2.1.1 Проектування функціональної схеми давача навантаження
Інтелектуальний давач динамометрування працює в складі програмно-технічного комплексу АСУС-02 для контролю і управління процесом нафтовидобутку. При підключенні силовимірювального тензорезистивного давача, встановленого між опорними плитами траверси канатної підвіски верстатів-качалок ШГН нафтовидобувної свердловини до вимірювально-обчислювального комплексу, утворюються електровимірювальні канали, що дозволяють в цифровому вигляді з нормованою точністю (приведена похибка 0,6%) визначати абсолютне навантаження, що діє на полірований шток верстата-качалки в залежності від його положення, і представляти вимірювальну інформацію на екранах комп'ютерів диспетчерського пункту та технологічних об'єктів у вигляді теоретичних і практичних динамограм, оброблюваних автоматично шляхом відповідних розрахунків, закладених в програму з метою обчислення кількості видобутку рідини за певний проміжок часу.
Принцип роботи давача (рисунок 2.1) полягає в наступному. Електричні сигнали з тензометричного моста 1 і з виходу давача прискорення 2, вбудованого в силовимірювальний тензорезистивний давач, подаються на відповідні два канали аналого-цифрового перетворювача 3 для почергового перетворення в цифрову форму з подальшою передачею цифрового сигналу в програмований контролер 4 давача, керуючий роботою аналого-цифрового перетворювача і забезпечують вихід цифрового сигналу через буферний перетворювач 5 і послідовний інтерфейс RS-485 на програмований логічний контролер вимірювально-обчислювального комплексу.
Управління мікросхемою давача навантаження і прискорення здійснюється від вбудованого електронного контролера 4 через виводи інтерфейсу SPI. Вбудований контролер дозволяє задати режим роботи АЦП - ініціалізацію, калібрування або перетворення.
Рисунок 2.1. Структурна схема інтелектуального давача навантаження
Структурна схема інтелектуального давача складається з:
тензометричного моста, призначений для вимірювання деформації конструкції;
контролера АСУС-02, який здійснює керування зовнішніми пристроями вводу/виводу та проводить обчислення;
аналого-цифрового перетворювача (АЦП TLC 549IP), який здійснює перетворення сигналу з аналогового в цифровий ;
мікросхеми інтерфейсу, за допомогою якої вводяться постійні величини, або виводяться певні величини для перевірки програми;
давача прискорення, призначеного для реєстрування верхньої і нижньої мертвих точок, значень прискорення у всіх точках переміщення плунжера насоса.
Сучасна електроніка дозволяє відносно просто реалізувати всі схемні елементи давача. Є готові рішення у вигляді окремих мікросхем, як для кожного елемента, так і інтегровані мікроконтролери, що мають всередині однієї мікросхеми всі ці компоненти. Однак для створення давача для роботи в складних умовах не завждипідходять типові пропоновані рішення.
Самий відповідальний і складний елемент давача - його вимірювальне коло. Воно повинно забезпечувати придушення постійних і низькочастотних перешкоду вигляді дії промислової частоти 50 Гц, а також високочастотних перешкод і випадкових викидів. Тому для забезпечення тимчасової стабільності показів давача в широкому діапазоні температур необхідно застосувати імпульсне живлення вимірювального кола тензорезисторів з використанням спеціальної знакозмінної вагової функції, завдяки чому зведені до мінімуму вплив температурного дрейфу напруги зсуву активних елементів перетворювача і перешкоди джерела живлення 50 Гц. Разом з тим, додаткова цифрова обробка результатів вимірювання дозволила знизити вплив випадкової перешкоди і нестабільності напруги живлення датчика.
Цифрова обробка вибірки дискретних значень дозволяє реалізувати не тільки цифрове інтегрування сигналу, але і різні алгоритми фільтрації, які полягають у видаленні з вибірки випадкових викидів.
Структурну схему вимірювального каналу, реалізовано на рис.2.2.
Рисунок – 2.2 Структурна схема вимірювального кола давача навантаження:
ІПіт - джерело живлення; М - модулятор; ТМ - тензоміст;
ДУ - диференційний підсилювач; ДМ - демодулятор; МК – мікроконтролер
Напруга живлення тензорезистивного моста ТМ від джерела живлення
ІПіт подається на вхід модулятора М, де за сигналами з мікроконтролера МК
інвертується, або подається на вихід неінвертірованним. Напруга з вимірювальної діагоналі тензомоста ТМ посилюється диференціальним підсилювачем ДУ, після чого інвертується демодулятором ДМ, або подається на вхід АЦП неінвертірованним залежно від полярності напруги напруги. Цифровий код передається в мікроконтролер для подальшої обробки. Мікроконтролер здійснює управління джерелом живлення, модулятором і демодулятором, а також регулює початковий зсув тензомоста і коефіцієнт підсилення завдяки застосуванню цифрових потенціометрів.