Начинается...

Особенности применения датчиков Холла в скважинных расходомерах

УДК 622.276.5.057:681.12

Особенности применения датчиков Холла в скважинных расходомерах

М. А. АХМЕТОВ, Г. А. БЕЛЫШЕВ, А. М. КУВШИНОВ – ОАО «НПФ «Геофизика»

В статье рассматриваются характеристики и возможность использования интегральных датчиков Холла взамен индуктивных, а также схемы на каскадной обработке сигналов механических скважинных расходомеров. Проанализированы достоинства и недостатки этих датчиков для решения задачи определения не только расхода, но и направления потока жидкости в скважине.

Основным методом измерения расхода флюида в скважине является измерение с помощью механического расходомера вертушечного типа. Конструктивно такие расходомеры состоят из фонаря, внутри которого расположена турбинка с осью, установленной на подшипниках (подпятниках).

В качестве преобразователя частоты вращения турбинки в электрический сигнал используется пара: постоянный магнит (магниты), расположенный на оси турбинки, и датчик, защищенный от внешней среды герметичным корпусом. Датчик представляет собой катушку индуктивности, находящуюся в цепи генератора. В качестве сенсора вместо катушки также может использоваться геркон (со своими присущими ему недостатками).

При вращении турбинки полюса магнита создают изменяющееся магнитное поле вблизи датчика, возбуждая в катушке электрический ток. Далее сигнал преобразуется в электрические импульсы, пропорциональные объему измеряемой жидкости. Одна из таких схем, применяемая в расходомерах производства ОАО «НПФ «Геофизика», представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема расходомера ОАО «НПФ «Геофизика»

Схема работы построена на каскадной обработке сигнала с возбуждающегося генератора-«трехточки», построенного на транзисторе VT1. Генератор включается по порогу, задаваемому вынесенной катушкой-датчиком в паре с резистором R2. На втором каскаде происходит демодуляция - выделяется амплитудная составляющая полезного сигнала на транзисторе VT2. Далее сигнал, усиленный на каскаде, исполненном на транзисторе VT3, снимается с коллектора и обрабатывается контроллером, либо поступает на выходной каскад (в кабельном исполнении прибора). В итоге на один оборот получаем два широких импульса. Среднее потребление тока данной схемы порядка 1–2 мА, при питающем напряжении 3–5 В.

Вышеуказанная схема обработки сигнала позволяет производить измерения с различными исполнениями турбинки во всем диапазоне дебита при температуре до 150°С. Простота конструкции и электрической схемы, а также возбуждение генератора независимо от полярности вращающегося на оси магнита, позволило использовать эту систему преобразования практически во всех выпускаемых механических расходомерах. ОАО НПФ «Геофизика» производит расходомеры «Гранат-Р», АГАТ К-9, АГАТ КГ-42, РТ-36, РН-28 использующие подобную схему измерения [1]. Немаловажным положительным фактором при этом является удвоение импульсов после демодуляции, а также применимость схемы на одножильном геофизическом кабеле.

Вышеприведенная схема измерения довольно надежна, однако требует точной подстройки режима генерации, так как индуктивность катушки измерителя имеет довольно большой разброс. На амплитуду генерации также довольно сильно влияет намагниченность магнита, снижающаяся со временем.

Кроме этого, в последнее время все острее становится требование потребителей по определению направления потока жидкости в скважине, что необходимо для более объективной интерпретации данных по построению профиля притока. Для решения этой задачи была разработана измерительная система, включающая в себя два датчика расхода, располагающиеся под углом 120° относительно оси турбинки. В этом случае направление вращения турбинки определяется по факту начала возбуждения одного из генераторов и запаздывания возбуждения второго. Однако настройка данной системы достаточно сложна по перечисленным выше причинам. Решение этой задачи стало возможным с появлением малогабаритных датчиков, использующих эффект Холла, применение которых до сих пор было ограниченно из-за их габаритов и повышенного тока потребления.

Интегральные датчики, использующие эффект Холла [2], производят такие фирмы, как Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices и др. В последнее время в связи с появлением малогабаритных датчиков Холла, началось активное их применение в скважинных расходомерах.

Первая группа интегральных датчиков Холла – это линейные преобразователи, применяющиеся в измерителях напряженности магнитного поля. Как правило, эти устройства содержат схемы усиления сигнала датчика. Необходимая предварительная обработка сигнала обычно заключается в усилении и температурной компенсации. Может понадобиться также стабилизация питающего напряжения.

Рис. 2. Корпуса датчиков Холла, выпускаемые фирмой Honeywell [3]

Рис. 3. Форма выходных сигналов существующих датчиков Холла в зависимости от передаточной функции [3]

Вторая группа включает в себя микросхемы компараторного типа с логическими уровнями напряжения на выходе. Некоторые производители называют эти датчики «цифровыми». Эта группа более многочисленна в силу большего числа возможных применений. Микросхемы с логическим выходом делятся на две подгруппы: переключатели и триггеры. Униполярный переключатель срабатывает только при наличии магнитного поля одной полярности и гарантирует выключенное состояние в отсутствие магнитного поля; магнитное поле противоположной полярности не оказывает на него никакого влияния. Биполярный триггер, напротив, реагирует на обе полярности: включается при приближении северного или южного полюсов магнита и выключается только в том случае, если поле с противоположным знаком достигнет определенного уровня. Термин «биполярный переключатель» обычно применяется к триггерам, реагирующим на пропадание поля. Такие переключатели переходят во включенное состояние при наличии магнитного поля, а выключаются при снижении уровня той же полярности, отсутствии поля, или в присутствии поля с противоположным знаком. Наличие ступени гистерезиса, которая является разностью между величинами магнитного поля в точках включения и выключения, повышает помехозащищенность устройства. В качестве примера можно привести логический двухвыводной датчик Холла HAL556 производимый Micronas Intermetall. Эта микросхема потребляет большой ток при приближении положительного полюса магнита к маркированной стороне корпуса и малый ток при удалении. HAL566 реализует обратные функции. Микросхемы имеют встроенную систему, увеличивающую напряжение, приложенное непосредственно к кристаллу датчика Холла, с тем, чтобы сделать возможным применение недорогих постоянных магнитов, имеющих сравнительно малую коэрцитивную силу.

Спектр исполнения датчиков Холла довольно широк. Передаточная функция (ПФ) производимых интегральных датчиков различна и представлена на рис. 3. Корпуса датчиков наглядно представлены на рис. 2. Датчики, производимые Micronas Intermetall, работают при температурах от -40 до 170°С.

 

Рис. 4. Выходной сигнал с биполярного датчика

Уменьшение размеров и тока потребления, а также широкий температурный диапазон позволяет применять логические униполярные и биполярные датчики Холла в качестве сенсоров геофизических механических расходомеров. Довольно стабильные временные характеристики позволяют существенно снизить аппаратные затраты и расширить область применения расходомеров, не изменяя конструкцию приборов.

Кроме того, датчики Холла можно и нужно использовать в качестве основного сенсора для определения направления вращения турбинки механических расходомеров. Основное достоинство применения таких сенсоров заключается в том, что для определения направления вращения турбинки с применением составного сенсора из двух датчиков Холла, не требуется наличия второй трубки с датчиком расхода, то есть, нет необходимости их физического разнесения.

Рис. 5. Расположение двух датчиков Холла в разных плоскостях

В сущности, логика измерения не меняется: магнитное поле аналогично влияет на сенсор, и те же импульсы, формируемые ранее вышеприведенной схемой на рис. 1, будут формироваться готовым интегральным исполнением. Однако, в схемах, определяющих направление движения жидкости, необходима более детальная проработка применения датчиков, использующих эффект Холла. Рассмотрим решение этого вопроса более подробно.

Для сравнения «опережающего» и «запаздывающего» сигналов необходимо формирование импульсов от двух сенсоров и двух магнитов. Одним из критериев является выбор между типом датчика униполярным или биполярным. Достоинство биполярных датчиков – большее разрешение результата измерения, т.е. на один оборот приходится четыре импульса. Однако, при близком расположении датчиков к магнитам, эти импульсы довольно широки (рис. 4) и за исключением малой зоны нечувствительности, дают постоянный сигнал. Как уже было сказано выше, биполярные триггеры в основном работают на пропадание магнитного поля. В нашем случае, импульсы от каждого сенсора будут перекрывать друг друга. Второй существенный недостаток биполярных датчиков – удвоенное потребление питающего тока.

Следовательно, в схеме расходомера применим только униполярный датчик. Следующим критерием является расположение датчиков относительно оси турбинки, а также расположение магнитов на ней.

Если не изменять конструкцию оси турбинки с установленными на ней магнитами, то располагать датчики необходимо в разных плоскостях, так как расположение датчиков в одной плоскости не принесет никакого эффекта. Ось пересечения плоскостей проходит по центру выносной трубки. Однако здесь зона влияние магнита на датчик несколько сужена (рис. 5), так как идеальное расположение плоскости сенсора по отношению к «активному» полюсу магнита составляет 90°. Приближаясь к этому идеалу, мы уменьшаем смещение импульсов сигналов сенсоров друг относительно друга. Возможное ухудшение характеристик сенсоров по времени или по температуре сведет на нет все усилия по подбору оптимального угла между плоскостями, в которых располагаются датчики.

Рис. 6. Расположение двух датчиков Холла в одной плоскости

Наиболее эффективный способ – это расположение обоих датчиков в одной плоскости, а магниты, разнесенные на оси турбинки, установить перпендикулярно друг относительно друга (рис. 6).

При таком способе компоновки магнитов и трубок с датчиками Холла, смещение «опережающего» и «запаздывающего» сигналов друг от друга всегда будет составлять половину ширины импульса одного из них (рис. 7).

Рис. 7. Временная диаграмма сигналов сенсоров (S1, S2)

ВЫВОДЫ:

Подводя итоги, можно утверждать, что применение униполярных датчиков Холла позволяет осуществить определение направления вращения турбинки уже в «классических» механических расходомерах.

Есть еще один большой «плюс» применения таких датчиков – это их довольно высокая чувствительность. Этот факт позволяет работать схеме на «слабых» магнитах, равно как и в сильнозагрязненных средах. Таким образом, меняя только электронную «начинку», мы получаем практически новый упрощенный прибор или модуль прибора с улучшенными и расширенными характеристиками. Как следствие - определение направления потока становится стандартно измеряемым параметром в комплексных приборах с модулями расходомеров.

Из минусов применения датчиков Холла можно привести лишь более высокое потребление тока, связанное с принципом их работы. Сенсор потребляет ток более чем в 3 раза по сравнению со схемой, представленной на рис. 1. Это несколько ограничивает применение датчиков Холла в автономных приборах, хотя и здесь можно найти решения для снижения потребления тока. Например, последовательное включение сенсоров.

Эффективность их применения покажет практика, однако уже сейчас можно сказать, что будущее скважинной расходометрии прочно связано с датчиками Холла.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Белышев Г. А. Ахметов А. С. Многофункциональные программноуправляемые скважинные приборы для контроля за разработкой нефтегазовых месторождений //НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2004. Вып. 111–112. с. 103–111.
  2. Герасимов В. «Датчик Холла. Общее описание». НПФ «Электропривод» http://d.17-71.com/2010/02/11/datchik-xollaobshhee-opisanie/ «Новости электроники».
  3. Староверов К. Интегральные датчики Холла компании Honeywell http://www. compeljournal.ru/enews/2010/1/3.
  4. Маргелов А. Датчики тока компании Honeywell//Новости электроники, №8, 2006 – с. 18–22.

Скачать статью в формате pdf →

Читайте также: