CC BY
112
Була розроблена i реалiзована в програмi МЛТЬЛБ 6.5 блок-схема моделi витримки з^зобетонного виробу у формiвному стендi з регулятором, за допомогою якого здшснено регулювання температури всерединi i на поверхш формiвного стенда. Це дозволило полшшити якiсть процесу витримки залiзобетонного виробу.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА
1. Бейко И. В. Методы и алгоритмы задач оптимизации / И. В. Бейко, Б. М. Бублик. - К. : Вища школа, 1983. - 512 с.
2. Дьяконов В. М. 8тиПпк 4: специальный справочник / В. М. Дьяконов. - С-Пб. : Питер, 2002. -528 с.
3. Дьяконов В. М. МЛТЬЛБ 6: учебный курс / В. М. Дьяконов. - С-Пб. : Питер, 2001. - 592 с.
4. Мартыненко И. И. Проектирование систем автоматики / И. И. Мартыненко, В. Ф. Лысенко. - М. : Агропромиздат, 1990. - 243 с.
5. Ралко А. В. Тепловые процессы в технологии силикатов / А. В. Ралко, А. А. Крупа. - К. : Вища школа, 1986. - 232 с.
6. Ужеловський В. О., Ткачов В. С., Бровченко К. А. Методичш вказiвки до визначення динамiчних параметрiв об'екпв регулювання для студенев фаху 6.092500 / В. О. Ужеловський, В. С. Ткачов, К. А. Бровченко. - Д. : ПДАБА, 2007. - 31 с.
7. Пат. 551550 СССР, УДК 66.047.012.(088.8). Способ автоматического управления тепловой обработкой / В. П. Абрамов, В. В. Шмалько; заявл. 18.12.82; опубл. 15.01.84, Бюл. № 2.
УДК 621.317.44
ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ИНКЛИНОМЕТРИИ
О. В. Фадеева, асп.
Ключевые слова: инклинометрия, феррозонд, магниторезистор, точность, магниточувствительный элемент, преобразователь, магнитное поле
Постановка проблемы. Повышение эффективности наклоннонаправленного бурения скважин приводит к повышению продуктивности скважин, к уменьшению влияния бурения на рельеф и экологию, к минимизации затрат на создание новой буровой площадки. При этом наклоннонаправленное бурение дает возможность для выкачки сырья под недоступными, по разным причинам, участками земной поверхности, также для разгрузки фонтанирующих скважин и для вскрытия пластов, которые падают под крутым углом, и т. д.
Для повышения эффективности наклоннонаправленного бурения одной из самых необходимых задач явлется повышение точности измерения. При использовании точных первичных преобразователей в инклинометрах соблюдается направление проектного профиля скважины, при этом не происходит отклонения забоя скважины от заданного курса, вследствие чего забой скважины попадает в заданную точку продуктивного пласта [7].
Анализ публикаций. В 1956 г. В. Н. Пономарев разработал малогабаритные одностержневые феррозонды, на основе которых был создан первый скважинный магнитометр для поиска и разведки железорудных месторождений [8].
В дальнейшем, в 1970 г., Г. Н. Ковшовым были начаты исследования по созданию инклинометрических датчиков с повышенной точностью, вибро- и ударопрочностью. Поиск новых компонентов для создания точных первичных преобразователей в иклинометрии и усовершенствовование инклинометрических датчиков продолжается и сегодня [8].
Цель статьи. Рассмотреть особенности магниточувствительных элементов, а также возможности применения магниторезистивного преобразователя в инклинометрии.
Основной материал. Основной целью инклинометрии является определение зенитного, азимутного, визирного угла (угла отклонителя). Для измерения азимута в инклинометрии применяются два основных принципа работы чувствительных элементов: магнитный и гироскопический. В данной статье рассмотрены магниточувствительные элементы, а также их сравнительные технические характеристики.
В инклинометрии в качестве преобразователя магнитного поля часто используют
феррозонды. Феррозонды применяют для измерения и фиксирования постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их составляющих. Принцип их работы основан на изменении магнитного состояния ферромагнетика при воздействии на него двух магнитных полей с разной частотой [1 - 3; 8]. Простейшая конструкция феррозонда состоит из ферромагнитного сердечника и двух катушек: катушки возбуждения, которая питается переменным током, и измерительной катушки (рис. 1).
Рис. 1. Варианты конструкций феррозондов: а - одноэлементный стержневой; б - дифференциальный с разомкнутым сердечником; в - дифференциальный с замкнутым сердечником
Основное достоинство феррозондовых преобразователей - это высокая магнитная чувствительность и высокий диапазон порога удельной магнитной чувствительности.
В серийно выпускаемых феррозондовых преобразователях существует ряд недостатков: низкая геометрическая разрешающая способность, сильная зависимость основных параметров от воздействия климатических и механических факторов, невысокая механическая прочность, трудоемкий процесс изготовления феррозондов, сложность в эксплуатации, невысокий диапазон рабочих температур, большая стоимость и т. д.
Эти недостатки заставляют задуматься, а нельзя ли из широкого выбора магниточувствительных преобразователей подобрать серийный магниточувствительный элемент с такими же или лучшими достоинствами и с меньшим количеством недостатков, влияющих на быстродействие и точность в процессе бурения. В таблице приведена сравнительная характеристика некоторых преобразователей магнитного поля.
Таблица
Сравнительная характеристика преобразователей магнитного поля
Тип преобразователя магнитного поля Феррозондовый Магнитоиндуктивный Магниточувствительный 2-элемент Полевые ГМР Магнитотранзисторы ГМР-преобразователь Многоколлекторный магнитотранзистор Магнитодиод с р-п -переходом Тонкопленочный магниторезистор «Монолитный» магниторезистор Полевой элемент Холла
Размер активной области, мм2 от 1,0до 100 10 х 8 х 4 5х2 Н/Д от 0,5 до 2,0 от 5-10-5 до 0,1 от 0,05д о 2,0 от 0,1 до 10 от 0,3 до 100 от 2,5-10-5 до 1,0
Явх, Ом - 0,01 0,1 - - 5-103 5-104 - (1... 6) 3 х103 103 105 20 103 104 1,2-105
Окончание таблицы
Магнитная чувствител ь-ность, В/ Тл ~10 от 1 до 10 от 500 до 600 от 70 до 100 от 6 до 60 до 100 от 10 до 90 от 3 до 500 от 1 до 60 от 0,01 до 1,1
Удельная магнитная чувствител ь-ность, В/(ТлА) - - от 2-105 до 5-105 от 8,7-104 до 1,25-1 05 от 7,5-1 03 до 6-104 от 1-103 до 1-105 от 3-103 до 3104 от 9-102 до 1-104 от 4-102 до 8-103 от 50 до 1-104
Порог чувствител ь-ности (мТл) от 5-10-4 до 1 от 0,001 до 0,1 ~10 - - 1 - Менее 0,001 1 Менее 0,001
Динамиче-скийдиапа зон,мТл от 0,1 до 1,0 от 1 до 200 от 10 до 50 от 0,001 до 100 от 0 до 80 до 100 от 20 до 90 от 0,8 до 40 от 300 до 1000 100 200
Диапазон Vр, Гц от 0 до 10 4 от 0 до 106 Н/Д Н/Д (3... 10) Х103 (3. 10) Х103 от 0 до 1-107 от 0 до 1109 от 0 до 1-106
Параметры источ-никапи тания и В - - от 5 до 30 более 100 - - - от 5 до 9 - от 5 до 9
I, м А до 100 до 1,0 от 1,0 до 3,0 от 0,8 до 11,0 от 0,8 до 1,0 от 1,0 до 3,0 от 1,0 до 5,0 от 1,0 до 5,0 от 0,5 до 40,0 от 0,05 до 0,5
Ррас. тахпри Т=20°С, мВт до 100 до 1,0 - Н/Д Н/Д Н/Д 200 от 5 до 10 от 5 до 700 20
Диапазон ТР, °С от -40 до +85 от -20 до +70 от -60 до +60 от -60 до +60 от -60 до +60 от -60 до +125 от -60 до +100 от -55 до +150 от -60 до +110 от -269 до +250
Примечание:
и - напряжение;
I - ток;
Рраатах- максимальная рассеиваемая мощность;
Явх-входное сопротивление;
Тр - рабочая температура;
vр - рабочая частота.
Основными параметрами для выбора магниточувствительного преобразователя для инклинометрии являются:
1. Магниточувствительность.
2. Диапазон рабочих температур.
3. Габаритные размеры.
4. Виброустойчивость.
5. Скорость обработки информации.
Следуя данным таблицы, к требованиям магниточувствительных преобразователей для инклинометрии можно отнести и подробнее рассмотреть: магнитоиндуктивный преобразователь, многоколлекторный магнитотранзистор, тонкопленочный магниторезистор, а также феррозондовые преобразователи, которые были рассмотрены выше.
Магнитоиндуктивный преобразователь. Магнитноиндуктивный датчик состоит из микроминиатюрной катушки индуктивности и ферромагнитного сердечника. Катушка
индуктивности представляет собой одну обмотку, которая регистрирует магнитное поле в направлении одной из осей. Принцип работы датчика основан на том, что при изменении окружающего магнитного поля меняется индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником.
На рисунке 2 приведена упрощенная схема включения магнитоиндуктивного датчика. Схема представляет собой релаксационный LR - генератор, в котором М1 - датчик выполняет задание основного элемента. Изменение напряженности воздействующего магнитного поля приводит к изменению частоты генератора [3].
Ввн
о
М]
Управляемый релаксационный генератор
Выход
_Л_!1__ЯГ
Рис. 2. Упрощенная схема включения магнитоиндуктивного датчика
К достоинствам и недостаткам можно отнести: по сравнению с феррозондами меньшие габаритные размеры, высокая надежность, маленький ток потребления, ограниченный динамический диапазон при удовлетворительной линейности, ограниченный диапазон рабочих температур.
Магниторезистивный преобразователь. По конструкции магниторезистивные магнитометры не сложнее феррозондовых приборов.
Отличительной особенностью магниторезистивных датчиков является сохранение работоспособности при статических магнитных полях в широком температурном диапазоне. Также к преимуществам магниторезистивных датчиков можно отнести:
- отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;
- широкий диапазон рабочих температур (от -55 до 150°С);
- датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;
- длительный срок службы, независимость от магнитного дрейфа.
Магниторезисторы обладают большой чувствительностью — в пределах от 10 х 10-13 до
10*10"14А/м. Самые чувствительные магниторезисторы изготовлены из InSb (полуметаллы индий и сурьма) - NiSb (металл никель и полуметалл сурьма).
Магниторезисторы определяются такими параметрами как чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, быстродействие, большой диапазон рабочих температур, термостабильность.
При использовании в ограниченном динамическом диапазоне (до 10 мТл) тонкопленочные магниторезисторы выгодно отличаются от других преобразователей магнитного поля.
На рисунке 3 приведены выходные характеристики различных преобразователей магнитного поля при одинаковом напряжении питания, равном 5 В [4].
250 200
150
100
50
0 10 20 30 40 50
Рис. 3. Выходные характеристики различных ПМП: 1 - тонкопленочный магниторезистор; 2 - «монолитный» магниторезистор; 3 - элемент Холла на основе 1^Ь;
4 - элемент Холла на основе GaAs
Из рисунка 3 видно, что при магнитной индукции порядка 5 мТл, соответствующей
линейным участкам всех приведенных характеристик, чувствительность тонкопленочных магниторезисторов в 5 раз выше чувствительности других магниточувствительных приборов [4].
Магниторезистивные датчики применяются в магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения объекта относительно магнитного поля Земли, измерения частоты вращения зубчатых колес и др.
Из ряда магниторезисторов в последнее время широко применяются GMR (Giant Magneto Resistor) - гигантские магниторезисторы (ГМР). Структура ГМР приведена на рисунке 4.
ГМР (рис. 4) представляет собой многослойную тонкопленочную структуру из прослоек металлов, которые, в свою очередь, чередуются с ферромагнитными и немагнитными слоями толщиною несколько нанометров (нм). С каждым годом магниторезистивные преобразователи минимизируют свою структуру и улучшают при этом свои технические характеристики. Появились туннельные магниторезистивные датчики (ТМР), структура которых настолько усовершенствована, что для описания принципа работы обычной физики не достаточно, в их основе лежит квантовая физика на уровне атомов и молекул.
Рис. 4. GMR магниточувствительный элемент: а - структура; б - ориентационная
характеристика
Магнитотранзисторы. Магнитотранзистором называется такая конструкция транзистора, у которого рабочий параметр устроен для получения максимальной чувствительности коллекторного тока к магнитному полю.
Из известных полупроводниковых преобразователей магнитного поля наиболее перспективными считаются магниточувствительные транзисторы - приборы, обладающие высокой чувствительностью и разрешающей способностью [3; 5; 6].
Магнитотранзисторы условно подразделяются на вертикальные и горизонтальные в зависимости от того, параллельно или перпендикулярно технологической поверхности кристалла протекает рабочий ток.
Вертикальные магнитотранзисторы - транзисторы, которые реагируют лишь на лежащую в плоскости кристалла продольную компоненту магнитного поля. А горизонтальные транзисторы также реагируют и на перпендикулярную этой плоскости поперечную компоненту. Ниже приведен принцип работы германиевого двухколлекторного магнитотранзистора ДМТ.
На рисунке 5 изображены выходные характеристики торцевого ДМТ, изготовленного из германия с размером кристалла 1 х 1 х 4 мм [3].
При воздействии магнитного поля ток одного коллектора увеличивается, а ток другого коллектора уменьшается, что напоминает принцип мостовой схемы. Напряжение между коллекторами с увеличением индукции магнитного поля возрастает и при В > 0,7 Тл достигает насыщения.
Максимальная магнитная чувствительность и линейность характеристики магнитотранзистора наблюдаются в области слабых магнитных полей. Удельная магнитная чувствительность германиевого магнитотранзистора достигает значений ууд = (2...4) х 105 В/ТлА при В < 0,4 Тл, что на 2 - 4 порядка выше чувствительности элементов Холла.
Магнитотранзисторы не полностью исследованы в магнитометрии, но у них высокий потенциал, и по мере дальнейшего освоения дискретные магнитотранзисторы найдут широкое
180 б
а
применение в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и преобразования типа «угол-код», датчики уровня, бесконтактные реле предельного тока и т. д.
-Ш
300
200
100
к
- О^___ к- I о
.....-....... — о
Г»-* Г 1— !1 иК,в -V
30
60 90
б
Рис. 5. Торцевой германиевый двухколлекторный магнитотранзистор: а - структура; б - статические выходные характеристики
Современная групповая технология исполнительных систем позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе магнитотранзисторов, которые могут формироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структуры с различным способом их организации. Основное назначение таких приборов - это использование их в системах визуализации магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т. п.) [3; 5; 6].
Выводы. По данным вышеописанных характеристик, применение магниторезистивных, магнитоиндуктивных и магнитотранзисторных преобразователей в инклинометрии возможно. Их характеристики совпадают с характеристиками феррозондов, а некоторые параметры имеют лучшие показания, чем у серийно выпускаемых феррозондовых преобразователей. Если выбирать из магнитотранзисторов и магниторезисторов, то для применения в инклинометрии сегодня больше подходят магниторезисторы, из-за своего широкого применения в разных областях производства. Они уже прошли полное исследование и их внедрение в инклинометрию более безопасно. А также магниторезисторы на сегодняшний день имеют больший температурный диапазон из рассмотренных серийно выпускаемых магниточувствительных преобразователей и обладают очень высокой магнитной чувствительностью, что и необходимо для внедрения их в инклинометрию. Однако в дальнейшем не исключено применение магнитотранзисторов в инклинометрии.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев Ю. B. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки / Ю. В. Афанасьев, Н. В. Студенцов, А. П. Щелкин. - Л. : Энергия, 1972. - 272 с.
2. Афанасьев Ю. B.Феррозонды / Ю. В. Афанасьев. - Л. : Энергия, 1969. - 168 с.
3. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника / М. Л. Бараночников. - Т. 1. - М. : ДМК Пресс, 2001. - 544 с.
4. Бараночников М. Л. Магниторезисторы / М. Л. Бараночников // Радио. - 1994. - № 7. -С. 42.
5. Викулин И. М. Гальваномагнитные приборы / И. М. Викулин, Л. Ф. Викулина,
B. И. Стафеев. - М. : Радио и связь, 1983. - 104 с.
6. Викулин И. М. Двухколлекторные магнитотранзисторы / И. М. Викулин, М. А. Глауберман, Г. А. Егиазарян и др. // Приборы и системы управления, 1981. - № 10. -
C. 6 - 5.
7. Исаченко В. Х. Инклинометрия скважин / В. Х. Исаченко - М. : Недра, 1987. - 216 с.
8. Ковшов Г. Н. Приборы контроля пространственной ориентации скважин при бурении / Г. Н. Ковшов, Г. Ю. Коловертов. - УФА : Изд-во УГНТУ, 2001. - 228 с.
