CC BY
210
УДК 550.36; 551.24
ДАТЧИКИ В ГЕОТЕРМИИ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Сергей Алексеевич Казанцев
ФГБУН Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник, кандидат технических наук, тел. (383)330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru
В докладе приводится сравнительный анализ различных первичных датчиков температуры. Оцениваются точность измерений, достоверность и возможные области их применения.
Ключевые слова: цифровые и аналоговые датчики температуры, геотермический мониторинг, калибровка датчиков, высокоточные измерения температуры.
SENSORS IN GEOTHERMY, COMPARANIVE ANALYSIS
Sergey А. Kazantsev
Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect akad. Koptug, 3, Senior research scientist, Candidate of science, tel. (383)330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru
Comparative analysis of various primary temperature sensors is conducted in the report. Measurement accuracy, reliability and possible areas of application are evaluated.
Key words: Digital and analog temperature sensors, geothermal monitoring, sensor calibration, high accuracy temperature measurement.
Основой полевых геотермических исследований являются высокоточные измерения температуры, как в скважинах, так и на других геологических объектах. На этих натурных измерениях температуры в дальнейшем строится все здание геотермических исследований. Потому так важна достоверность и точность полученной первичной температурной информации.
При геотермических исследованиях наибольшее распространение получили три типа датчиков: цифровые, аналоговые (термометры сопротивления) и частотные (кварцевые) датчики температуры.
Из семейства цифровых, к наиболее известным и широко применяемым на территории России можно отнести датчики фирмы Dallas Semiconductor DS18B20. Выходные температурные данные датчика DS18B20 калиброваны в градусах Цельсия. В геотермических исследованиях применение DS18B20 ограничено их сравнительно низкой точностью измерения. Производитель установил её на уровне 0,5°C. Однако максимальная разрешающая способность температурного преобразователя DS18B20 в 12-битном режиме составляет 0,0625°C. Такое разрешение в можно использовать, применив дополнительную высокоточную калибровку приборов в специализированном термостате. Такой двухконтурный термостат разработан и изготовлен в
1
ИНГГ СО РАН. Этот термостат позволяет длительное время поддерживать в рабочем объеме заданную температуру с точностью до 0,01°C. Контроль температуры ведется по ртутным термометрам ТР-1 с делениями шкалы в 0,01°C.
Наряду с дешевизной и доступностью одним из достоинств датчика DS18B20 является то, что прибор использует исключительно 1-Wire интерфейс обмена, разработанный корпорацией Dallas Semiconductor. Преимуществом 1-Wire интерфейса является то, что для связи с устройством необходимо лишь два провода на данные и заземление, а так же большое расстояние передачи -до 300 метров. Такой интерфейс позволяет собирать датчики в трехпроводные гирлянды, косы, где датчики включаются параллельно. Поскольку каждый прибор имеет уникальный 64-битовый код, число приборов, к которым можно обратиться на одной шине, фактически неограниченно.
Фирма Analog Devices выпустила цифровой датчик температуры -ADT7410, с погрешность измерений температуры ±0.4°C. Для такой точности не требуется пользовательской калибровки температуры, не требуется коррекции линейности. Датчик ADT7410 имеет режим микропотребления, содержит внутренний источник опорного напряжения и, по умолчанию, 13-разрядный АЦП с разрешением 0.0625°C. Разрядность АЦП может быть программно изменена на 16 бит. Тогда разрешающая способность датчика увеличивается до 0.0078°C.
ADT7410 работают с внешними устройствами по интерфейсу I2C, последовательной шине данных для связи интегральных схем, использующая две двунаправленные линии связи. Этот интерфейс нуждается в 4-х проводах связи, к тому же в отличии от DS18B20, они не имеет своего уникального имени и могут быть смонтированы в виде гирлянды не более 4-х, приборов, имеются и существенные ограничения на длину кабеля. Поэтому, чтобы использовать датчики повышенной точности ADT7410 в длинных косах надо привести их протокол связи к совместимому с протоколом 1-Wire. С этой целью вместе с каждым из датчиков температуры монтируется микроконтроллер STM8, преобразующий интерфейс I2C в 1-Wire. После такой доработки и дополнительной калибровки температурные датчики могут быть использованы в геотермических исследованиях. Такие датчики используются нами для мониторинга температуры в скважине на Семипалатинском исследовательском ядерном полигоне. Широкому применению ADT7410 в геотермии препятствует необходимость дополнительного микроконтроллера, его программирования и сложность их монтажа.
Аналоговые датчики сопротивления можно разделить на два класса -полупроводниковые и металлические датчики. Из металлических датчиков наибольшее распространение получили платиновые датчики сопротивления, как проволочные, а в последние годы и пленочные в интегральном исполнении [1]. Платиновые датчики имеют несколько положительных
качеств, среди которых: практически линейная характеристика, долговременные стабильные электрические свойства, точность и повторяемость, малые габариты (только для датчиков в интегральном исполнении), долговечность. Эти качества предопределяют платину в качестве базового материала для металлических датчиков температуры. Наряду с этим платиновые датчики имеют значительно меньшую крутизну характеристики преобразования (около 0,4% на 1 градус от номинала) по сравнению полупроводниковыми термисторами,
Из-за низкого омического сопротивления платиновых датчиков на практике применяются двух или четырех проводные схемы их подключения к измерительной схеме. Двухпроводная схема подключения датчика обладает достаточной точностью только в том случае, если длина подводящих проводов очень малая, иначе сопротивление проводов вносит существенную ошибку в измерения. Четырехпроводная схема рекомендуется для получения наилучших результатов измерения. Она компенсирует влияние подводящих проводов. Необходимость четырехпроводной схемы для точных измерений существенно ограничивает применение платиновых датчиков для построения длинных геотермических кос с большим числом датчиков.
Наибольшее распространение в геотермических исследованиях получили датчики на основе полупроводниковых терморезисторов (термисторов). В зависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы разделяют на кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ и СТ2) [2]. Важным преимуществом термисторов является их большое номинальное сопротивление, что устраняет проблему искажений связанных с подводящими проводами. Еще одним из преимуществ термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Главным достоинством термисторов является их очень высокая температурная чувствительность по сравнению с другими типами датчиков температуры. Типовое значение температурного коэффициента сопротивления для термисторов составляет 5% на градус от номинала, в то время как для платинового термопреобразователя он составляет 0,4% на градус. К недостаткам можно отнести то, что термисторы имеют нелинейную и строго индивидуальную характеристику зависимости сопротивления от температуры. Эта зависимость в диапазоне нескольких десятков градусов удовлетворительно описывается функцией:
г в
Ят = А - Т~с • ехр —
где А, В и С - постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических параметров термистора. Нелинейность характеристики диктует необходимость индивидуальной калибровки.
Значительное сопротивление термисторов и большая чувствительность позволяют использовать при измерении схему омметра. Регистрирующая аппаратура представляет собой электронный усилитель, АЦП (амплитудно-
цифровой преобразователь), микропроцессор и энергонезависимую память. Данные измерений выводятся на ПК или ноутбук [3,4]. Такие схемы обеспечивают разрешение по температуре до 0,002°C. При включении термистора в мостовую схему разрешение ограничивается только тепловыми шумами датчика. Это дает возможность с большой точностью проводить измерения относительных изменений температуры. Однако измерение абсолютных значений температуры целиком определяется качеством и тщательностью калибровки термисторов. В нашем случае калибровка позволяет измерять температуру с точностью до 0,01-0,02°C. Особенности калибровки, выбор измерительного и градуировочного токов подробно описан в работе [5].
Особняком стоят кварцевые термометры - это автогенераторные преобразователи с частотным выходом, использующие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры. У высокочастотных кварцевых термодатчиков (26 Мгц) чувствительность достигает 1000 гц/град. Высокой чувствительности и конструктивной простоте датчика противопоставляется довольно сложная система регистрации температуры. Для точных измерений частотного сдвига необходимы прецизионные генераторы опорной частоты. Это обстоятельство значительно усложняет применение кварцевых термометров в полевой геотермической практике.
Таким образом, полупроводниковые термисторы, благодаря своей исключительной чувствительности, высокому номинальному сопротивлению и современным методам калибровки, являются наиболее предпочтительными датчиками для полевых геотермических исследований. Применение цифровых датчиков ADT7410 может быть оправдано для специальных задач длительного высокоточного температурного мониторинга.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционным проектом СО РАН № 45.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гутников В.С., Ядевич А.И. Платиновые тонкоплёночные датчики температуры фирмы Heraeus Sensor Technology GmbH. Электронные компоненты. 2005, № 5.
2. Шефтель И.Т. Терморезисторы. М.: Наука, 1973.
3. Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Дучков А.Д. Устройство для оперативного температурного мониторинга. В кн.: ГЕО-Сибирь-2013. Т.2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 1: Сб. матер. IX Междунар. научн. конгресса. Новосибирск: СГГА- 2013.- С. 203-207.
4. Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород // Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения». - Тюмень: ИКЗ СО РАН.- 2008.- С. 236-239.
5. Казанцев С.А. Измерение температуры илов автономными приборами. В кн. "Методика и результаты геотермических исследований". Новосибирск. -1979.- С. 32-41.
© С. А. Казанцев, 2014
