孫 彤 蘇 星 吳興俊 許建政

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 前言

在井下工作的儀器的某些器件會(huì)受環(huán)境影響而發(fā)生腐蝕，對(duì)輸油管道來(lái)說(shuō)，腐蝕作用會(huì)影響其運(yùn)輸工作的進(jìn)行，此問(wèn)題的解決方案多為人工投放防腐材料，其主觀性和經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)。因此需要一款輔助裝置對(duì)防腐材料作用進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)初步試驗(yàn)和綜合考慮后，該文采用測(cè)量壓力的方式來(lái)反映井下防腐材料的作用時(shí)間。

目前國(guó)內(nèi)外大多使用機(jī)械式壓力計(jì)進(jìn)行壓力測(cè)量，并通過(guò)各種機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)使測(cè)量結(jié)果更加精確，但是其裝置體積較大，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

國(guó)外也有類似功能的產(chǎn)品，LAWRENCE D CLAYTON等人提出了石英厚度剪切模式下的壓力傳感器靈敏度可增強(qiáng)設(shè)計(jì)，為井下探測(cè)裝置的靈敏度提升提出了一系列的設(shè)計(jì)方案。

該裝置的基本要求是耐高溫、耐腐蝕、密封條件良好，對(duì)電池的能耗量要求低，電池和零件耐用，該文結(jié)合以上理論研究和設(shè)計(jì)實(shí)踐，設(shè)計(jì)了小巧輕便的井下輔助防腐材料作用監(jiān)測(cè)裝置。

1 研究思路

該裝置的最終目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)井下的壓力來(lái)掌握合理的投放防腐材料的時(shí)間、數(shù)量和位置，裝置主要由傳感器、放大器、單片機(jī)、存儲(chǔ)器等電子元件以及相關(guān)保護(hù)裝置組成。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 防腐部分

防腐材料使用復(fù)合材料溶鋁基合金，此材料可以加工成各種形狀，遇水會(huì)逐漸溶解，并釋放出來(lái)。在實(shí)際應(yīng)用中，在外表面與水接觸一段時(shí)間之后，防腐材料會(huì)逐漸釋放，起到延時(shí)的效果。

該裝置監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)指標(biāo)為流入底部圓孔中的壓力值，在實(shí)際操作中，由于環(huán)境等因素的干擾，液體與底部圓孔的接觸面積會(huì)發(fā)生不規(guī)則變化，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的區(qū)分度不明顯，不能直觀地反應(yīng)防腐片是否已經(jīng)發(fā)生了作用。因此，該文從流入結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，將防腐片加工成環(huán)狀，遇水緩慢溶解，使其充分地發(fā)揮作用。除此之外，為了防止片與片之間發(fā)生堆疊，該文設(shè)計(jì)了新型防腐結(jié)構(gòu)，通過(guò)錐形的結(jié)構(gòu)起到促進(jìn)融化的作用。

具體過(guò)程如下：液體從小孔內(nèi)流入，和防腐片發(fā)生作用，使壓力發(fā)生變化，傳感器壓力信號(hào)最終轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，接入存儲(chǔ)器，得到數(shù)據(jù)并保存。通過(guò)數(shù)據(jù)的分析獲得每個(gè)單元防腐材料發(fā)揮作用的時(shí)長(zhǎng)，最終達(dá)到定時(shí)、定量、定段地投放防腐材料，實(shí)現(xiàn)輸油管使用壽命的延長(zhǎng)。

2.2 結(jié)構(gòu)元件

壓阻式傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上，制成硅壓阻芯片，并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：壓阻系數(shù)是表征半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)的特性參數(shù)；為應(yīng)力；為電阻；Δ為電阻的變化量。

電阻不僅隨不同材料而不同，而且是各向異性的，同一材料在不同方向的壓阻系數(shù)也各不相同。各向同性的材料的壓阻系數(shù)無(wú)方向性，這時(shí)公式（1）成立。對(duì)各向異性的立方晶體單晶硅來(lái)說(shuō)，其壓阻系數(shù)與晶向有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于各向異性，當(dāng)其隨硅膜片承受外力時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生縱向（電流方向，即電阻條長(zhǎng)度方向）壓阻效應(yīng)和橫向（電阻條寬度方向）壓阻效應(yīng)，而深度方向的壓阻效應(yīng)因電阻條厚度極?。◣孜⒚祝?，且本方向上應(yīng)力遠(yuǎn)比縱向、橫向小而可忽略。因此，擴(kuò)散電阻在縱向、橫向應(yīng)力作用下產(chǎn)生的全壓阻效應(yīng)可用公式（2）表示。

式中：σ和分別為縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力；π為縱向壓阻系數(shù)，反映由縱向應(yīng)力引起的縱向電阻的變化率；π為橫向壓阻系數(shù)，反映由橫向應(yīng)力引起的縱向電阻變化率。

由于井下的溫度等要求條件較高，因此采用硅壓阻式隔離壓力傳感器。傳感器由基體、波紋膜片、芯片構(gòu)成。如圖1所示。

圖1 硅壓阻式隔離壓力傳感器

圖2 防腐片位置及排布

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管體呈圓柱形，頭部由多個(gè)環(huán)狀防腐片、密封圈和密封蓋組成，管體和密封蓋使用耐高溫耐高壓的材料，防止井下的其他液體進(jìn)入，保護(hù)內(nèi)部元件。防腐片位置及排布如圖2所示。

為了防止片與片之間發(fā)生堆疊，該文將每個(gè)單元前部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為錐形，將防腐片加工成環(huán)狀。防腐片遇水慢緩溶解，發(fā)揮作用。液體從上端小孔流入后，擴(kuò)散到錐形結(jié)構(gòu)的第一層，與第一片防腐片發(fā)生反應(yīng)，并隨著液體的增多，逐漸靠近錐形的底部，直至與所有的防腐片發(fā)生作用。在這個(gè)過(guò)程中，液體始終通過(guò)錐形的外壁流入底部環(huán)形孔隙而測(cè)得壓力。多單元的壓力測(cè)量裝置如圖3所示。

圖3 多單元的壓力測(cè)量裝置

前段共設(shè)置三個(gè)重復(fù)單元，利用壓力傳感器的示數(shù)變化來(lái)反映防腐材料是否發(fā)生了溶解以及溶解的作用情況。當(dāng)1中防腐片完全發(fā)生作用之后，液體經(jīng)過(guò)傳感器上端設(shè)計(jì)的兩側(cè)孔道流入3的上端小孔繼續(xù)發(fā)生作用，重復(fù)以上步驟，即可得到多個(gè)單元的防腐作用情況。

管體中后部為單片機(jī)、電路、電池架和儲(chǔ)存條，器件均固定在管壁上，電器元件之間通過(guò)孔道相連。將三個(gè)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)比其電壓的突變范圍，即可反映防腐片的作用情況。

3 電路結(jié)構(gòu)

3.1 主控器

Arduino能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過(guò)Arduino的編程語(yǔ)言來(lái)編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，收錄進(jìn)微控制器。鑒于井下的特殊要求，采用Arduino Nano單片機(jī)。單片機(jī)由抗高溫、抗高壓的電池進(jìn)行供電，它是Arduino USB接口的微型版本，最大的不同是沒有電源插座且USB接口是Mini-B型插座。Arduino Nano的尺寸非常小，其處理器核心是ATmega328（Nano3.0），同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），8路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)mini-B USB口，一個(gè)ICSPheader和一個(gè)復(fù)位按鈕。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，首先從壓力傳感器處接收信號(hào)，接著進(jìn)行放大處理，從單片機(jī)的串口監(jiān)視數(shù)據(jù)的變化，最終儲(chǔ)存到儲(chǔ)存條中。這一過(guò)程方便了數(shù)據(jù)的讀取和處理。

圖4 總設(shè)計(jì)圖

3.2 電壓放大器

由于傳感器的信號(hào)為毫伏級(jí)，不能達(dá)到單片機(jī)的采集要求，因此需要放大器。

差分放大電路的兩種基本輸入信號(hào)是差模和共模，由于其電路的對(duì)稱性，當(dāng)兩輸入端所接信號(hào)大小相等、極性相反時(shí)，稱為差模輸入信號(hào)；當(dāng)兩輸入端所接信號(hào)大小相等、極性相同時(shí)，稱為共模信號(hào)。該裝置將要放大的信號(hào)作為差模信號(hào)進(jìn)行輸入，而將由溫度等環(huán)境因素對(duì)電路產(chǎn)生的影響作為共模信號(hào)進(jìn)行輸入，最終的目的是放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。采用高精度毫伏差分電壓AD62O儀表放大器變送器模塊，關(guān)鍵的器件使用AD620，電壓放大器經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，放大倍數(shù)為1-10000倍，且為深度負(fù)反饋，穩(wěn)定性極好。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由四部分組成，分別是壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)的存儲(chǔ)回放部分，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)原理圖

壓力傳感器直接接觸液態(tài)介質(zhì)以傳遞壓力信息，傳感器將采集到的壓力信息以特定的轉(zhuǎn)換協(xié)議轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，先經(jīng)過(guò)放大器的調(diào)節(jié)，放大微弱的原始電流信號(hào)。

放大后的電流信號(hào)仍是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)其進(jìn)行處理，以完成模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的任務(wù)。最后得到的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中或?qū)崟r(shí)輸出到單片機(jī)的串口中，并實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)的屏幕上。存儲(chǔ)功能由SD卡模塊實(shí)現(xiàn)，電流信號(hào)會(huì)由系統(tǒng)電路打包輸入SD卡中，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，再由上位機(jī)中讀取SD卡模塊進(jìn)行信息的回放。

3.4 電路設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的電路如圖6所示。

圖6 電路設(shè)計(jì)原理圖

單片機(jī)中的程序負(fù)責(zé)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)采樣和A/D轉(zhuǎn)換，采集到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)串行通信口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中的應(yīng)用程序中進(jìn)行信號(hào)處理與分析。

試驗(yàn)結(jié)果表明，正常情況下的壓力狀態(tài)值為53、51、51、52、54，施加外部壓力之后壓力值為116、117、115、113。驗(yàn)證了如果防腐片溶解發(fā)生作用，會(huì)使串口輸出的壓力值發(fā)生突變。

4 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)井下防腐材料作用的監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)性和實(shí)際應(yīng)用做了深入研究，從理論基礎(chǔ)上提出了許多設(shè)計(jì)方案，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。國(guó)外研究者注重基礎(chǔ)理論研究的同時(shí)，也對(duì)設(shè)備的實(shí)物設(shè)計(jì)研究做出了貢獻(xiàn)，從理論基礎(chǔ)上討論了提高靈敏度的問(wèn)題，著重于長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)處理和分析。

該文在上述啟發(fā)之下，結(jié)合實(shí)際條件，設(shè)計(jì)的裝置小巧、輕便，具有一定創(chuàng)新性，以壓力為介，有效地實(shí)現(xiàn)了防腐材料作用的監(jiān)測(cè)。后續(xù)將在結(jié)構(gòu)的抗震性、密封性、監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、耗電量上進(jìn)行更深一步的研究。