Разработка канала для комплексной скважинной аппаратуры (стр. 5 из 11)
Структурная схема ADuC834
Рис. 2.3
Поскольку в состав микроконвертора уже входят Сигма-Дельта АЦП, источники тока, микропроцессор, таймер-счетчики, ОЗУ, память программ и интерфейс, то применение такого микроконвертора существенно упрощает структуру разрабатываемого канала. Эта упрощенная структура приведена на обобщенной схеме КСА (рис. 2.1). В нее входят следующие элементы: два первичных преобразователя, измерительный преобразователь емкости в период, микроконвертор, блок питания и магистрали.
3 Разработка принципиальной схемы
3.1 Вывод функции преобразования датчика влажности
В качестве первичного преобразователя для измерения влажности нефти используется цилиндрический датчик, состоящий из металлического корпуса, который служит наружным электродом, и коаксиального внутреннего цилиндрического электрода, покрытого слоем прочной и термостойкой пластмассы. Структура датчика схематически приведена на рис. 3.1.
Структура датчика влажности нефти
Рис. 3.1
Необходимо вывести функцию преобразования для данного датчика.
Емкость цилиндрического конденсатора определяется по следующей формуле:
(3.1)где
Ф/м – электрическая постоянная; 
- относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство;Н – высота электродов;
, 
- диаметры соответственно внутреннего и наружного электродов.В данном случае имеется две емкости. В первой емкости межэлектродное пространство заполнено пластмассой. Значение ее находится по формуле:
(3.2)где
- относительная диэлектрическая проницаемость пластмассы;Н=50 мм – высота электродов;
мм – диаметр внутреннего электрода без слоя пластмассы; 
мм – диаметр внутреннего электрода со слоем пластмассы.Емкость второго конденсатора определяется она по формуле:
(3.3)где
мм – диаметр наружного электрода; 
- искомая диэлектрическая проницаемость ( 
для нефти, 
- воды, 
- воздуха).В зависимости от содержания воды в нефти емкость будет изменяться.
Эти два конденсатора соединены последовательно, поэтому окончательное значение емкости определяется по формуле:
(3.4)Определим значение емкости для чистой воды, чистой нефти и на воздухе.
При чистой нефти:
Ф; 
Ф; 
Ф.При чистой воде:
Ф; 
Ф; 
Ф.На воздухе:
Ф; 
Ф; 
Ф.Таким образом, значение емкости изменяется от 2,6 до 65,5 пФ в зависимости от состава вещества, заполняющего межэлектродное пространство.
3.2 Разработка принципиальной схемы преобразователя емкости в период
Схема преобразователя емкости датчика в период повторения импульсов приведена на рис. 3.2. На рис. 3.3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу схемы.
Схема преобразователя емкости датчика в период повторения импульсов
Рис. 3.2
Операционный усилитель с большим коэффициентом усиления выполняет функции схемы сравнения и находится в состоянии насыщения. Значение напряжения на выходе Uвых(t) по модулю равно значению напряжения насыщения Е и может изменять знак в зависимости от соотношения напряжений на входах усилителя. Напряжение U2(t) на неинвертирующем входе усилителя снимается с делителя, выполненного на резисторах R2, R3. Напряжение U1(t) на инвертирующем входе усилителя является выходным напряжением цепочки, образованной емкостью СХ и резистором R1. Напряжение U1(t) изменяется по экспоненте с постоянной времени
, стремясь к значению напряжения насыщения Е.Временные диаграммы
Рис. 3.3
В момент времени, когда U1(Т/2)=U2, схема сравнения переходит в противоположное состояние, т.е. напряжение Uвых меняет знак. Далее процесс циклически повторяется.
Выходное напряжение представляет собой периодическую последовательность двухполярных прямоугольных импульсов (типа «меандр»). Период повторения импульсов пропорционален емкости первичного преобразователя влажности.
Необходимо получить зависимость выходной величины (периода) от емкости датчика.
Значение напряжение U2(t) на неинвертирующем входе усилителя (рис. 3.3) равно:
(3.5)где Е – напряжение насыщения;
к находится по формуле:
(3.6)Напряжение U1(t) на инвертирующем входе усилителя изменяется по экспоненте:
(3.7)где
τ – постоянная времени, которая равна: 
(3.8)Найдем параметры а и b. С одной стороны, в моменты времени t, равные 0 и ∞, напряжение U1(t) принимает следующие значения:
(3.9)С другой стороны, как видно по временным диаграммам (рис. 3.3), в момент времени t=0 напряжение U1 =-kE, а в момент времени t=∞ - U1 =E. Подставив данные значения напряжения в выражения (3.9), получим систему уравнений:
(3.10)Решив систему, получим:
Подставляем a и b в выражение (3.7):
(3.11)Как видно из временных диаграмм (рис. 3.3), в момент времени t=T/2 напряжения U1 и U2 равны:
Прологарифмируем последнее выражение:
Постоянная времени τ, как отмечалось ранее, равна
, поэтому: 
(3.12)Таким образом, получена зависимость выходной величины от емкости датчика.
Рассчитаем основные компоненты схемы.
Расчет схемы начинаем, исходя из условия: при
частота fmin=5kГц. Отсюда можно вычислить период следования импульсов: