НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Василюк

Володимир Михайлович

УДК 536.53+621.382.5

ВИМІРЮВАЧІ ТЕМПЕРАТУРИ З ВИКОРИСТАННЯМ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

ДЛЯ КОНТРОЛЮ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ТРАНСПОРТУВАННЯ І ЗБЕРІГАННЯ НАФТИ

ТА НАФТОПРОДУКТІВ

05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету " Львівська політехніка " Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Столярчук Петро Гаврилович

Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Метрологія, стандартизація та сертифікація”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лах Володимир Іванович, президент АТ “Термоприлад”

доктор технічних наук, професор, Федик Іван Іванович, член-кореспондент Російської академії наук, лауреат Державної премії, Заслужений діяч науки і техніки Росії, директор НВО “Луч”

Провідна установа:

Державний науково-дослідний інститут “Система”, відділ розроблення наукових, методичних та технічних основ метрологічного забезпечення ВІС та АСКТП, Львів.

Захист відбудеться “ 23 ” лютого 2001р. о 16.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті "Львівська політехніка", 79013, Львів, вул. С.Бандери 12, ауд. 226 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів, вул.Професорська,1).

Автореферат розісланий 22 січня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах постійного зростання світових цін на енергоносії особливо актуальним стає їх комерційний облік. Це вкрай необхідно для України, через територію якої проходять основні нафто- та газопроводи в Європу. Складність технологічних процесів при підвищеному тиску i великих швидкостях нафтопродуктів трубопроводами вимагає вдосконалення єдиного автоматизованого технологічного комплексу. У великій мірі це стосується покращання метрологічних та експлуатаційних характеристик засобів вимірювання багатьох параметрів нафтопродуктів для створення сигналів керування вимірювальним комплексом. Це призводить до зменшення втрат обліку нафтопродуктів через недосконалість вимірювальних засобів.

Основною фізичною величиною, яка безпосередньо пов'язана з вимірюваннями параметрів рідин та газів, продуктивністю перекачувальних станцій, надійністю технологічного обладнання є температура. Так, вимірювання температури нафти навіть з похибкою ±0,5 К призводить до втрат десятків тисяч тон нафти при теперішніх об`ємах перекачування. Тому вдосконалення як методів, так i засобів вимірювання температури, є актуальним.

Відомо, що для зменшення втрат нафтопродуктів до значень, якими можна нехтувати на практиці, похибка вимірювання температури не повинна перевищувати +0,2 К в діапазоні -50 0С до 200 0C. Забезпечити таке значення похибки сучасними вітчизняними засобами при зміні впливних величин довкілля досить складно, а з використанням імпортних засобів - дорого.

Серійні первинні перетворювачі, які використовуються для аналогічних вимірювань, виготовляються з чистих металів, а саме: платини, міді та нікелю. Заміна їх альтернативними дешевими перетворювачами при масовому їx використанні принесе суттєвий економічний ефект. Крім цього, при використанні автоматизованих систем контролю виникають проблеми метрологічного забезпечення, в діапазоні температур (-50ё200) 0С. Це вимагає створення первинних перетворювачів температури з чітко нормованими номінальними статичними характеристиками або з можливістю простого їх відтворення на практиці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження безпосередньо пов'язані із планами впровадження нової техніки та передової технології на об'єктах ДАТ "Магістральні нафтопроводи "Дружба" за темою "Впровадження портативних цифрових термометрів для оперативного контролю температури нафти на потоці" - (п. 24) та у відповідності до "Планів організаційно-технічних заходів з підвищення надійності та ефективності експлуатації об'єктів ДАТ "Магістральні нафтопроводи "Дружба" по облаштуванню вузлів обліку нафти нафтоперекачувальних станцій "Броди" та "Карпати" вимірювачами температури" і "Плану науково-дослідних та експериментально-конструкторських робіт" на 2000 р.

У виконанні цих робіт автором розроблено концепцію автоматизованого вимірювального комплексу для контролю технологічних параметрів транспортування нафтопродуктів. Також приймав безпосередню участь у виконанні та впровадженні робіт.

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень - створення теоретичних, технологічних та метрологічних засад прецизійного вимірювання температури нафти при транспортуванні в магістральних трубопроводах.

Відповідно до поставленої мети завданнями дослідження були:

- критичний аналіз існуючих первинних перетворювачів температури та виявлення шляхів синтезу нових термоперетворювачів адаптивних до контролю температури в трубопроводах;

- синтез фізико-математичної моделі та принципів побудови перетворювачів температури на основі pn-переходу;

- дослідження моделей статичних характеристик термодіодного перетворювача;

- розроблення, синтез та дослідження теорії компенсаційної лінеаризації і оптимізації параметрів перетворювачів температури на pn-переходах та терморезисторах;

- теоретичний аналіз та синтез схем цифрових та інтелектуальних засобів вимірювання температури;

- узагальнення отриманих результатів та формулювання рекомендацій щодо виготовлення термометрів на основі pn-переходу для неперервного контролю температури при транспортуванні нафти в магістральних трубопроводах.

Об'єкт дослідження - комерційний облік нафти та нафтопродуктів при транспортуванні та зберіганні.

Предмет дослідження - методи і засоби вимірювання температури і нафтопродуктів в трубопроводах та їх метрологічне забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що

- на основі аналізу і систематизації основних проблем вимірювання температури в трубопроводах отримали подальший розвиток теоретичні аспекти побудови первинних перетворювачів на основі рn-переходу та визначено напрямки їх дослідження;

- вперше на основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено математичну модель перетворювача температури, яка досконало описує фізичні процеси в pn-переході, завдяки чому отримано аналітичний опис відтворюваної статичної характеристики за двома реперними параметрами;

- встановлені критерії до вибору pn-переходу та режиму роботи для забезпечення часової стабільності перетворювачів температури із врахуванням заданого температурного діапазону;

- розроблені теоретичні засади щодо забезпечення взаємозамінності термодіодних перетворювачів;

- запропоновано новий метод лінеаризації нелінійної статичної характеристики перетворювача в цифрових термометрах та досліджено його граничні можливості.

Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних та експериментальних досліджень дозволили вирішити проблему створення високоточних термометрів на основі pn-переходу для поточного контролю температури при транспортуванні нафти в магістральних трубопроводах з допустимою похибкою, що задовольняє потреби її обліку при міждержавному передаванні.

На основі отриманих теоретичних та експериментальних результатів були створені перші промислові зразки термометрів для неперервного вимірювання температури при транспортуванні нафти в магістральних трубопроводах, які пройшли метрологічну атестацію і промислові випробування. За безпосередньої участі автора були сконструйовані, досліджені та впроваджені в ДАТ "Магістральні нафтопроводи "Дружба" цифрові термометри в кількості 100 штук. Результати промислової експлуатації цих термометрів викликали інтерес з боку країн-імпортерів нафти і газу з метою оснащення їхньої частини трубопроводу цими термометрами.

Теоретичні результати роботи використовуються у навчальному процесі в ДУ "Львівська політехніка" при підготовці студентів за спеціальністю "Якість, стандартизація та сертифікація" в курсі "Чутливі елементи та схеми уніфікації4' напрямку "Метрологія та вимірювальна техніка".

Вірогідність результатів. Вірогідність отриманих результатів обумовлена коректністю виконаних експериментів, математичних моделей та розрахунків і підтверджується доброю збіжністю між результатами теоретичного аналізу та експериментальних досліджень. Експлуатація першої партії термометрів на основі кремнієвого pn-переходу на трубопроводі ДАТ “Магістральні нафтопроводи “Дружба” підтверджують одержані наукові результати.

Особистий внесок здобувача. Основний зміст роботи, основна частина теоретичних та експериментальних досліджень, висновки і рекомендації виконані автором самостійно.

Автором проаналізовані і теоретично обґрунтовані фізичні процеси в рn-переході з метою одержання однозначних залежностей вихідного сигналу перетворювача від температури, виконано математичне моделювання і одержано однозначну номінальну статичну характеристику, проведено експериментальні дослідження відтворюваності температурних характеристик, здійснена лінеаризація та оптимізація параметрів цифрових термометрів, синтезовані схеми цифрових термометрів з використанням термоперетворювачів на рn-переході із врахуванням умов довкілля, розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення. За участю автора створені перші промислові зразки інтелектуальних приладів вимірювання температури і поставлені на промислову експлуатацію. Зроблені вдосконалення ядерно-квадрупольного робочого еталону температури.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-практичній конференції "СТРЕС-97" (Партенід, 1997), міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології "СІЄТ-99" (Київ, 1999), V-й міжнародній конференції "Ядерная энергетика в космосе" (Подольск, Моск. обл. 1999), міжнародному симпозіумі "Тhе 7-th Іnternational Symposium on Temperature and Thermal Measurement in Industry and Science ТЕМРМЕКО 99 (м. Дельфт, Нідерланди, 1999), міжнародному семінарі "Metody і technika przetwazania sygnalow w pomiarach fizychnych" (Жешів," Польща, 1999), ІІ-ій міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія та вимірювальна техніка" (Харків, 1999).

Публікації. Результати роботи висвітлені в 6 статтях фахових наукових журналів та 3 збірниках наукових праць та 4 матеріалах і тезах конференцій, симпозіумів та семінарів.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п`яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 100 найменувань та 3 додатків, викладених на 133 сторінках. Робота проілюстрована 18 рисунками (9 стор.) та 11 таблицями (4 стор.) і додатками на 19 сторінках.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі зазначена актуальність теми досліджень, показано зв`язок роботи з науковими темами, сформульовані мета та основні задачі дисертаційної роботи, визначені наукова новизна та практична цінність.

У першому розділі окреслені основні проблеми вимірювань при транспортуванні нафтопродуктів, наголошено на необхідності створення комплексної системи управління нафтопроводами.

Проведений аналіз стану сучасного вимірювального парку показав необхідність підвищення точності вимірювання параметрів і характеристик нафтопроводів і в першу чергу температури, тиску і витрат. Високоточні вимірювання температури в технологічному процесі транспортування нафти та нафтопродуктів є необхідними не тільки з технологічної точки зору, але і для зменшення похибок, особливо при вимірюванні тиску та витрат, діапазон вимірюваних температур, при цьому, лежить у межах від -60 0С до +200 0С. На основі аналізу технології транспортування нафти та нафтопродуктів встановлені основні вимоги до первинних перетворювачів температури: висока швидкодія, мала похибка вимірювання температури (до ±0,1 0С), малі розміри (при вимірюванні температури чутливих елементів перетворювачів тиску та витрати, обладнання та інші), можливість самодіагностики.

Показано, що перспективним чутливим елементом для створення перетворювачів температури є pn-перехід. Для реалізації таких перетворювачів необхідним є проведення наукових досліджень та розроблення математичної моделі термоперетворювача з метою вивчення їх точності та довгострокової часової стабільності, встановлення критеріїв для забезпечення їх уніфікації, похибки вимірювання, інерційності при їх роботі в складі комплексної автоматизованої системи управління нафтопроводом.

У другому розділі показано, що на сьогодні не існує точної і простої для практики математичної моделі, в якій би відображались всі основні фізичні процеси, характерні для використання напівпровідникових переходів як термоперетворювачів, не зважаючи на величезну кількість публікацій, присвяченій їх теорії роботи як схемотехнічних елементів. Основним недоліком, який практично унеможливлював практичне використання напівпровідникових перетворювачів температури (НПТ), є великий (одиниці процентів) розкид характеристик від зразка до зразка, що потребує встановлення індивідуальних статичних характеристик (ІСХ) чутливих елементів та операцій підстроювання вторинних приладів.

Встановлено, що за електрофізичними параметрами, технологічністю та економічними показниками, шириною температурного діапазону застосування від 145К до 473К як елемента схемотехніки, на сьогодні перевагу слід віддати кремнієвому pn-переходу. Як термометричний параметр найдоцільніше вибрати напругу анод-катод pn-переходу при постійному прямому струмі. Вихідним рівнянням для встановлення фізико-математичної моделі pn-переходу є рівняння Шоклі

, (1)

де Uпр- напруга на прямо-зміщеному p-n переході; IS- струм насичення; IR- струм рекомбінації; rб – опір бази; - температурний потенціал; k - стала Больцмана; Т - температура p-n переходу; q - заряд електрона.

Проведений аналіз цього рівняння показав, що для побудови НПТ потрібно використовувати напівпровідникові надвисокочастотні структури з тонкою високоомною базою, при цьому забезпечується найменший вплив розкиду їх технологічних та конструктивних параметрів. Для повного уникнення впливу вказаних факторів і з метою досягнення часової стабільності характеристик необхідно, щоб у використаному для НПТ pn-переході виконувалась умова [1] W<<L, тобто теоретична дифузійна довжина L повинна бути набагато більшою геометричної ширини бази W. Із врахуванням вказаних умов рішенням рівняння (1) є такий вираз

, (2)

де rб(T)=[rб0Чln(1+d(T))]/d(T) – температурна залежність опору бази; rб0 – опір бази при T=T0; d(T)=d0+dTЧT – коефіцієнт інжекції; d0 - коефіцієнт інжекції при T=T0; dT – температурний коефіцієнт інжекції; q(T)=m(T)ЧJTЧjз(T); m(T)=m0+mTЧT – коефіцієнт, що враховує дрейфову складову струму; m0 – значення коефіцієнта при T=T0; mT - температурний коефіцієнт дрейфового струму; JT=0,5...1 - коефіцієнт, що враховує співвідношення між робочою та критичною температурами pn-переходу; Чjз(T)=j0-G(T)Ч(T-T0); j0 – ширина забороненої зони напівпровідника при T=T0; G(T)= G0+kGЧ(T-T0) - температурний коефіцієнт ширини забороненої зони; G0=3,20654Ч10-4 В¤К при T0=300 К; kG=7,6923Ч10-7 В¤К2.

Рівняння (2) описує температурну залежність напруги на прямозміщеному pn-переході при сталому значенні струму Iпр з урахуванням усіх факторів. Фактично це є рівняння математичної моделі p-n переходу як напівпровідникового перетворювача температури.

На базі проведених теоретичних та експериментальних досліджень зроблені такі висновки: довгострокова стабільність НПТ набагато вища стабільності напівпровідникових терморезисторів і знаходиться на рівні платинових термометрів опору; кремнієві термодіодні сенсори працездатні в діапазоні від 1 до 473 К; розбіжність між теоретичною та експериментальною температурними залежностями, а також нелінійність НПТ в діапазоні 213...473 К не перевищує 2 мВ [1]. Встановлено також, що при струмах до 0,1 мА не виявлено перегріву pn-переходу.

Для спрощення ідентифікації математичної моделі та розроблення прийнятної для практики процедури уніфікації НПТ було проведено експериментальні дослідження великої кількості кремнієвих pn-переходів. В результаті цих досліджень встановлено, що у межах похибки визначення математичної моделі температурні функції коефіцієнтів d(T) та m(T) не залежать від розкидів параметрів pn-переходів, тому їх можна апроксимувати лінійними функціями d(T)=3.846Ч10-4T+1.118019, m(T)=5.3846Ч10-4T+0.965227. При фіксованому значенні прямого струму через діод залежність напруги Uпр на прямозміщеному p-n-переході у першу чергу визначається опором бази rб(T) і струмами IR0, IS0. Із врахуванням сказаного температурну залежність прямої напруги термодіода можна подати у такому вигляді [5]

, (3)

де невідомими є rб0 та параметр А, який враховує струми IR0 та IS0.

Значення параметрів rб0 та А не залежать від температури і згідно із виразом (3) їх можна визначити за двома експериментальними температурними точками характеристики термодіода. Ці температурні точки можуть вибиратися довільно, але на практиці доцільно вибрати реперні точки у вимірювальному діапазоні, які прецизійно та відносно просто відтворюються, наприклад, потрійна точка T1=0,01 0С та точка кипіння T2=+100 0С води.

Таким чином, вимірявши значення прямих напруг Uпр(T1) і Uпр(T2) при реперних температурах T1 і T2 термодіода, параметри rб0 та А визначаються за формулами

, (4)

, (5)

де ; .

Справедливість запропонованої моделі температурних залежностей була експериментально перевірена для великої кількості сенсорів. Розроблена також інженерна методика і програмне забезпечення для відтворення статичних температурних характеристик НПТ.

Третій розділ присвячений одній із центральних проблем вимірювання температури з допомогою НПТ взагалі, і цифрових термометрів зокрема, - лінеаризації загальної функції перетворення. Рішенню цієї проблеми присвячена велика кількість робіт, в яких розглядаються різноманітні методи лінеаризації. Важливо знайти оптимальний метод лінеаризації для використання в ЦТ. Відмітимо, що проблема лінеаризації невідривно пов'язана із проблемою уніфікації НПТ.

В роботі вперше запропоновано компенсаційний метод лінеаризації загальної функції перетворення цифрових термометрів, який реалізується в інтегруючих АЦП шляхом формування опорної напруги як алгебраїчної суми сталої напруги та частини вхідної [4, 6]

, (6)

де NT – вихідний код АЦП; к – масштабний коефіцієнт; Uвх – вхідна напруга АЦП; E0 – опорна напруга АЦП; - коефіцієнт передачі вхідної напруги в коло лінеаризації.

Математично розв'язок задачі лінеаризації існує, якщо задовільняються такі умови: статична характеристика перетворення НПТ є монотонною і її друга похідна в будь-якій точці характеристики не повинна змінювати знак. Фізично це означає, що статична характеристика перетворювача не повинна містити точок перегину. Статична характеристика перетворення НПТ задовільняє вказаним вище умовам у всьому діапазоні перетворення, тому для її лінеаризації доцільно використовувати запропонований метод. Для оптимізації розроблено алгоритм і програму для мінімізації методичної похибки лінеаризації шляхом вибору оптимальних значень напруги Е0 та коефіцієнта В. Алгоритми оптимізації базуються на використанні рівномірної (Чебишовської) апроксимації, яка забезпечує збіжність для будь-яких монотонних статичних характеристик НПТ і дає можливість досягти найменшої абсолютної похибки наближення [4,7]. Крім цього, розрахунок параметрів за цим методом проводиться на основі таблично заданих експериментальних даних статичної характеристики НПТ, що виключає можливу похибку проміжної апроксимації і робить останню взагалі непотрібною. Встановлено, що використання схеми лінеаризації з параметрами, вибраними оптимальним чином, зменшує нелінійність характеристик НПТ у 30...100 разів. Встановлені також межі застосування запропонованого методу лінеаризації і показано, що оптимальним з умови мінімаксного наближення можна вважати такий вибір ширини діапазону лінеаризації та значень усіх коренів температурної залежності НПТ, при якому локальні мінімуми та максимуми чергуються, а їх значення є однаковими (рис. 1).

В умовах експлуатації нафтопроводів результат вимірювання є функцією декількох величин. Найчастіше це зумовлюється впливом температури довкілля, наприклад, в давачах тиску, Для лінеаризації характеристик таких сенсорів використаємо узагальнення схеми лінеаризації [4]. В цьому випадку вихідний цифровий код АЦП можна представити формулою

, (7)

де - масштабний коефіцієнт; - інформаційний сигнал сенсора, що характеризує вимірювану величину в залежності від температури t; - опорна напруга;- напруга зміщення, що характеризує зміщення нуля; - температурний сигнал; B1, B2 і B3 - параметри, що визначають коефіцієнти передачі відповідних сигналів в коло лінеаризації.

Складність цієї задачі полягає в тому, що вона зводиться до розв'язування системи нелінійних рівнянь. Для знаходження апроксимації (7) за методом найменших квадратів запропоновано використати ітераційний метод із змінною ваговою функцією, в результаті чого нелінійна задача зводиться до ітераційного розв'язування лінійних рівнянь із змінними ваговими функціями. Оскільки в методі найменших квадратів параметри апроксимації слабо залежать від вагової функції, то ітераційний процес збігається досить швидко [3]. Для експериментальних даних досліджуваних зразків тензосенсорів ітераційна схема збігалась за 3-4 ітерації.

У четвертому розділі розглянуті питання практичної реалізації цифрових термометрів для роботи з НПТ. На рис. 2. показана схема розробленого цифрового термометра. Джерело стабільної напруги реалізоване на основі параметричного стабілізатора 3. На операційному підсилювачі 2 виконана вхідна вимірювальна схема. Термодіодний сенсор 1 увімкнений у коло зворотнього зв`язку підсилювача струму. Значення струму через термодіод визначається напругою E стабілізатора та опором струмозадавального резистора R3. Подільником R1 та R2 із стабільної напруги E формується напруга, значення якої рівне напрузі на термодіоді при температурі T0=273,15 K для отримання показів приладу в шкалі Цельсія. З допомогою суматора формується опорна для АЦП напруга (схема компенсаційного зв'язку в термометрі).

Значення Е і R задаються індивідуально для конкретної реалізації з метою забезпечення уніфікації (взаємозамінності) термодіодних сенсорів при виробництві цифрових термометрів. Термодіод увімкнений в коло зворотнього зв'язку операційного підсилювача DA1 і через нього протікає стабільний струм Iпр. Вихідна напруга підсилювача Uвх дорівнює

, (8)

де - напруга на неінвертуючому вході підсилювача;

- опорна напруга джерела опорної напруги (стабілітрон на рис.2).

Для отримання результатів вимірювання в шкалі Цельсія значення напруги на неінвертуючому вході повинно дорівнювати значенню напруги термодіода при T=T0=273,15K.

Як показали результати експерименту, в діапазоні від -60 до +200 0С значення похибки цифрового термометра не перевищує ±0,5 0С. При великій загальній нелінійності термодіода запропоновано автоматично змінювати струм через нього пропорційно до напруги на прямо-зміщеному pn-переході з допомогою резистора Rзз від`ємного зворотнього зв`язку (рис.3). Завдяки цьому можна в декілька разів зменшити еквівалентну нелінійність первинного перетворювача температури, що й було підтверджено результатами математичного моделювання та проведеними експериментами. Для подальшого зменшення похибки від нелінійності використовується розроблений метод компенсаційного зворотнього зв'язку. На рис.4 показаний графік температурної залежності похибки лінеаризації як функція від значення опору резистора Rзз від`ємного зворотнього зв`язку.

Одним із радикальних методів зменшення похибки лінеаризації або ж розширення діапазону вимірювань є використання відрізково-дробово-раціональної лінеаризації загальної функції перетворення цифрових термометрів. Ідея відрізково-дробово-раціональної лінеаризації полягає в оптимальному розбитті діапазону вимірювань на відрізки, в межах яких методична похибка не перевищуватиме допустимих значень. Знайти тривалості ділянок лінеаризації найдоцільніше за методикою поданою в третьому розділі дисертації. В кінцевих точках ділянок лінеаризації здійснюється перемикання коефіцієнта В та опорної напруги UОП. Для усунення порушення монотонності поточного результату перетворення вказані перемикання повинні виконуватись тільки в масштабі реального часу - для інтегруючих АЦП під час розряду інтегруючого елемента. Принципово нові можливості відкриває використання такої лінеаризації в інтелектуальних цифрових термометрах. За методикою, поданою у розділі 3, визначаються тривалості ділянок апроксимації tлi, відповідно і значень температур qлі. Для кожної з ділянок визначається значення опорних напруг UОПі та коефіцієнтів поділу Ві. При вводі в мікроконтролер послідовного коду пропорційного Uс в реальному масштабі часу, а при вводі паралельного коду - на базі математичної моделі, аналогічно до (4),

розраховується значення результатів вимірювань.

Інтелектуальні вимірювальні прилади завдяки адаптації вимірювальної системи до умов експлуатації, дозволяють реалізувати уніфікацію та лінеаризацію характеристик НПТ. Окрім цього, в них періодично або неперервно виконується діагностика основних вузлів електричної схеми з подальшою корекцією режимів роботи. В основі принципу побудови інтелектуальних приладів лежить децентралізована архітектура програмно-керованих аналого-цифрових та цифро-аналогових вузлів, управління і синхронізація роботи якими здійснюється блоком мікропроцесорного контролера. Оскільки ефективність і надійність програмного забезпечення мікроконтролера визначає основні експлуатаційні та метрологічні характеристики приладу в цілому, то його розробленню приділяється особлива увага. Показано, що програмне і математичне забезпечення для інтелектуальних мікропроцесорних пристроїв слід розробляти на оптимальних з точки зору кількості операцій, об'єму пам'яті та точності алгоритмах, оскільки від цього залежить досконалість пристрою та його конкурентноздатність.

В цьому ж розділі розроблений метод апроксимації експериментальних таблично заданих функцій двох змінних для їх аналітичного представлення з необхідною точністю в інтелектуальних засобах вимірювання на прикладі тензорезистивного сенсора, сигнал якого є функцією тиску і температури навколишнього середовища [3]. Метод дає можливість апроксимації табличної функції двох змінних із зведеною похибкою 0.048% на прикладі промислового перетворювача тиску ТГ-2.5, що відповідає сучасному світовому рівню точності для приладів такого типу.

Розроблений також інтелектуальний перетворювач температури, який являє собою мультипроцесорну аналого-цифрову систему вимірювання і обробки даних, що функціонує за принципом відкритих архітектур. Основою побудови цифрової частини сенсора вибрані два мультисигнальні RISC-контролери гарвардівського типу з розподіленими функціями. Давач розрахований для роботи з напівпровідниковими та металевими терморезистивними типами сенсорів: платиновими, мідними, нікелевими. У пристрої виконуються операції попереднього статистичного оброблення вимірювальних даних (усереднення, корекція аномальних результатів вимірювань), діагностика, лінеаризація індивідуальних градуювальних характеристик первинних перетворювачів та автокалібрування з програмною компенсацією похибок аналогового тракту, що в кінцевому результаті підвищує метрологічну надійність і точність вимірювань.

Код результату вимірювання через вузол комунікаційного інтерфейсу програмно-апаратно конвертується в один із стандартних цифрових комунікаційних протоколів (RS232, USB) та код аналогового вихідного сигналу 4 - 20 мA.

У п`ятому розділі показано, що для метрологічного забезпечення засобів вимірювання температури в лабораторних і польових умовах експлуатації магістральних нафтогазопроводів як зразковий найдоцільніше використовувати ядерно-квадрупольний робочий еталон температури, який має високу відтворюваність температурної залежності частоти ЯКР, що є фізичною властивістю речовини, використаної як чутливий елемент. На основі досліджень матеріалів KClO3, Сu2O і КReО4, вибрано термометричну речовину та підтверджено можливість реалізації ЯКР-термометра з температурним діапазоном від 10 до 800 К. Розроблена конструкція первинного перетворювача температури у вигляді твердотільного полікристалістичного тороїда, випресуваного з порошку під великим тиском, дозволила втричі (до 7 сек.) зменшити сталу теплової інерції ЯКР-перетворювача [8]. Розроблений термометр складається з виносного сенсора з детектором ЯКР, блоку аналого-цифрового оброблення сигналів з цифровим дисплеєм та інтерфейсом зв'язку із зовнішніми пристроями – наприклад, персональною ЕОМ при необхідності відтворення температури з похибкою 1мК. Управління процесом вимірювання, внутрішня математична обробка результатів, діагностика працездатності основних вузлів виконується однокристальною ЕОМ. При реалізації переносного ЯКР-термометра з мікропроцесорним обробленням сигналів і перетворенням резонансної частоти ЯКР в температуру виникає проблема апроксимації температурної частотної характеристики перетворювача “частота–температура”. Для забезпечення точності порядку (0,5ё1) мК проведене математичне згладжування флуктуацій частоти ЯКР в процесі вимірювання. Дослідження опублікованих експериментальних даних показали, що при одержаних флуктуаціях під час вимірювань безпосереднє наближення функції вихідного сигналу ЯКР f(n) призводить до складних аналітичних виразів і не дає достатньої точності. В зв'язку з цим було використано узагальнений алгоритм Ланцоша для попереднього згладження експериментальних даних. Для апроксимації згладжених даних використовувався алгоритм рівномірного наближення сплайнами з заданою похибкою з трьох ланок – многочленів сьомого ступеня. Значення максимальної абсолютної похибки наближення не перевищувало 0,001 К в діапазоні вимірювання (77 ё 400) К [10].

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА висновки

1. Розроблено теоретичні основи термоперетворювачів на основі кремнієвого pn-переходу.

2. Вперше синтезована фізико-математична модель для дослідження різноманітних характеристик і режимів роботи pn-переходу в якості температурного сенсора. На відміну від інших, модель дозволяє з точністю до 0,1 К відтворити статичну температурну характеристику за двома експериментальними точками в діапазоні від мінус 80 0С до 200 0С.

3. За допомогою розробленої моделі та статичних характеристик запропоновано критерії вибору режиму роботи та типу pn-переходу для виготовлення термодіодних перетворювачів.

4. Запропоновано і теоретично обґрунтовано новий метод лінеаризації характеристик цифрових вимірювальних пристроїв шляхом введення компенсаційного зворотного зв`язку за інформаційним сигналом.

5. Розроблено алгоритм визначення оптимальних параметрів елементів схеми лінеаризації, реалізований в системі комп`ютерної алгебри Maple V Release 3. Розроблено відповідне програмне забезпечення. Експериментальні дослідження показали, що використання схеми лінеаризації з параметрами, вибраними оптимальним чином, зменшує нелінійність функції перетворення в 30-100 разів.

6. На основі фізико-математичної моделі розроблено теоретичні основи розрахунку температурної характеристики термодіодного сенсора. Запропонований спосіб дозволяє в практичних умовах оперативно розраховувати параметри компенсаційного зв`язку і, тим самим, відновити калібровку термометра. Розроблено також відповідне програмне забезпечення.

7. Запропоновано і теоретично обґрунтовано аналого-цифровий метод лінеаризації цифрових приладів з нелінійними сенсорами, вихідний цифровий сигнал яких функціонально залежить від двох величин, з мінімізацією методичної похибки лінеаризації.

8. Розроблено алгоритм мінімаксної поліномінальної апроксимації таблично заданих залежностей двох змінних для інтелектуальних вимірювальних перетворювачів температури і тиску.

9. На основі теоретичних досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, розроблено ряд практичних цифрових термометрів, в т.ч. інтелектуальних, які пройшли повний цикл випробувань, сертифіковані Держстандартом України і успішно експлуатуються в ДАТ “МН “Дружба”, у вугільній та харчовій промисловості.

10. Розроблено алгоритм для розв`язання задачі апроксимації температурно-частотної характеристики еталонного ЯКР-термометра з попереднім згладжуванням виміряної частоти ЯКР, що дозволило зменшити похибку вимірювання температури до 0,5 К.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Василюк В.М. Принципи побудови високоточних температурних сенсорів на основі p-n-переходу // Міжвідомчий науково-тенічний збірник “Вимірювальна техніка та метрологія”, № 53. – Львів: ДУ “Львівська політехніка”, 1998. С. 70-76.

2. Василюк В.М., Леновенко А.М. Електронний цифровий термометр. // Праці І міжнародної конференції “Сучасні технології ресурсо-енергозбереження”, кн.2. –Партенід, 1997. –С.57-58.

3. Василюк Володимир, Попов Ярослав. Алгоритм аналітичного представлення таблично заданої функції двох змінних для вимірювальних пристроїв // Книга за матеріалами 4-ої науково-технічної конференції “КУТС-97”, Вінниця, -1997. –Т.2. –С.177-179.

4. Василюк В.М., Леновенко А.М., малачівський П.С. Лінеаризація цифрових вимірювальних пристроїв з нелінійними сенсорами. // Вісник державного університету “Львівська політехніка” “Автоматика, вимірювання та керування”, № 366, 1999. –С. 118-122.

5. Василюк В.М., Леновенко А.М., малачівський П.С. Проектування цифрових термометрів з термодіодними сенсорами // Міжвідомчий науково-тенічний збірник “Вимірювальна техніка та метрологія”, № 56. – Львів: ДУ “Львівська політехніка”, 2000. –С. 55-59.

6. Леновенко А.М., Василюк В.М., Капітан В.І. Електронний цифровий термометр. –Патент України. - №23648А. –1998.

7. Леновенко А.М., Василюк В.М., Попов Я.Б. Проектування цифрових засобів вимірювання з нелінійними сенсорами // Відбір і обробка інформації, 1998, №12. –Львів. –С.81-85.

8. Столярчук П.Г., Васылюк В.М., Леновенко А.М. Ядерно-квадрупольный резонансный термометр // Труды V-й Международной конференции “Ядерная энергетика в космосе”, г. Подольськ, Моск. обл., РФ, 1999. -С.117.

9. V. Vasyluik, P. Stolyarchuk, V. Yatsuk. Unification, linearization, and veryfication of transistor sensor.- The 7th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science TEMPMEKO `99.- Abstracts, 1999.- p. 126.

10. Василюк В.М., Леновенко А.М. Ядерно-квадрупольний робочий еталон температури// Наукові праці II міжнародної науково-технічної конференції “Метрологія та вимірювальна техніка” (Метрологія-99), 5-7 жовтня 1999р., Харків, том 2.- сс. 18-20.

Василюк В.М. Вимірювачі температури з використанням напівпровідникових перетворювачів для контролю технологічного процесу транспортування і зберігання нафти та нафтопродуктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук спеціальністю 05.11.04 - Прилади та методи вимірювання теплових величин. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів – 2000.

Дисертація присвячена дослідженню принципів побудови термометрів з напівпровідниковими первинними перетворювачами температури, розробленню їх математичної моделі, питанням лінеаризації та уніфікації. Встановлені критерії вибору pn-переходу як стабільного температурного сенсора, запропоновані прості в реалізації методи їх уніфікації та лінеаризації. Розроблено ряд цифрових термометрів, які можуть використовуватись для контролю технологічного процесу транспортування і зберігання нафти та нафтопродуктів, в т.ч. переносні, з корекцією похибок від зміни температури довкілля, інтелектуальні. Основні отримані в дисертації результати впроваджені в державному підприємстві “Магістральні нафтопроводи “Дружба” та у вугільній промисловості.

Ключові слова: напівпровідниковий сенсор, уніфікація, лінеаризація, корекція похибок, стабільність, метрологічне забезпечення, цифровий термометр, переносний, інтелектуальний.

Vasyluik V.M. The temperature measurement units with semiconductor sensors for checking of technological process of oil and oil-product pipeline and store. Manuscript.

Thesis for scientific degree competition of the candidate of technical sciences on speciality 05.11.04. A devices and methods for heat quantities measurements.- National University “Lvivska Politechnika”, Lviv, 2000.

The thesis devotes to research of thermometer design principles, which work with semiconductor primary temperature transducers, to elaborate their working mathematical models, to research of some problem their unification and linearization. The pn-junction changing criteria were determined as a stable temperature sensor. The simple methods of unification and linearization were offered too. There are designed the same digital thermometers for checking of oil and oil-product pipeline and store technological process including hand-held devices, devices with error correction of environmental area temperature changing, intellectual units. The main of thesis work results was introduced at the state enterprise “Trunk pipeline “Druzhba” and at the coil industry.

Васылюк В.М. Измерители температуры с использованием полупроводниковых преобразователей для контроля технологического процесса транспортирования и сохранения нефти и нефтепродуктов. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - Приборы и методы измерения тепловых величин. – Национальный университет “Львивська политехника”, Львов – 2000.

Диссертация посвящена исследованию принципов построения термометров с полупроводниковыми первичными преобразователями температуры, разработке их математической модели, вопросам линеаризации и унификации с целью создания теоретических, технологических и метрологических основ прецизионного измерения температуры нефти при оперативном контроле на потоке при транспортировании в магистральных трубопроводах.

В первом разделе проанализировано современное состояние средств контроля тепловых характеристик нефти и нефтепродуктов при их транспортировке нефтепроводами. Отмечено, что для создания эффективной автоматизированной системы управления нефтепроводом в первую очередь следует обеспечить высокоточные измерения температуры, давления и расхода. При чём прецизионные измерения температуры необходимы не только с технологической точки зрения, но и для существенного уменьшения погрешностей измерения давления и расхода во всём температурном диапазоне эксплуатации нефтепроводов. Показано, что комплексу требований по быстродействию, малой погрешности измерения (не более +0,1 0С), малым размерам, возможности самодиагностики в температурном диапазоне –60…+200 0С в наибольшей мере отвечают полупроводниковые первичные преобразователи температуры на основе кремниевых pn-переходов.

Во втором разделе разработана и проанализирована математическая модель pn-перехода как преобразователя температуры, разработана методика расчёта его температурной характеристики, предложен метод унификации температурных зависимостей термодиодных сенсоров только по двум реперным точкам, например, 0 и 100 0С и предложена методика определения значений только двух изменяющихся параметров вторичного прибора.

В третьем разделе разработаны методы линеаризации температурных характеристик термодиодных сенсоров. Для переносных приборов предложен и проанализирован метод дробно-рациональной линеаризации общей функции преобразования, разработаны методики оптимального определения параметров основных узлов прибора, показаны его предельные возможности. Предложен также метод линеаризации общей функции преобразования цифровых средств измерения, информационный сигнал которых является функцией двух величин, например, давления и температуры.

В четвёртом разделе описаны структурные схемы реализованных средств измерения температуры. Приведена схема переносного цифрового термометра с дробно-рациональной линеаризацией общей функции преобразования. Предложен способ уменьшения погрешности такого прибора при расширении диапазона его измерения с помощью аналоговой либо кусочно-дробно-рациональной линеаризации. Описаны также интеллектуальные средства измерения температуры и давления с коррекцией температурной погрешности.

В пятом разделе описаны вопросы метрологического обеспечения температурных измерений при эксплуатации магистральных нефтепроводов. Показаны перспективность и описан разработанный при участии автора ядерно-квадрупольный термометр.

Ключевые слова: полупроводниковый сенсор, унификация, линеаризация, коррекция погрешностей, стабильность, метрологическое обеспечения, цифровой термометр, переносный, интеллектуальный.