RU2099678C1 - Pizoelectric pressure-to-electric signal transducer - Google Patents
Pizoelectric pressure-to-electric signal transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2099678C1 RU2099678C1 RU93039900A RU93039900A RU2099678C1 RU 2099678 C1 RU2099678 C1 RU 2099678C1 RU 93039900 A RU93039900 A RU 93039900A RU 93039900 A RU93039900 A RU 93039900A RU 2099678 C1 RU2099678 C1 RU 2099678C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric element
- charge amplifier
- electrode
- electrodes
- inverting input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
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. The invention relates to the field of borehole seismometry and can be used, in particular, in equipment used to detect annular fluid flows in cased wells, in which piezoelectric pressure sensors are used as sensors, the action of which is based on the phenomenon of direct piezoelectric effect.
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. A known piezoelectric transducer [1] containing a two-electrode piezoelectric element, made in the form of a plate of piezomaterial, the opposite edges of which are connected to the electrodes, and a non-inverting voltage amplifier with a high-impedance input, made on the basis of an operational amplifier with an input stage on a field-effect transistor, the output of which is through a feedback resistor connected to its entrance. The operational amplifier, together with the capacitance of the piezoelectric element, makes up the measuring circuit of the electrical converter.
Основным недостатком рассмотренной схемы пьезоэлектрического преобразователя является зависимость выходного напряжения от емкости пьезоэлемента Со и действующей параллельно ей емкости кабеля Ск, 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.The main disadvantage of the considered piezoelectric transducer scheme is the dependence of the output voltage on the capacitance of the piezoelectric element C o and the cable capacitance C k acting parallel to it, which can vary significantly depending on environmental conditions and, first of all, depending on temperature and static pressure in the well. The instability of the output voltage under the influence of these factors leads to the fact that the converters of this type have low measurement accuracy. To reduce the instability of the output voltage, a stable capacitance and a correction resistor are usually connected parallel to the amplifier input, however, this only partially reduces the effect of destabilizing factors.
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. Another disadvantage of the considered circuit is the limited frequency range of the measured values in the low-frequency region. To expand the frequency range, it is necessary that the time constant of the measuring circuit is at least at least 10 seconds. Since the total resistance of the measuring circuit is determined mainly by the resistance of the surface leakage of the piezoelectric element and usually does not exceed 10 0 m, and the increase in the total capacitance of the measuring circuit is limited by the fact that the output voltage decreases, even with a sufficiently large total capacitance of 1000 pF, the time constant in converters of this type does not exceed 1 sec.
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. The closest to the proposed technical solution in terms of its technical essence and the achieved result is the device [2] adopted by us for the prototype, in which the piezoelectric transducer contains a two-electrode piezoelectric element made in the form of a plate of piezoelectric material, the opposite sides of which are in contact with the electrodes, and a charge amplifier, output which is connected to its inverting input through a parallel-connected resistor and feedback capacitance, moreover, one of the electrodes of the two-electrode piezoelectric ment connected to the inverting input of charge amplifier, and the other via a bus "earth" and the correcting resistor to its non-inverting input.
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. One of the advantages of this circuit compared to the considered analogue [1] is the possibility of increasing the sensitivity by reducing the capacitance in the feedback circuit, however, it is impractical to use a capacitance of less than 50-100 pF, since the parasitic capacitance arising in measuring circuit.
Другим достоинством схемы усилителя заряда с отрицательной обратной связью является возможность получения больших постоянных времени (порядка 10-100 сек.). Another advantage of the negative feedback amplifier circuit is the possibility of obtaining large time constants (of the order of 10-100 sec.).
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.Thus, this scheme allows under certain conditions to reduce the influence of destabilizing factors and, thereby, increase the accuracy of measurements compared with the considered analog [1]
The disadvantage of this converter with a charge amplifier is that in a wide range of temperature changes (from 10 to 100 degrees) and static pressure (from 10 kPa to 50 MPa), which, as a rule, occurs when working in wells, the destabilizing effect of these factors remains significant, which reduces the accuracy of measurements. This is explained as follows. The gain of a negative feedback charge amplifier depends on the ratio of the capacitance of the piezoelectric element to the capacitance in the feedback circuit. When working in a well, these elements of the considered circuit will be in different conditions. The piezoelectric element is subjected to simultaneous effects of temperature and pressure, while the rest of the circuit is protected from static pressure. Therefore, even if a thermostable capacitor is used as a capacitance in the feedback circuit, it is in principle impossible to achieve satisfactory stabilization of the gain in a wide range of changes in well conditions.
Целью изобретения является повышение точности измерений в широком диапазоне изменения температуры и давления в скважинах. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements in a wide range of changes in temperature and pressure in the wells.
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. This goal is achieved by the fact that in the known piezoelectric transducer [2] containing a two-electrode piezoelectric element made in the form of a plate of piezoelectric material, the opposite edges of which are in contact with the electrodes, and a charge amplifier, the output of which is connected to its inverting input through a feedback resistor, in which one of electrodes connected to the inverting input of the charge amplifier, the other electrode consists of two electrically isolated sections, one of which is connected directly to the output of the amplifier charge, and the other through the ground bus and a correction resistor with its non-inverting input.
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. In FIG. 1 shows an electrical diagram of the proposed piezoelectric transducer of pressure into an electrical signal; figure 2 the dependence of the output voltage on temperature for the proposed (curve 1) and the known (curve 2) converters; figure 3 the dependence of the output voltage on the static pressure for the proposed (curve 1) and known (curve 2) devices.
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 Ro.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 (+).The piezoelectric pressure to electric signal transducer contains (Fig. 1) a two-electrode
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 Со включен в измерительную цепь усилителя заряда, а другой (дополнительный) емкостью Со.с. в цепь отрицательной обратной связи параллельно резистору Ro.c..The sectioning of one of the electrodes of the two-electrode piezoelectric element actually leads to its transformation into a three-electrode piezoelectric element, which can be considered as two piezoelements (conditionally, main and additional) connected in parallel with respect to the common electrode, made on the same piezoelectric material, one of which (main) with its capacity С о is included in the measuring circuit of the charge amplifier, and another (additional) capacity С о.s. in the negative feedback circuit parallel to the resistor R oc .
Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.
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 Uвых.. Часть выходного сигнала через обратную связь, включающую параллельно соединенные резистор обратной связи Ro.с. и конденсатор емкостью Со.с., подается на инвертирующий вход усилителя заряда, стабилизируя режим работы последнего по напряжению. Кроме того, дополнительный пьезоэлемент, будучи включенным своим зарядом емкостью Со.с. в цепь обратной связи, осуществляет отрицательную обратную связь по заряду, обеспечивая более глубокую стабилизацию работы усилителя заряда.Under the influence of sound vibrations on the
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 Со/Со.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 Со.с., и величину резистора Ro.с., можно добиться полной компенсации дестабилизирующего влияния окружающий среды на результаты измерений в широком диапазоне изменения параметров и, тем самым, повысить точность измерений.The implementation of the main and additional piezoelectric elements on the same piezoelectric material in conjunction with the inclusion of an additional piezoelectric element in the negative feedback circuit allows you to automatically compensate for the influence of destabilizing environmental factors on the measurement results. Indeed, the gain of the charge amplifier depends on the ratio of the capacitances of the primary and secondary piezoelectric elements C o / C o.s. , and since both piezoelectric elements are made on the same piezoelectric material and operate in the same downhole conditions, under the influence of changes in these conditions, their capacities change proportionally. This means that, choosing the length of the additional piezoelectric element, i.e. its capacity C o.s. , and the value of the resistor R o.s. , it is possible to achieve full compensation of the destabilizing effect of the environment on the measurement results in a wide range of parameter changes and, thereby, improve the measurement accuracy.
На фиг. 2 представлен результат лабораторных испытаний предлагаемого преобразователя и устройства, принятого за прототип при изменении температуры окружающей среды от 25 до 125oC. 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.In FIG. 2 presents the result of laboratory tests of the proposed Converter and the device adopted as a prototype when the ambient temperature changes from 25 to 125 o C. Test conditions: the amplitude of the measured dynamic pressure of 2 kPa at a frequency of 2 kHz and a static pressure of 100 kPa (typical values for real measurements). Here
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 25oC. Из анализа кривых 1 и 2 видно, что предлагаемое устройство отличается большей стабильностью.In FIG. 3 presents the test result when the static pressure changes from 1 to 40 MPa. The dynamic pressure is the same as in the
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. Improving stability is especially important when measuring sound pressure in wells, when the temperature and static pressure change simultaneously in the most diverse combinations, which makes it difficult to use calibration characteristics to make corrections, since for this it would be necessary to measure temperature and static pressure at any time .
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93039900A RU2099678C1 (en) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | Pizoelectric pressure-to-electric signal transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93039900A RU2099678C1 (en) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | Pizoelectric pressure-to-electric signal transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93039900A RU93039900A (en) | 1996-02-20 |
| RU2099678C1 true RU2099678C1 (en) | 1997-12-20 |
Family
ID=20146168
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93039900A RU2099678C1 (en) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | Pizoelectric pressure-to-electric signal transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2099678C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2670712C1 (en) * | 2017-11-24 | 2018-10-24 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor |
-
1993
- 1993-08-05 RU RU93039900A patent/RU2099678C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.115 - 117. 2. Там же, с.117 и 118. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2670712C1 (en) * | 2017-11-24 | 2018-10-24 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor |
| RU2670712C9 (en) * | 2017-11-24 | 2018-11-29 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3993945A (en) | Measuring cells for measuring electrical conductivity of liquids | |
| US4058765A (en) | General displacement sensor | |
| US2225668A (en) | Method and apparatus for logging drill holes | |
| EP0315854B1 (en) | Measurement method for moisture content in the skin and apparatus therefor | |
| US3986109A (en) | Self-calibrating dimension gauge | |
| Marioli et al. | High-accuracy measurement techniques for capacitance transducers | |
| US7129713B2 (en) | Capacitive moisture sensor | |
| RU2099678C1 (en) | Pizoelectric pressure-to-electric signal transducer | |
| KR20040053121A (en) | Sensor capacity sensing apparatus and sensor capacity sensing method | |
| KR101068037B1 (en) | Sensor circuit | |
| US20080079435A1 (en) | Electrostatic Voltmeter With Spacing-Independent Speed of Response | |
| GB2210693A (en) | An electronic moisture measuring instrument | |
| RU2034288C1 (en) | Meter of grain moisture | |
| SU1035497A1 (en) | Ac polarograph | |
| SU819772A2 (en) | Device for seismic signal registration | |
| SU1651193A1 (en) | Method for measuring acoustic signal parameters in media and device thereof | |
| SU1163242A1 (en) | Device for measuring moisture of material | |
| SU670872A1 (en) | Stuck-on capacitange-type sensor | |
| KR100302459B1 (en) | Nonlinearity compensation method and its apparatus of capacitive sensor controller sensing the position precisely | |
| CN109557143B (en) | Capacitive humidity sensor interface circuit | |
| SU920524A1 (en) | Device for determination of physical chemical parameters of various media | |
| SU1296840A1 (en) | Electric level | |
| Bertone et al. | Elimination of the anomalous humidity effect in precision capacitance based transducers | |
| SU859960A1 (en) | Electric conductivity measuring device | |
| SU1201686A1 (en) | Capacitance level meter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090806 |