пьезоэлектрический преобразователь давления в электрический сигнал

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь давления в электрический сигнал, содержащий двухэлектродный пьезоэлемент, выполненный в виде пластины из пьезоматериала, противоположные грани которой контактируют с электродами, и усилитель заряда, выход которого соединен с его инвертирующим входом через резистор обратной связи, причем один из электродов двухэлектродного пьезоэлемента соединен с инвертирующим входом усилителя заряда, отличающийся тем, что другой электрод двухэлектродного пьезоэлемента состоит из двух электрически изолированных секций, одна из которых соединена непосредственно с выходом усилителя заряда, а другая через шину "Земля" и корректирующий резистор с его неинвертирующим входом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области скважинной сейсмометрии и может быть использовано, в частности, в аппаратуре, применяемой для выявления заколонных перетоков флюидов в обсаженных скважинах, в которой в качестве датчиков используются пьезоэлектрические датчики давления, действие которых основано на явлении прямого пьезоэлектрического эффекта.

Известен пьезоэлектрический преобразователь [1] содержащий двухэлектродный пьезоэлемент, выполненный в виде пластины из пьезоматериала, противоположные грани которой соединены с электродами, и неинвертирующий усилитель напряжения с высокоомным входом, выполненный на основе операционного усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе, выход которого через резистор обратной связи соединен с его входом. Операционный усилитель вместе с емкостью пьезоэлемента составляет измерительную схему электрического преобразователя.

Основным недостатком рассмотренной схемы пьезоэлектрического преобразователя является зависимость выходного напряжения от емкости пьезоэлемента С_о и действующей параллельно ей емкости кабеля С_к, которые могут существенно изменяться в зависимости от условий окружающей среды и, в первую очередь, в зависимости от температуры и статического давления в скважине. Нестабильность выходного напряжения при воздействии этих факторов приводит к тому, что преобразователи этого типа имеют низкую точность измерений. Для уменьшения нестабильности выходного напряжения параллельно входу усилителя обычно подключают стабильную емкость и корректирующий резистор, однако, это лишь частично снижает действие дестабилизирующих факторов.

Другой недостаток рассматриваемой схемы заключается в ограниченности частотного диапазона измеряемых величин в области низких частот. Для расширения частотного диапазона необходимо, чтобы постоянная времени измерительной цепи была, по крайней мере, не меньше 10 сек. Поскольку общее сопротивление измерительной цепи определяется, в основном, сопротивлением поверхностной утечки пьезоэлемента и обычно не превышает 10 0м, а увеличение суммарной емкости измерительной цепи ограничивается тем, что при этом уменьшается выходное напряжение, то даже при достаточно большой суммарной емкости в 1000 пФ постоянная времени в преобразователях данного типа не превышает 1 сек.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по своей технической сущности и достигаемому результату является устройство [2] принятое нами за прототип, в котором пьезоэлектрический преобразователь содержит двухэлектродный пьезоэлемент, выполненный в виде пластины из пьезоматериала, противоположные грани которой контактируют с электродами, и усилитель заряда, выход которого соединен с его инвертирующим входом через параллельно включенные резистор и емкость обратной связи, причем один из электродов двухэлектродного пьезоэлемента соединен с инвертирующим входом усилителя заряда, а другой через шину "земля" и корректирующий резистор с его неинвертирующим входом.

Одним из достоинств этой схемы по сравнению с рассмотренным аналогом [1] является возможность повышения чувствительности за счет уменьшения емкости в цепи обратной связи, однако, применять емкость меньше 50-100 пФ нецелесообразно, так как при этом заметное влияние начинает оказывать паразитная емкость, возникающая в измерительной цепи.

Другим достоинством схемы усилителя заряда с отрицательной обратной связью является возможность получения больших постоянных времени (порядка 10-100 сек.).

Таким образом, данная схема позволяет при определенных условиях уменьшить влияние дестабилизирующих факторов и, тем самым, повысить точность измерений по сравнению с рассмотренным аналогом [1]

Недостатком этой схемы преобразователя с усилителем заряда является то, что в широком диапазоне изменения температуры (от 10 до 100 градусов) и статического давления (от 10 кПа до 50 МПа), что, как правило, имеет место при работе в скважинах, дестабилизирующее действие этих факторов остается значительным, что снижает точность измерений. Это объясняется следующим образом. Коэффициент усиления усилителя заряда с отрицательной обратной связью зависит от отношения емкости пьезоэлемента к емкости в цепи обратной связи. При работе в скважине эти элементы рассматриваемой схемы будут находиться в разных условиях. Пьезоэлемент подвергается одновременному воздействию температуры и давления, в то время как остальная часть схемы защищена от действия статического давления. Поэтому даже если в качестве емкости в цепи обратной связи использовать термостабильный конденсатор, в принципе невозможно добиться удовлетворительной стабилизации коэффициента усиления в широком диапазоне изменения скважинных условий.

Целью изобретения является повышение точности измерений в широком диапазоне изменения температуры и давления в скважинах.

Поставленная цель достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом преобразователе [2] содержащем двухэлектродный пьезоэлемент, выполненный в виде пластины из пьезоматериала, противоположные грани которой контактируют с электродами, и усилитель заряда, выход которого соединен с его инвертирующим входом через резистор обратной связи, в котором один из электродов соединен с инвертирующим входом усилителя заряда, другой электрод состоит из двух электрически изолированных секций, одна из которых соединена непосредственно с выходом усилителя заряда, а другая через шину "земля" и корректирующий резистор с его неинвертирующим входом.

На фиг. 1 показана электрическая схема предлагаемого пьезоэлектрического преобразователя давления в электрический сигнал; на фиг.2 зависимость выходного напряжения от температуры для предлагаемого (кривая 1) и известного (кривая 2) преобразователей; на фиг.3 зависимость выходного напряжения от статического давления для предлагаемого (кривая 1) и известного (кривая 2) устройств.

Пьезоэлектрический преобразователь давления в электрический сигнал содержит (фиг. 1) двухэлектродный пьезоэлемент 1, выполненный в виде пластины 2 из пьезоматериала, противоположные грани которой контактируют с электродами, и усилитель заряда 3, выход которого соединен с его инвертирующим входом (-) через резистор обратной связи R_o.c. Один из электродов двухэлектродного пьезоэлемента 1 соединен с инвертирующим входом (-) усилителя заряда 3. Другой электрод двухэлектродного пьезоэлемента 1 состоит из двух электрически изолированных секций, одна из которых соединена непосредственно с выходом усилителя заряда, а другая через шину "земля" и корректирующий резистор 4 с его неинвертирующим входом (+).

Секционирование одного из электродов двухэлектродного пьезоэлемента фактически приводит к его преобразованию в трехэлектродный пьезоэлемент, который можно рассматривать как два параллельно включенных относительно общего электрода пьезоэлемента (условно, основного и дополнительного), выполненных на одном и том же пьезоматериале, один из которых (основной) своей емкостью С_о включен в измерительную цепь усилителя заряда, а другой (дополнительный) емкостью С_о.с. в цепь отрицательной обратной связи параллельно резистору R_o.c..

Преобразователь работает следующим образом.

При воздействии звуковых колебаний на пьезоэлемент 1 на электродах возникают заряды. Заряд основного пьезоэлемента усиливается усилителем заряда 3 и снимается с его выхода в виде выходного напряжения U_вых.. Часть выходного сигнала через обратную связь, включающую параллельно соединенные резистор обратной связи R_o.с. и конденсатор емкостью С_о.с., подается на инвертирующий вход усилителя заряда, стабилизируя режим работы последнего по напряжению. Кроме того, дополнительный пьезоэлемент, будучи включенным своим зарядом емкостью С_о.с. в цепь обратной связи, осуществляет отрицательную обратную связь по заряду, обеспечивая более глубокую стабилизацию работы усилителя заряда.

Выполнение основного и дополнительного пьезоэлементов на одном пьезоматериале в совокупности с включением дополнительного пьезоэлемента в цепь отрицательной обратной связи позволяет автоматически компенсировать влияние дестабилизирующих факторов окружающей среды на результаты измерений. Действительно, коэффициент усиления усилителя заряда зависит от отношения емкостей основного и дополнительного пьезоэлементов С_о/С_о.с., а поскольку оба пьезоэлемента выполнены на одном пьезоматериале и работают в одних и тех же скважинных условиях, под влиянием изменения этих условий их емкости изменяются пропорционально. Это означает, что, подбирая длину дополнительного пьезоэлемента, т.е. его емкость С_о.с., и величину резистора R_o.с., можно добиться полной компенсации дестабилизирующего влияния окружающий среды на результаты измерений в широком диапазоне изменения параметров и, тем самым, повысить точность измерений.

На фиг. 2 представлен результат лабораторных испытаний предлагаемого преобразователя и устройства, принятого за прототип при изменении температуры окружающей среды от 25 до 125^oC. Условия испытаний: амплитуда измеряемого динамического давления 2 кПа при частоте 2кГц и статическом давлении 100 кПа (характерные величины при реальных измерениях). Здесь кривая 1 - характеристика предлагаемого преобразователя, кривая 2 характеристика прототипа. Сопоставление кривых показывает, что предлагаемый преобразователь обладает существенно большей термостабильностью.

На фиг. 3 представлен результат испытаний при изменении статического давления от 1 до 40 МПа. Динамическое давление такое же как в предыдущем опыте 2 кПа при частоте 2 кГц. Температура испытания 25^oC. Из анализа кривых 1 и 2 видно, что предлагаемое устройство отличается большей стабильностью.

Повышение стабильности имеет особенно важное значение при измерениях звукового давления в скважинах, когда температура и статическое давление изменяются одновременно в самых различных сочетаниях, что затрудняет применение градуировочных характеристик с целью внесения поправок, так как для этого понадобилось бы измерять в каждый момент времени температуру и статическое давление.