WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

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 консультант: 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 авиационного 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) получили широкое распространение в нефтяной и газовой промышленности. Диапазон их применения чрезвычайно велик. Почти все технологические операции, начиная c 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 информационноизмерительной 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 элементом.

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 многоканальных 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 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:

1. Метод коррекции статических характеристик многоканальных измерительных преобразователей.

2. Способ коррекции статических характеристик ИП, позволяющий обрабатывать экспериментальные данные, содержащие промахи и выбросы.

3. Метод градуировки измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом.

4. Измерительный преобразователь давления МТУ, разработанный при непосредственном участии автора и внедренный в промышленность.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 «Геотрансгаз, ЗАО «Ханты-Мансийская нефтяная компания», НПО «Буран», ОАО «Самотлорнефтегаз», ОАО «ТНК-Нижневартовск», НПП «Элмаш», ОАО «Уренгойская НГРЭ», ООО «Чегис-М», СП «Татех», ООО «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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, дана общая характеристика выполненной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены выпускаемые серийно отечественной промышленностью датчики и системы измерения давления. Отмечено, что метрологические характеристики лучших приборов далеко не всегда удовлетворяют современным требованиям.

Исследованы полупроводниковые ИП на примере интегральных тензометрических преобразователей (ИТП). Рассмотрены влияющие факторы и определены метрологические характеристики ИТП.

Показано, что для полупроводниковых тензорезистивных преобразователей характерны влияние термических напряжений на аддитивную составляющую температурной погрешности и температурная зависимость чувствительности тензопреобразователей.

Проанализированы существующие способы коррекции статических характеристик ИП. Отмечены основные недостатки пассивных и активных методов уменьшения составляющих температурной погрешности, связанные со сложностью подбора элементов корректирующих цепей, а также с их громоздкостью и ограниченным рабочим диапазоном. В ходе анализа выявлена актуальность проведения работ по созданию алгоритмических способов коррекции статических характеристик ИП, позволяющих улучшить метрологические характеристики и упростить настройку приборов, использующих в качестве первичных преобразователей полупроводниковые датчики.

Во второй главе рассмотрен общий случай математической модели многоканального ИП с влияющими друг на друга измерительными каналами, и определена 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, воспринимающего 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 позволяет, в том числе, выделить влияющий фактор и использовать его в качестве дополнительного параметра. Упомянутый метод позволяет решить задачу коррекции взаимного влияния каналов ИП и устранить погрешности от нелинейности 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, метод. Проиллюстрируем его на примере трехканального ИП, на входе которого действуют величины х1, х2 и х3, а на выходе – y1, y2 и y3, находящиеся в функциональной зависимости от входных величин ИП. Суть предложенного способа заключается в описании передаточных функций измерительных каналов преобразователя 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 введения коррекции необходимо, чтобы для любых разрешенных значений входных 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 х3. Тем самым будет описано поведение потенциала значений величины у1 по хдля всех сочетаний значений величин x2 и х3.

Следующим этапом проводится аппроксимация параметров аj функции 1(у1) по величине x2. Результатом аппроксимации являются значения параметров bj функции 1(аj), индивидуальные для каждого значения величины x3. Таким образом, описывается поведение потенциала значений величины у1 в скалярном поле, образованном величинами х1 и х2, для всех значений величины x3.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»