Разработка канала для комплексной скважинной аппаратуры

Тогда:

(4.19)

(4.20)

5 Анализ погрешностей

5.1 Основная погрешность канала измерения температуры

Основная погрешность проявляется при нормальных условиях (температура окружающей среды 20 ºС, относительная влажность воздуха от 45 до 75 %, давление 100 кПа). В ее состав входят погрешность первичного преобразователя и погрешность АЦП.

Погрешность первичного преобразователя включает в себя две составляющие:

1) Погрешность математической модели (из-за нелинейности модели преобразования). При использовании модели (4.4) погрешность в диапазоне температур от 0 до 120 ºС не превышает Δ₁ =±0,015 ºС .

2) Погрешность определения параметров модели при индивидуальной калибровке. Ограничена возможностями по точности образцовых средств измерения и составляет Δ₂ =±0,03 ºС

Погрешность АЦП также складывается из нескольких составляющих.

1) Погрешность опорного резистора. Класс точности резистора 0,05 , т.е. относительная погрешность составляет δ _{R 0} =±0,05 %.

Поскольку код АЦП определяется по формуле:

,

то δ _{R 0} = δ _Rt =±0,05 %.

Пусть

,

где 1/ºС – ТКС термистора. Тогда:

ºС (5.1)

1) Погрешность из-за шума АЦП. Шум АЦП зависит от режима работы, который определяется пределом измерения (2,56 В ) и частотой смены данных (SF =81 или f =16,8 Гц ). Для данного режима среднее квадратическое отклонение (СКО) шума АЦП составляет мкВ . Относительное СКО шума определяется по формуле:

ºС

ºС (5.2)

2) Погрешность из-за нелинейности АЦП пренебрежимо мала.

Суммарная основная погрешность определяется по формуле:

ºС (5.3)

Анализ показал, что основная погрешность определяется, главным образом, погрешностью калибровки первичного преобразователя и составляет ºС .

5.2 Дополнительная погрешность канала измерения температуры

Дополнительная погрешность складывается из погрешности опорного резистора и погрешности АЦП.

1) Погрешность опорного резистора. Относительная погрешность резистора есть его ТКС, т.е. 1/ºС .

Погрешность резистора по температуре находится по формуле:

ºС /ºС (5.4)

Это означает, что при изменении температуры окружающей среды на 1 ºС погрешность опорного резистора по температуре составит ºС .

2) Погрешность АЦП.

Аддитивная составляющая погрешности (погрешность смещения нуля) по паспортным данным не превышает и устраняется при автоматической коррекции.

Мультипликативная составляющая (ошибка коэффициента преобразования) не превышает . Тогда погрешность по температуре составит:

(5.5)

Таким образом, суммарная дополнительная температурная погрешность не превышает .

5.3 Основная погрешность канала измерения влажности

Данная погрешность определяется погрешностью измерения частоты. Последняя, в свою очередь, складывается из погрешности квантования, погрешности определения коэффициентов а₁ и а₂ при калибровке и погрешности из-за шума операционного усилителя.

1) Погрешность квантования.

Цифровой код на выходе АЦП имеет вид:

где Т_ИЗМ =0,2 с – время измерения.

Относительная погрешность квантования равна:

(5.6)

(5.7)

2) Погрешность из-за ошибки определения коэффициентов а₁ и а₂ при калибровке.

Учитывая (5.6) и (5.7), найдем абсолютную погрешность определения частоты:

(5.8)

(5.9)

Тогда:

(5.10)

Относительная погрешность определения коэффициента а₁ будет равно:

(5.11)

Абсолютная погрешность определения коэффициента а₂ находится по формуле:

(5.12)

(5.13)

Относительная погрешность этого коэффициента:

(5.14)

Найдем значения погрешности из-за ошибки определения коэффициентов отдельно для нефти и для воды.

В первом случае α=0 . Обозначим обе части равенства (4.13) буквой Д. Тогда абсолютная погрешность Δ_Д равна:

(5.15)

Относительная погрешность определения Д будет равна:

(5.16)

Относительная погрешность из-за ошибки определения коэффициентов для нефти будет равна:

(5.17)

Абсолютная погрешность:

(5.18)

(5.19)

Аналогично, находим значение погрешности для воды (α=1 ).

(5.20)

(5.21)

(5.22)

2) Погрешность из-за шума операционного усилителя:

(5.23)

где σ_Ш – среднеквадратическое отклонение шума операционного усилителя.

Поскольку данная погрешность мала, то ею можно пренебречь.

5.4 Дополнительная погрешность влагомера

Дополнительная погрешность возникает из-за температурного дрейфа усилителя, из-за нестабильности сопротивлений резисторов, входящих в состав функции преобразования, а также под влиянием температурных изменений диэлектрических проницаемостей воды и нефти.

1) Погрешность из-за температурного дрейфа усилителя. Поскольку используется двухсторонняя развертка, то происходит компенсация влияния изменений смещения нуля операционного усилителя. Поэтому этой погрешностью можно пренебречь.

2) Погрешность из-за нестабильности резисторов.

Относительная погрешность для резистора R ₁ определяется его ТКС и составляет . Тогда погрешность из-за нестабильности этого резистора по частоте будет равна:

(5.24)

Абсолютная погрешность по частоте определяется формулой:

(5.25)

Определим значение этой погрешности для нефти и для воды.

Для воды:

(5.26)

Погрешность определения величины Д :

(5.27)

(5.28)

Отсюда погрешность из-за нестабильности сопротивления резистора R ₁ для воды будет равна:

(5.29)

Аналогичный расчет производим, чтобы определить погрешность для нефти.

(5.30)

(5.31)

(5.32)

(5.33)

Погрешность для нефти примет значение:

(5.34)

Рассмотрим погрешность из-за нестабильности резисторов делителя. В функцию преобразования они входят в качестве коэффициента К , равного:

причем .

Если резисторы R ₂ и R ₃ берутся из одной партии, то их ТКС будут примерно равны. Поэтому влиянием температуры на коэффициент К можно пренебречь.

3) Погрешность от влияния температурных изменений и .

Экспериментально установлено, что наиболее подвержена температурным изменениям диэлектрическая проницаемость воды:

(5.35)

Поскольку в чистой воде величина Д равна:

то .

Абсолютная погрешность равна:

(5.36)

Это означает, что при изменении температуры окружающей среды на 100 ºС , эта погрешность составит 16 % . Это одна из наиболее существенных погрешностей влагомера.

Для коррекции этой погрешности можно использовать поправку:

(5.37)

где s – некоторый поправочный коэффициент.

6 Разработка конструкции

6.1 Разработка конструкции для первичного преобразователя температуры

Термистор, который используется в качестве первичного преобразователя, помещается в цилиндрический корпус, выполненный из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т. Внутренний диаметр корпуса составляет порядка 1,5 мм. Зазоры между термистором и стенками корпуса заполняются теплопроводящей пастой. Внешний диаметр корпуса с стороны выводов термистора составляет 9 мм, а со стороны самого термистора - 4 мм. В верхней части корпуса выполнены кольцевые проточки для резиновых колец. Это сделано для достижения герметизации при соединении первичного преобразователя с комплексной скважинной аппаратурой. Высота конструкции составляет порядка 60 мм.

Вся работа по изготовлению корпуса выполняется на токарном станке, что позволяет снизить затраты на его изготовление.

6.2 Разработка конструкции первичного преобразователя влагомера

Аналогичную конструкцию имеет первичный преобразователь канала измерения влажности. Цилиндрический корпус выполнен из высокопрочной пластмассы марки 450СА30, которая устойчива к перепадам давления и температуры. Внутренний диаметр корпуса составляет 5 мм, внешний – 7мм. Внутри корпуса расположен стальной стержень, диаметром 4 мм и высотой 50 мм. Этот стержень выполняет роль внутреннего электрода емкостного датчика. Аналогично, в верхней части корпуса имеют кольцевые проточки и резиновые кольца, предназначенные для герметизации. Верхняя часть корпуса также составляет 9 мм. Общая высота конструкции 90 мм.

7 Технико-экономическое обоснование

Повышение экономической эффективности производства является важнейшей задачей промышленности. Поэтому технико-экономическое обеспечение является важнейшим этапом при разработке новых ИИС и устройств.

Разработка нового продукта - это наиболее длительный и дорогостоящий этап. Выбирается тип и качество материала, разрабатываются технологии производство или покупка материалов, имеющихся на рынке или разработка новых, разработка конструкции продукта, определение возможности использования имеющегося оборудования или закупка нового.

7.1Оценка экономической эффективности проекта

Для оценки экономической эффективности проекта нужно сделать оценку отдельным статьям расходов.

7.1.1 Расчет затрат и стоимости проекта

Определение денежных затрат и времени на разработку системы, а также перечень работ по технической подготовке производства приведен в табл. 7.1.

Таблица 7.1

7.1 .2 Расчет количества и стоимости сырья, основных материалов и покупных изделий

Расчет себестоимости изготовления устройства ведется по следующим статьям калькуляции. К статье «материалы» относится стоимость материалов, которые входят в состав проектируемого устройства, а также вспомогательных материалов, используемых при изготовлении прибора. Расчет всех затрат материалов для изготовления печатной платы сведен в таблицу 7.2

Таблица 7.2

Расчет стоимости покупных готовых изделий и полуфабрикатов, входящих в сведен в таблицу 7.3

Таблица 7.3