泥浆脉冲遥测:压力传感器传输随钻测量数据

泥浆脉冲遥测:压力传感器传输随钻测量数据

液压数据传输需要能够承受高压的灵敏压力传感器。在钻井测量(MWD)应用中,这一点尤为突出。

随钻测量已成为一种标准应用,尤其是在近海定向钻井方面。实时数据采集对于测量钻孔的轨迹是至关重要的。为此,钻头上安装了各种各样的传感器,以便实时提供钻井环境的信息。当然也会用到倾角传感器、温度传感器、超声波传感器和辐射感测器。

这些传感器表面或是数字上接入到一个逻辑单元从而将信息转换成二进制数字。井下数据通过泥浆脉冲遥测传输到地表。除检测和控制钻井外,这些数据也用于以下方面:

  • 钻头情况信息
  • 钻孔的地质形成记录
  • 性能数据统计以确保方案改进
  • 未来钻探的风险分析

泥浆脉冲遥测技术是一种用于液体的二进制编码传输系统。这是通过一个阀门实现的,这个阀门可以改变钻柱内的钻井泥浆的压力,从而将安装在钻头上的传感器的记录转换成压力脉冲。压力脉冲是通过压力传感器测量的,并转换成电子信号传输到电脑被数字化。

STS为海上定向钻井公司提供模拟信号压力传感器,优化了泥浆脉冲遥测技术。这些传感器必须非常灵敏才能可靠地记录哪怕是最小的压差。同时,这些传感器必须能承受高达1000bar的压力。在深井钻孔中需要很大的压力为钻头提供动力。用于泥浆脉冲遥测的压力传感器也需要承受此压力。

除了高灵敏度外,还需要非常快的响应时间来确保实时数据通信。为了排除错误的测量结果,测量仪器应该低噪音。尤其是泥浆泵在钻孔中会产生很大的噪音。钻孔的驱动器是另外一个干扰源。为此,采用 4 – 20 mA输出模拟量传感器是泥浆脉冲遥测技术的最佳解决方案。

合适的泄露测试设备

合适的泄露测试设备

许多应用中的组件要求必须防泄漏以确保正常的运行。泄露测试通常是由高标准的压力传感器进行的。

需要防漏的应用和组件,包括:

  • 发动机,制动系统,空调系统,气缸盖,阀门,过滤器,燃油喷射系统
  • 食品工业或是医疗技术行业的包装
  • 电器用品
  • 制冷系统
  • 液压系统

紧密部件通常在安装前就已经密封好。因此,泄露测试设备在生产过程中要求非常安全可靠。

通常泄露测试是通过压力测量来实现的。压力作用在组件上,片刻之后再次测量压力。如果在两次压力测量后压力下降,那么这个组件就会被认为是泄露。 

压力传感器的稳定和精确性对于泄露检测是至关重要的。尤其关于稳定性和大气噪声的负面影响要求特别高。即使细微的压力损失也要检测到。

例如,一个10bar的压力传感器,精度之不能超过10…20pa,或是满量程的0.001% … 0.002%。

多年来,STS一直在生产用于泄漏检测的传感器。产品包括 ATM 系列模拟量压力变送器 4 … 20 mA 输出信号。高精度测量元件可以检测到mbar范围内的压力损失从而满足泄露测试应用的高要求。

机械设计(压力连接和电气连接)并不会影响到传感器的功能,并由于STS模块化设计可以进行配置。

ATM系列的压力传感器可提供不同输出信号。然而在此应用中,4…20mA在很大限度上不受大气噪音的影响。

更多泄露测试信息请点击 这里.

不锈钢的氢脆现象

不锈钢的氢脆现象

压阻式压力传感器的芯片通常被一层不锈钢膜片包围。不锈钢应用在很多的测量仪器壳体上,但是如果与氢发生接触,这种物质就会变得脆弱,从而破裂。

氢脆不仅影响不锈钢也会影响其它的金属。这也是为什么在氢气应用中只能采用钛金属。

什么是脆变?

氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。延迟断裂指的是材料承受的应力低于静载断裂强度,经过一段时间后发生的断裂。根据它的类型呢,不锈钢变形超过25%,没有这种能力的材料称之为脆性材料。

但是延性材料也会变得脆弱。当这种材料的脆化是氢吸收的结果,这就被称为氢脆。

氢脆发生在氢原子扩散到物质的时候。氢脆的前提条件通常是氢腐蚀。

氢腐蚀也称之为酸腐蚀,通常发生在缺氧和金属接触到水的时候。这个氧化还原反应的最终产物是纯氢,然后使得金属氧化。金属以离子的方式进入溶液,使材料被均匀地降解。

由于氢原子大小只有0.1纳米,这种氧化还原反应释放出的氢会扩散到不锈钢中。氢作为原子间质直接占据材料的金属晶格。这里的晶格会增加吸收能力。这就导致了材料的化学疲劳,最终即使是在低负荷的时候,产生内部到外部的裂缝。

氢和压力传感器

由于它的密度很小,氢不仅能穿透物质,而且能完全渗入。因此可能会发生物质的脆化。 压阻式压力传感器的金属膜片非常薄,膜片越薄,传感器就越灵敏和精准。如果氢渗入并穿透膜片,它能够与传感器芯片周围的转移流体发生反应。因此,由于氢的吸附作用,测量电桥的计量性能发生了变化。与此同时,由于这些沉积物也可能会产生压力增加。,从而使得传感器膜片变形,最终完全破坏。

除了使用较厚但不是很精确的膜片外,使用金基合金可大大改善这种情况。更多信息请点击这里。

高温下的高精度压力测量

高温下的高精度压力测量

在某些应用中,要求压力变送器即使在高温下工作也要保持可靠的性能。在化学和食品工业中使用的供设备消毒的高压灭菌器也在此范畴中。

高压灭菌器是一种工业较大范围内应用的压力舱。它们的特点是高温和不同于周围的环境压力的压力。例如,医用高压灭菌器用于在134℃的高温环境中杀灭细菌、病毒和真菌从而对设备进行消毒。压力舱中的放气阀被热蒸汽代替。最常用的方法是向下位移: 蒸汽进入压力舱并通过将冷气压入底部填充上部区域。在那里,它通过一个装有温度传感器的排水管道疏散。当所有空气都被疏散且高压灭菌器的温度达到134℃,这个过程就停止了。

高温下的精准压力测量

高压灭菌器里用的压力传感器用来监测和校验。由于标准压力传感器通常在室温下进行校准,因此在高温和潮湿环境下,它们无法达到最佳的准确度。然而,STS最近碰到了一位制药行业的客户,其要求在134℃下总误差在0.1%的情况下测量-1…5bar的压力。

硅压阻压力传感器对温度相当敏感。但是温度误差可以补偿因此设备就可以针对个别应用程序所遇到的温度进行优化。举个例子,如果您使用标准压力传感器,在室温下达到了0.1%的精度,那么在用于高温灭菌舱且温度高达134℃的条件下,这个设备则无法达到同样的精度。

用户需要一个在高温下达到高精确度的压力传感器,因此需要一个相应设备来校准。在一定温度范围内校准压力传感器是一回事。然而,询问了关于高压灭菌器应用的高精确度要求的客户对我们来说还有另一个挑战要比常规校准传感器更难实现:不仅传感器元件要在134℃的高温灭菌舱里,而是整个传感器及其电气元件全部要在里面。遗憾的是,我们不能详细说明我们是如何组装一个数字式传感器使它能在134℃的情况下既实现所需精度小于0.1%,也能够使它的其他组件能够处理高温和潮湿的情况。

总之 ,硅阻式压力传感器对于温度的变化是十分敏感的。然而,拥有精准的技能,它们就可以针对单个应用的需求进行优化。此外,不仅传感器元件可以进行相应的校准,整个传感器也可以以一种甚至是可以管理的方式进行组装。

流量测量

流量测量

气体或液体的流量测量是出于多种考量的,当然包括作为合约之一的商业考量和不同的生产过程因素。流量或体积流量 (体积/时间)可以通过测量的压力值来记录。

体积流量的测量方法多种多样。除了超声波流量传感器 ,还包括磁感应传感器和根据不同压力方法工作的传感器,其中包括孔板,文丘里喷嘴和普朗特毕托管。当对测量值进行评估时,伯努利方程适用于运用压差法的所有传感器:

Q = V/t = VmA

Q = 体积流量
Vm = 平均速度
t = 时间
A = 面积
V = 体积

Image 1: Orifice plate

现在我们将以孔板来测量体积流量为例。通过将孔板固定在管道上,造成管道局部收紧。当流量一致时,孔板前后压力不变。

p1 + ½ ρv12=p2+ ½ ρv22

p = 压力
ρ = 密度
v = 速度

这个设想是建立在连续性方程的基础上的,它表明管道内液体的质量不会增多也不会减少。

v1A1 = v2A2

v = 速度

A = 面积

Image 2: 流量测量

然而现实状况下,摩擦力的发生导致压强下降:

p + ½ ρv2 + wR = constant

p = 压力
ρ = 密度
v = 速度
wR = 体积摩擦力

Image 3: 压降  

这个压降对于确定体积流量很重要。然而,摩擦效应本身取决于很多因素。基于此,我们使用了一个经验公式,它反过来又依赖于经验值:

Q = 4000 αεd2√∆p/ρ

Q = 体积流量
α = 经验流量系数
ε = 膨胀系数 
d = 内孔直径
∆p = 压差
ρ = 密度

为了让用户更容易接受这个公式,测量系统和测量介质的所有常数都可以被概括为常数c。例如:

Q = c √∆p