
чин. Сюда же можно отнести и группы преобразователей, работающих в соста-
ве единой измерительной цепи. Особенностями подобных преобразователей
4
являются нелинейность их измерительных каналов, а также взаимное влияние
этих каналов друг на друга, что, в свою очередь, приводит к серьезному иска-
жению измерительной информации.
Указанные обстоятельства обусловливают актуальность разработки мето-
дов и способов компенсации погрешностей измерительных преобразователей с
интегрированным чувствительным элементом, линеаризации функций преобра-
зования 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:
1. Исследование характеристик и определение влияющих внешних и
внутренних факторов на метрологические характеристики полупроводниковых
измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элемен-
том.
2. Теоретический анализ и систематизирование известных методов и
способов коррекции статических характеристик интегральных измерительных
преобразователей с целью установления их потенциальных возможностей.
3. Разработка алгоритмических методов уменьшения погрешностей мно-
гоканальных измерительных преобразователей физических величин от влияния
неинформативных параметров.
4. Разработка, испытание и исследование метрологических ИИС с целью
подтверждения правильности заложенных алгоритмов.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с исполь-
зованием классической теории электрических цепей, теории погрешностей и
помехоустойчивости, методов статистической обработки результатов измере-
ний, теории вероятности и численных методов решения нелинейных алгебраи-
ческих систем уравнений.
На защиту выносятся следующие результаты исследования:
1. Метод коррекции статических характеристик многоканальных изме-
рительных преобразователей.
2. Способ коррекции статических характеристик ИП, позволяющий об-
рабатывать экспериментальные данные, содержащие промахи и выбросы.
3. Метод градуировки измерительных преобразователей с интегрирован-
ным чувствительным элементом.
4. Измерительный преобразователь давления МТУ, разработанный при
непосредственном участии автора и внедренный в промышленность.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
5
1. Разработанный алгоритмический метод коррекции статических харак-
теристик измерительных преобразователей с произвольным числом влияющих
друг на друга измерительных каналов позволяет не только устранить влияние
неинформативных параметров на результаты измерения, но и выделить влияю-
щие факторы в качестве дополнительных измеряемых параметров.
2. Разработанный способ обработки экспериментальных данных позво-
ляет упростить процесс определения параметров математической модели изме-
рительного преобразователя путем автоматической коррекции выборок данных,
содержащих выбросы и промахи, вплоть до полного исключения их из проце-
дуры расчета.
3. Разработанная методика градуировки измерительных преобразовате-
лей с интегрированным чувствительным элементом позволяет ускорить и упро-
стить процесс определения параметров их математических моделей за счет ис-
ключения процедуры стабилизации и измерения значений влияющих факторов.
4. Предложенный метод коррекции статических характеристик измери-
тельных преобразователей с помощью обучающихся систем на основе искусст-
венных нейронных сетей позволяет добиться высоких метрологических харак-
теристик 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 нефте-
газодобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях, предприятиях теп-
лоэнергетики и водоснабжения, а также для работы в составе систем обнаруже-
ния утечек магистральных продуктопроводов.
В настоящее время ИИС внедрена на таких предприятиях, как ОАО «Сур-
гутнефтегаз», ОАО «Газсбытсервис», ОАО «ЮганскНИПИнефть», ЗАО «Гео-
трансгаз, ЗАО «Ханты-Мансийская нефтяная компания», НПО «Буран», ОАО
«Самотлорнефтегаз», ОАО «ТНК-Нижневартовск», НПП ОАО
«Элмаш»,
«Уренгойская НГРЭ», ООО «Чегис-М», СП «Татех», ООО «Нефть Поволжья»,
ТНПВО «Сиам» и др.
Годовой экономический эффект от внедрения МТУ только по ОАО «Сур-
гутнефтегаз» 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 специа-
листов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и
управления» (Гурзуф, 1999);
6
? XII научно-техническая конференция с участием зарубежных специа-
листов «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 специа-
листов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и
управления» (Гурзуф, 2001);
? Международная научно-техническая конференция «Датчики и систе-
мы» (Санкт-Петербург, 2002);
? XIV научно-техническая конференция с участием зарубежных специа-
листов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и
управления» (Гурзуф, 2002);
? Международная научно-техническая конференция «Методы и средст-
ва измерения в системах контроля и управления», посвященная памяти заслу-
женного 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулиро-
ваны цель и задачи, дана общая характеристика выполненной работы, приведе-
ны основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены выпускаемые серийно отечественной про-
мышленностью датчики и системы измерения давления. Отмечено, что метро-
логические характеристики лучших приборов далеко не всегда удовлетворяют
современным требованиям.
Исследованы полупроводниковые ИП на примере интегральных тензо-
метрических преобразователей (ИТП). Рассмотрены влияющие факторы и оп-
ределены метрологические характеристики ИТП.
Показано, что для полупроводниковых тензорезистивных преобразовате-
лей характерны влияние термических напряжений на аддитивную составляю-
щую температурной погрешности и температурная зависимость чувствительно-
сти тензопреобразователей.
7
Проанализированы существующие способы коррекции статических ха-
рактеристик ИП. Отмечены основные недостатки пассивных и активных мето-
дов уменьшения составляющих температурной погрешности, связанные со
сложностью подбора элементов корректирующих цепей, а также с их громозд-
костью и ограниченным рабочим диапазоном. В ходе анализа выявлена акту-
альность проведения работ по созданию алгоритмических способов коррекции
статических характеристик ИП, позволяющих улучшить метрологические ха-
рактеристики и упростить настройку приборов, использующих в качестве пер-
вичных преобразователей полупроводниковые датчики.
Во второй главе рассмотрен общий случай математической модели мно-
гоканального ИП с влияющими друг на друга измерительными каналами, и оп-
ределена задача измерения большого количества взаимозависимых параметров.
Рассмотрен один из наиболее перспективных подходов к решению этой задачи,
а именно, измерение нескольких параметров с помощью одного датчика, вос-
принимающего сразу несколько влияющих величин, что позволяет упростить
устройство ИИС, а также уменьшить ее габариты и стоимость.
Рассмотрены алгоритмические способы компенсации погрешностей ИП,
вызванных влиянием неинформативных параметров, один из которых позволя-
ет, в том числе, выделить влияющий фактор и использовать его в качестве до-
полнительного параметра. Упомянутый метод позволяет решить задачу кор-
рекции взаимного влияния каналов ИП и устранить погрешности от нелинейно-
сти их характеристик, являясь в то же время универсальным для любого класса
преобразователей. Однако этот метод позволяет осуществить коррекцию для
ИП с числом каналов, равным двум.
Указанного недостатка лишен другой, разработанный на его основе, ме-
тод. Проиллюстрируем его на примере трехканального ИП, на входе которого
действуют величины х1, х2 и х3, а на выходе – y1, y2 и y3, находящиеся в функ-
циональной зависимости от входных величин ИП. Суть предложенного способа
заключается в описании передаточных функций измерительных каналов преоб-
разователя некоторыми аналитическими зависимостями, то есть определении
параметров функций y1 = f1(x1,x2,х3), y2 = f2(x1,x2,х3) и y3 = f3(x1,x2,х3). Для этого
проводится градуировочный эксперимент, в ходе которого измеряют значения
выходных величин преобразователя при различных комбинациях значений его
входных величин.
Немаловажное значение имеет форма задания скалярного поля. Для вве-
дения коррекции необходимо, чтобы для любых разрешенных значений вход-
ных параметров могли быть получены соответствующие значения выходных
величин. Рассмотрим один из вариантов задания поля y1 = f1(x1,x2,х3). Для всех
значений величины x1 и всевозможных сочетаний значений величин x2 и х3,
участвовавших в градуировочном эксперименте, проводится аппроксимация
функций х1 = ?1(у1). Результатом аппроксимации будут значения параметров аj
функции f(у1), индивидуальные для каждой комбинации значений величин x2 и
8
х3. Тем самым будет описано поведение потенциала значений величины у1 по х1
для всех сочетаний значений величин x2 и х3.
Следующим этапом проводится аппроксимация параметров аj функции
?1(у1) по величине x2. Результатом аппроксимации являются значения парамет-
ров bj функции ?1(аj), индивидуальные для каждого значения величины x3. Та-
ким образом, описывается поведение потенциала значений величины у1 в ска-
лярном поле, образованном величинами х1 и х2, для всех значений величины x3.
После этого проводится аппроксимация параметров bj функции ?1(аj) по вели-
чине x3. В результате аппроксимации получаем значения параметров сj функ-
ции ?1(bj), описывающих функцию поведения потенциала значений величины у1
в трехмерном скалярном поле у1 = f1(x1,x2,х3). Аналогичным образом задаются
поля передаточных функций y2 = f2(x1,x2,х3) и у3 = f3(х1, х2,х3).
Итак, ИП описан математической моделью, представляющей собой три
набора коэффициентов, определяющих вид передаточных функций для каждого
канала преобразователя. Теперь по значениям выходных величин измеритель-
ного преобразователя, используя параметры полученной математической моде-
ли, можно определить значения его входных величин. Один из возможных спо-
собов решения этой задачи заключается в сужении области возможных значе-
ний входных величин при заданных значениях выходных величин. Данный
процесс является итерационным и сходящимся. Критериями выхода из итера-
ционного 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 ИП сузится с не-
которой погрешностью до искомых значений x1, x2, х3.
Таким образом, по значениям выходных величин ИП и заранее опреде-
ленным параметрам его математической модели можно определить значения
входных величин в условиях их взаимного влияния и нелинейности передаточ-
ных функций для произвольного числа измерительных каналов.
Апробация предложенного способа проводилась на примере ИП расхода,
состоящего из двух тензометрических датчиков давления, включенных после-
довательно в единую измерительную цепь. Подобная схема включения позво-
лила организовать в преобразователе три влияющих друг на друга измеритель-
ных канала: давления, перепада давления и температуры. Использование разра-
ботанного способа не потребовало какого-либо усложнения ИП или включения
его в более сложную схему. Указанное обстоятельство позволило упростить
устройство измерительных каналов, а максимальная приведенная погрешность
по каждому каналу при аппроксимации передаточных функций преобразовате-
ля полиномами второго порядка не превысила 0,25% во всем диапазоне изме-
нения влияющих величин.
Описанные выше методы позволяют добиться высокой точности при об-
работке градуировочных данных, не содержащих случайные выбросы. В реаль-
ных условиях эмпирические данные, участвующие в градуировочном экспери-
9
менте, содержат некоторую ошибку измерения, в том числе выбросы или про-
махи, что отрицательно сказывается при определении параметров математиче-
ской модели измерительного преобразователя.
Добиться уменьшения погрешности от влияния случайных выбросов экс-
периментальных данных, полученных в результате градуировочного экспери-
мента, позволил другой разработанный автором способ.
Рассмотрим его на примере ИП с двумя влияющими друг на друга изме-
рительными каналами. Предположим, что х1, х2 – входные величины, а у1 и у2 –
выходные величины, являющиеся функциями величин, действующих на его
входе, т.е. у1 = f1(x1, x2), а у2 = f2(x1, x2). Опишем передаточные функции изме-
рительных каналов преобразователя у1 и у2 математической моделью согласно
рассмотренному выше методу.
Расчетные значения входных величин в узловых точках матрицы экспе-
риментальных данных можно получить путем решения обратной задачи с ис-
пользованием параметров полученной математической модели. После чего оп-
ределяются значения погрешностей приближения расчетных значений, полу-
ченных в соответствии с математической моделью, к истинным значениям из-
меряемых величин в узловых точках матрицы экспериментальных данных как
разность истинного и расчетного значений входных величин.
Разные способы аппроксимации имеют соответствующие критерии дос-
тижения близости аппроксимирующих функций к экспериментальным данным.
Так, метод наименьших квадратов в качестве такого критерия использует ми-
нимум суммы квадратов отклонений экспериментальных значений от значений,
полученных с помощью аппроксимирующей функции.
На следующем этапе реализации способа производят коррекцию пара-
метров математической модели ИП путем повторного ее определения с учетом
поправочных коэффициентов, определяемых как величины, функционально
связанные со значениями погрешностей в узловых точках матрицы экспери-
ментальных данных. Данные поправочные коэффициенты учитываются в кри-
терии соответствующего способа аппроксимации по достижению оптимального
приближения к экспериментальным данным. В частном случае, при использо-
вании в качестве способа аппроксимации метода наименьших квадратов, вме-
сто критерия

n
(y i ? f (x i ))2
min , (1)
i =1
используется следующая форма с учетом поправочных коэффициентов:

n
(y i ? f (x i ))2 ? k i
min . (2)
i =1
10
В формулах (1) и (2) уi – значение выходных, хi – значение входных вели-
чин, f(х) – аппроксимирующая функция, n – число точек, участвующих в экспе-
рименте, ki – поправочный коэффициент i-той точки данных, определяемый, в
частности, как k i = 1 e i , где ei – погрешность приближения в i-той точке мат-
рицы экспериментальных данных.
Процесс определения поправочных коэффициентов, а затем и параметров
математической модели, повторяют в итерационном цикле, критерием выхода
из которого может служить, например, разность приведенных погрешностей в
узловых точках матрицы экспериментальных данных, рассчитанных на двух
соседних итерациях.
Предлагаемый способ прошел апробацию при работе с интегральными
тензометрическими преобразователями давления. Основной входной величи-
ной в этом случае являлось измеряемое давление, а дополнительным парамет-
ром – температура преобразователя. Передаточные функции каждого канала
ИП по результатам градуировочного эксперимента аппроксимировались поли-
номами второго порядка методом наименьших квадратов. В одной из точек
градуировочного эксперимента был искусственно введен выброс данных, соот-
ветствующий изменению значения давления на 0,75%. После этого с помощью
полученных параметров математической модели во всех точках градуировоч-
ного эксперимента была решена задача определения пар значений давления и
температуры по соответствующим парам выходных величин ИП. Затем, в каж-
дой точке градуировочного эксперимента были рассчитаны погрешности при-
ближения расчетных и экспериментальных значений, представленные на ри-
сунке 1(а) в виде трехмерных диаграмм в координатах давления и температуры.
Характерные изгибы поверхности в точке выброса и ее окрестности указывают
на высокие погрешности адекватности модели в этих точках.
На рисунке 1(б) показана диаграмма погрешностей определения матема-
тической модели измерительного преобразователя по описанной выше методи-
ке. В этом случае погрешности приближения в окрестности точки выброса за-
метно уменьшились, вследствие чего можно считать, что математическая мо-
дель измерительного преобразователя определена более корректно.
Сказанное выше подтверждает рисунок 1(в), на котором приведена трех-
мерная диаграмма погрешностей измерительного преобразователя в узловых
точках матрицы экспериментальных данных без выброса, рассчитанных с ис-
пользованием скорректированных параметров математической модели. Макси-
мальная погрешность адекватности модели в этом случае не превышает 0,02%.
11




а)




б)




в)


Рисунок 1– Графическая иллюстрация погрешностей ИП
12
Упомянутые выше методы предполагают проведение градуировочного
эксперимента, в ходе которого необходимо точно знать значение влияющего
параметра и, кроме того, поддерживать его постоянным на нескольких уровнях
в течение определенного времени. В реальных условиях далеко не всегда уда-
ется измерить значение помехи и, тем более, добиться ее стабильности.
В этом случае предлагается воспользоваться другим способом. Рассмотрим об-
щий случай n-канального ИП. Предположим, что Х1, Х2, … , ХM – входные ин-
формативные параметры, а ХM+1, ХM+2, …, ХN – помехи по отношению к ним.
Y1, Y2, …, YN – выходные величины, являющиеся функциями величин, дейст-
вующих на его входе. Опишем ИП системой уравнений:


iY1 = f1 (X1 , X 2 ,..., X M ?1 , X M , X M +1 ,..., X N ),
iY = f (X , X ,..., X , X , X ,..., X ),
i2 M ?1 M +1
2 1 2 M N
i (3)
...
i
iYN = f N (X1 , X 2 ,..., X M ?1 , X M , X M +1 ,..., X N ).
i

Определим входные величины Х1, Х2, … , ХM по значениям выходных ве-
личин Yi в условиях влияния параметров ХM+1, ХM+2, …, ХN. Решая систему
уравнений (3) относительно информативных параметров, получим следующие
функциональные зависимости:

iX1 = ?1 (Y1 , Y2 ,..., YN ?1 , YN );
iX = ? (Y , Y ,..., Y , Y );
i2 N ?1
2 1 2 N
i
i ...
i (4)
iX M ?2 = ? M ?2 (Y1 , Y2 ,..., YN ?1 , YN );
iX M ?1 = ? M ?1 (Y1 , Y2 ,..., YN ?1 , YN );
i
iX M = ? M (Y1 , Y2 ,..., YN ?1 , YN ).
i

Для определения параметров функций ?i, проводится градуировочный
эксперимент с измерением значений выходных величин ИП. Входные величи-
ны при этом необходимо изменять во всем возможном диапазоне. Но, посколь-
ку чувствительный элемент ИП интегрированный, т.е. воспринимает все вход-
ные воздействия одновременно, и изменение любой входной величины приво-
дит к мгновенному отклику со стороны выходных величин измерительного
преобразователя, нет необходимости стабилизировать влияющие факторы. Для
получения параметров математической модели ИП используют значения вход-
ных и выходных величин основных каналов и значения выходных величин до-
полнительных каналов.
13
Использование разработанного способа градуировки измерительных пре-
образователей при работе с интегральными тензометрическими преобразовате-
лями давления позволило производить измерения давления с приведенной по-
грешностью, не превышающей 0,25% во всем диапазоне изменения давления и
температуры.
Все перечисленные выше способы не учитывают временную нестабиль-
ность характеристик ИП. Тем не менее, только дополнительная приведенная
погрешность от дрейфа нуля ИП в течение года может достигать 0,1%. В связи
с этим, для достижения требуемой точности измерения во всех частях широко-
го диапазона измеряемых величин, считается перспективным использовать для
коррекции статических характеристик самообучающиеся системы на основе
искусственных нейронных сетей.
Третья глава посвящена описанию ИИС МТУ, разработанной при непо-
средственном участии автора на основании полученных в данной работе ре-
зультатов.
МТУ предназначен для измерения давления и температуры на нефтегазо-
добывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях, предприятиях тепло-
энергетики и водоснабжения как автономном, так и в дистанционном.
Структурная схема МТУ приведена на рис. 2. На схеме обозначено: АЦП
– аналого-цифровой преобразователь, МК – микроконтроллер, PWR – стабили-
затор питания, RTС – таймер реального времени, ППЗУ – энергонезависимая
FLASH-память, ЭВМ – электронно-вычислительная машина, ТПД – тензомет-
рический преобразователь давления, ДТ – выносной малоинерционный датчик
температуры, ИТ – источник тока, G1 – батарея питания, G2 – литиевый эле-
мент питания, SPI, I2C – внутрисхемные протоколы обмена.
ИТ ИТ

RTC G2

ДТ
Т
I2C

ТПД АЦП
ППЗУ

МК
SPI


Р
RS-232 ЭВМ




+3V
PWR
RS-485
G1




Рисунок 2 – Структурная схема МТУ
14
Прибор содержит чувствительный элемент питания в виде интегрально
тензометрического преобразователя давления (ТПД), включенного в цепь ис-
точника тока, состоящего из управляемого источника опорного напряжения и
операционного усилителя. Выходной сигнал с ТПД в виде напряжения посту-
пает на один из входов многоканального сигма-дельта АЦП. Ко второму входу
АЦП подключен вход измерительной цепи, формирующей напряжение, про-
порциональное температуре ТПД, что позволяет в дальнейшем программным
путем корректировать температурную погрешность ТПД. Третий вход АЦП
подключен к выходу измерительной цепи выносного датчика температуры
(ДТ).
Использование разработанного способа градуировки ИП с интегрирован-
ным чувствительным элементом позволяет скомпенсировать погрешности, вно-
симые дрейфом нуля тензометрического преобразователя давления при изме-
нении температуры, а также температурной зависимостью чувствительности
ИП. При этом основными источниками погрешностей МТУ являются: погреш-
ности образцовых средств измерения, используемых при градуировке, погреш-
ность аналого-цифрового преобразования, погрешность адекватности модели
ИП и временная нестабильность параметров компонентов, а также изменение
последних при циклическом воздействии измеряемых величин. Анализ источ-
ников этих погрешностей и оценка их значений показали, что максимальная
приведенная погрешность МТУ не превышает 0,1%, однако, на основании ис-
пытаний во ВНИИМ им. Менделеева она была принята равной 0,25%.
В четвертой главе описана программная оболочка, предназначенная для
организации пользовательского интерфейса с измерительным преобразовате-
лем давления и определения параметров его математической модели.




Рисунок 3 – Внешний вид программы.

Программа позволяет запускать МТУ в работу с различной дискретно-
стью измерения, считывать и сохранять информацию из памяти прибора с по-
следующим визуальным представлением полученной информации. Отдельным
пунктом в программе реализована разработанная автором методика обработки
результатов градуировочного эксперимента и определение параметров матема-
тической модели измерительного преобразователя.
Высокие метрологические характеристики измерительных преобразова-
телей давления МТУ позволяют использовать их в составе систем обнаружения
утечек, предназначенных для контроля целостности газопровода и выявления
места и объема утечки на контролируемом участке.
15
Для промышленных экспериментов выбрали участок магистрального га-
зопровода диаметром 1400 мм в Полянском ЛПУ МГ. В испытаниях участвова-
ли преобразователи давления с пределом измерения 100 кГ/см2. Показания пре-
образователей давления измерительных МТУ сопоставлялись с показаниями
датчиков избыточного давления фирмы HoneyWell, широко применяющихся в
настоящее время в подразделениях ОАО «Газпром».
В ходе первого испытания последовательно, через временной интервал,
равный 1 минуте, открывались шаровые краны отводов труб O30 мм каждая.
Расстояние от датчиков до кранов составляло при этом около 300 метров. Как
видно из рисунка 4(а), измерительные преобразователи давления МТУ зафик-
сировали перепад давления, равный 0,04 атм. После обработки результатов из-
мерений с помощью программы верхнего уровня с использованием методов
цифровой фильтрации данных (рисунок 4(б)) можно наблюдать полки давле-
ния, соответствующие изменению давления в системе на 4, 5 и 6 минутах. Дат-
чики избыточного давления HoneyWell не зарегистрировали изменение давле-
ния в системе во время эксперимента.
Промысловые испытания и промышленная эксплуатация МТУ подтвер-
дили правильность заложенных алгоритмических и конструктивных решений и
показали, что технические и метрологические характеристики МТУ позволяют
контролировать технологический процесс перекачки и обнаруживать малейшие
его изменения, связанные с возникновением утечек, и могут быть использова-
ны, в том числе, и для управления работой автоматических кранов магистраль-
ных газопроводов.


Показания прибора Отфильтрованные данные



4-я минута
5-я минута
6-я минута




а) б)
Рисунок 6 – Временные диаграммы изменения давления в газопроводе
16
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты теоретических, практических и экспериментальных
исследований сводятся к следующему:
1. На основании анализа характеристик интегральных тензопреобразова-
телей и схемных методов компенсации аддитивных и мультипликативных со-
ставляющих температурных погрешностей ИТП сделан вывод об актуальности
алгоритмических способов коррекции статических характеристик измеритель-
ных преобразователей.
2. Разработан алгоритмический метод коррекции статических характери-
стик преобразователей с интегрированным чувствительным элементом, а также
его общий случай для преобразователя с произвольным числом влияющих друг
на друга нелинейных измерительных каналов. Подана заявка на выдачу патен-
та.
3. Разработан и апробирован способ обработки экспериментальных дан-
ных с выбросами и промахами, повышающий точность определения парамет-
ров математической модели измерительного преобразователя. Способ защищен
патентом РФ на изобретение №2199088 от 20 февраля 2003 г.
4. Предложена методика градуировки измерительных преобразователей с
интегрированным чувствительным элементом, позволяющая ускорить и упро-
стить процесс определения параметров их математических моделей путем ис-
ключения процедуры стабилизации и измерения значений влияющих факторов.
Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение от 24 де-
кабря 2002 года по заявке №2002121952/28(023559) от 16 августа 2002 года.
5. Предложен метод коррекции статических характеристик измеритель-
ных преобразователей с помощью обучающихся систем на основе искусствен-
ных нейронных сетей, позволяющий добиться высоких метрологических харак-
теристик преобразователей в широком диапазоне влияющих величин. Способ
защищен патентом РФ на изобретение №2199089 от 20 февраля 2003 г.
6. При непосредственном участии автора разработан измерительный пре-
образователь давления МТУ. На прибор получено заключение о взрывозащи-
щенности в ЦС ВЭ ИГД, проведены эксплуатационные испытания. Во ВНИИМ
им. Менделеева проведены испытания с целью утверждения типа средства из-
мерения и внесения преобразователей в Государственный реестр средств изме-
рения. Там же успешно пройдены испытания с целью получения сертификата
соответствия требованиям безопасности по системе сертификации ГОСТ Р.
7. Разработано программное обеспечение для измерительного преобразо-
вателя давления МТУ, соответствующее современным требованиям на про-
граммные продукты. В рамках ПО реализованы способ градуировки измери-
тельных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом и
обработка экспериментальных данных, содержащих выбросы и промахи.
17
В настоящее время приборы внедрены на нефтегазовых предприятиях,
таких как ОАО «Сургутнефтегаз», ЗАО «Газэнерготехника», ОАО «Юганск-
НИПИнефть» и др.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Емец С.В., Латыпов О.А., Полищук И.Н. Алгоритм коррекции стати-
ческих характеристик многоканальных измерительных преобразователей//
Сборник материалов научно-технической конференции студентов, аспирантов
и молодых ученых. – Уфа: УГНТУ, 1999. – С. 23-24.
2. Емец С.В., Полищук И.Н., Латыпов О.А. Многоканальный измери-
тельный преобразователь для расходомера переменного перепада давления//
Сборник материалов научно-технической конференции студентов, аспирантов
и молодых ученых. – Уфа: УГНТУ, 1999. – С. 24-25.
3. Емец С.В., Латыпов О.А., Полищук И.Н. Способ коррекции статиче-
ских характеристик преобразователей с интегрированным чувствительным
элементом// Датчики и преобразователи информации систем измерения, кон-
троля и управления: Сборник материалов XI Научно-технической конферен-
ции. Под ред. Проф. Азарова В.Н. – М.: МГИЭМ, 1999. – С. 171-172.
4. Емец С.В., Полищук И.Н., Латыпов О.А. Коррекция статических ха-
рактеристик многоканальных измерительных преобразователей систем управ-
ления длинноходовыми насосными установками// Прогрессивные технологии в
добыче нефти: В сб. науч. трудов. – Уфа, 2000. – С. 98-102.
5. Полищук И.Н., Латыпов О.А., Емец С.В. Расходомер переменного пе-
репада давления// Методы, средства и технологии получения и обработки изме-
рительной информации: Сборник трудов международной научно-технической
конференции. – Пенза, 2000. – С. 107-108.
6. Коловертнов Ю.Д., Ганцев А.О., Полищук И.Н. Использование прибо-
ров для измерения давления и температуры при гидродинамических исследова-
ний скважин// Датчики и преобразователи информации систем измерения, кон-
троля и управления: Сборник материалов XII Научно-технической конферен-
ции. Под ред. Проф. Азарова В.Н. – М.: МГИЭМ, 2000. – С. 150-151.
7. Емец С.В., Ганцев А.О., Ковшов В.Д., Полищук И.Н., Павлов О.Б. Ма-
нометр-термометр универсальный МТУ// Датчики и преобразователи информа-
ции систем измерения, контроля и управления: Сборник материалов XII Науч-
но-технической конференции. Под ред. Проф. Азарова В.Н. – М.: МГИЭМ,
2000. – С. 165-166.
8. Полищук И.Н., Мамаев Р.Ф., Емец С.В. Возможности микропроцес-
сорного измерительного преобразователя НПП «Грант» при работе с датчиками
избыточного давления «Старт»// Датчики и преобразователи информации сис-
тем измерения, контроля и управления: Сборник материалов XIII Научно-
18
технической конференции. Под ред. Проф. Азарова В.Н. – М.: МГИЭМ, 2001. –
С. 295-296.
9. Полищук И.Н., Мамаев Р.Ф., Емец С.В. Возможность коррекции ста-
тических характеристик многоканальных измерительных преобразователей//
Датчики и системы: Сборник докладов международной конференции. Том III. –
СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. – С. 192-195.
10. Емец С.В., Полищук И.Н. Гидравлический динамометр// Датчики и
преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Сбор-
ник материалов XIV Научно-технической конференции. Под ред. Проф. Азаро-
ва В.Н. – М.: МГИЭМ, 2002. – С. 128-129.
11. Аминев Ф.М., Асадуллин М.З., Галиакбаров В.Ф., Емец С.В., Ковшов
В.Д., Коробков Г.Е., Полищук И.Н. О возможности использования интеллекту-
альных датчиков давления в системах контроля утечек магистральных газопро-
водов// Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и
управления: Сборник материалов XIV Научно-технической конференции. Под
ред. Проф. Азарова В.Н. – М.: МГИЭМ, 2002. – С. 129-130.
12. Емец С.В., Полищук И.Н. Формирование математических моделей
датчиков в условиях некорректных данных// Методы, средства и технологии
получения и обработки измерительной информации: Сборник трудов междуна-
родной научно-технической конференции, посвященной памяти заслуженного
деятеля науки и техники, д.т.н., профессора Е.П. Осадчего. – Пенза, 2002. – С.
113-114.
13. Пат. 2199088 РФ, МПК G 01 D 3/02, G 01 R 35/00. Способ коррекции
статических характеристик измерительных преобразователей/ Асадуллин М.З.,
Аминев Ф.М., Галиакбаров В.Ф., Емец С.В., Ковшов В. Д., Коробков Г. Е., По-
лищук И.Н. – 2002121952/28(023559); Заявлено 11.04.02; Опубл. 20.02.03, Бюл.
5.
14. Пат. 2199089 РФ, МПК G 01 D 3/02, G 01 R 35/00. Способ коррекции
статических характеристик измерительных преобразователей/ Асадуллин М.З.,
Аминев Ф.М., Галиакбаров В.Ф., Емец С.В., Зозуля Ю.И., Ковшов В.Д., Короб-
ков Г.Е., Полищук И.Н., Сибагатуллин Н.М., Сухов Р.В. –
2002121952/28(023559); Заявлено 11.04.02; Опубл. 20.02.03, Бюл. 5.
15. Решение о выдаче патента РФ на изобретение. Способ градуировки
измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элемен-
том/ Емец С.В., Полищук И.Н. – 2002121952/28(023559); Заявлено 24.13.02;
Опубл. 16.08.02.



СОДЕРЖАНИЕ