用于海底测量应用的 LVDT 传感器

趋势

精确、可靠、经久耐用

只有使用专门针对严苛的海底操作条件而设计的传感器,才能得到关键深水性能的精确测量结果。

海底环境是条件最恶劣的区域之一,任何传感器在其中都很难发挥正常性能。 尤其当其需要在水下应用中连续使用 20 年之久时更是如此。在海底环境中,海水深度达到 15,000 ft 时,会对传感器产生约 7,500 psi 的外部压力。在如此高压的深海环境中,许多传感器工作了一段时间后就会失效,而后更换传感器又将带来高昂的费用。通常情况下,更换传感器时的维护服务成本甚至比传感器本身的成本要高得多。正因如此,许多应用中都会将延长的传感器使用寿命列为一项操作规格要求。另一方面,海水也会对传感器金属造成侵蚀,不同深度的海水具有不同的氧气浓度、温度、pH 值、含氯量、生物活性、导电率和速度流量,更是加速了这种腐蚀。无论是点蚀、裂缝还是晶粒间腐蚀,都会造成传感器故障。

根据温度、盐度、氧气浓度和海水深度,LVDT 通常是唯一能够在海底条件下提供精确可靠的性能的技术。

浑浊或受污染的水体中,通常会滋生许多硫酸盐还原细菌,也可能影响传感器材料的性能。 海水的导电率很高,会促进宏电池腐蚀并增加电偶腐蚀,也会加快温度上升,从而进一步加剧腐蚀。微生物成因腐蚀也是一个非常严重的问题,根据不同的使用条件和传感器结构中所用的材料对传感器的操作产生不同程度的影响,在低级别的奥氏体不锈钢中尤其显著。这种腐蚀过程表现为材料性能退化,通常发生在焊接接头处,如果未能及时检查并作相应处理,可能会导致焊缝开裂。由于压力作用和海水对传感器的影响,海底应用对可靠操作构成了特殊挑战。根据温度、盐度、氧气浓度和海水深度,采用特殊合金构造和不透气密封的 LVDT(线性可变差动变压器)通常是唯一能够在海底条件下提供精确、可靠的性能的技术。

TE 的线性可变差动变压器 (LVDT)
TE 的线性可变差动变压器 (LVDT)

LVDT 是一种机电传感器,可将其以机械方式耦合的物体上的直线运动转换为对应的电子信号。 LVDT 线性位移传感器提供多个测量范围,可以测量各种移动,小到百万分之一英寸,大到 ±20 英寸。图 A 显示了典型 LVDT 的元件。变压器的内部结构包括一个初级绕组和一对以相同方式缠绕的次级绕组,两个次级绕组对称分布在初级绕组的两侧。线圈缠绕在具有热稳定性的单件式中空玻璃强化聚合物上,加上防潮层后,包裹在具有高磁导率的磁屏蔽层内,然后固定在圆柱形不锈钢护套中。该线圈配件通常是位移传感器的静止元件。运行时,适当的振幅和频率下产生交流电流,对 LVDT 的初级绕组通电,这一过程称为初级励磁。LVDT 的电子输出信号是两个次级绕组之间的差分交流电压,随纤芯在 LVDT 线圈内的轴向位置而异。通常情况下,该交流输出电压由适当的电子电路转换为更便于使用的高电平直流电压或电流。

LVDT 传感器

图 1:从这张剖视图上,可以明显看出帮助 LVDT 适应各种恶劣环境的特性。

密封 LVDT

如果传感器的周围都是腐蚀性或高压介质,则推荐在此类应用中使用密封 LVDT 以确保外部介质不会侵入绕组,从而为设备提供防水保护并有效阻隔可能缩短传感器使用寿命或降低可靠性的化学物质。
这些类型的 LVDT 都具有一个密封总成和一个厚壁金属护套,以及由 316 不锈钢或超级镍合金制成的整体式金属孔芯层。这种结构使得纤芯可以自由移动,同时防止周围介质侵入绕组。
除了重载护套之外,孔芯层和端部垫圈焊接在一起形成密封,有效避免了产生氧化作用并可能造成泄漏的故障。传感器线圈缠绕在具有热稳定性的单件式中空玻璃强化聚合物上,加上防潮层后,包裹在具有高磁导率的磁屏蔽层内,然后固定在圆柱形金属护套中。在条件严苛的应用中,可能还会使用特殊灌胶的复合物或封装树脂来进一步保护线圈绕组。
引线可通过玻璃密封接头或压缩衬套进行密封,封装在不锈钢外护套中或喷涂特氟隆涂层,以确保连接在极端环境中不会发生故障。典型的密封 LVDT 可以承受高达 3,000 psig 的工作压力。不透气的密封结构使纤芯可以承受高达 400°F 的温度。

专用护套材料

304 和 316 等许多常见的不锈钢材料都不能用于将与海水直接接触的传感器中。为了适应海底环境,LVDT 的外壳必须采用特种合金(见图表 1)制成,以增强对海水的耐化学性。这些超级合金可进一步增强 LVDT 总成的高可靠性,以确保其满足使用寿命延长的要求,甚至在器件完全浸没在深达 15,000 英尺的海水中并承受约 7,500 psi 的外部压力时,也能正常工作。由于更换海底硬件的成本原因,可靠性至关重要。

 

水体类型17-4PH 不锈钢316L 不锈钢镍合金 625
淡水
去离子水
地下水
微咸水
海水

在温暖的浅水中,适合使用蒙乃尔合金,因为它的金属成分可防御海洋生物附着在其表面。由不锈钢制成的护套和纤芯托架无法在温暖的浅水中保持性能稳定。合金 400 是一种特殊的镍基合金,可有效抵御微生物的点蚀和侵袭,从而使传感器能够在氧含量丰富的温暖浅水中正常运行。在深度超过 2,000 英尺、温度在 5°C 左右的环境下,可以使用不锈钢材质。

在深度达到 7,500 ft. 且外部压力超过 3,500 psi 的海底应用中,铬镍铁合金可有效避免腐蚀,因为其中含有较高的镍、铬和钼。

当设计采用合金 718 来提供抗压性和耐腐蚀性时,LVDT 总成可连续多年保持可靠运行,即使完全浸没在海水中也是如此。

虽然这些合金的成本高于不锈钢,但可以有效防御局部腐蚀以及元件的氧化和还原作用。

聚焦 LVDT

  • Macro Sensors SSIR 937 系列潜水式 LVDT 位置变送器就是其中一种专门设计用于在外界压力高达 7,500 psi 的深海环境下运行的 LVDT。这种 LVDT 的外壳采用专用合金制成,可在 15,000 英尺深的海水中承受约 7,500 psi 的外部压力并保持可靠的长期运行,平均故障间隔时间超过 100 万小时。
  • Macro Sensors 设计了一种海水防腐蚀、高压、弹簧承载式 LVDT,可在 5,000 psi 压力平衡式充油容器中使用。通过 316SS 和合金 718 提供抗压性和耐腐蚀性,LVDT 总成具有较高的可靠性,可在最低要求的使用寿命内连续运行,即使器件完全浸没在海水中也是如此。LVDT 设计的关键元件是零泄漏压力密封,已经过氦质谱检漏仪测试检验。

LVDT 线性位移传感器广泛应用于条件监控系统,作为海上平台、海水淡化、系泊电缆、海底井口装置以及石油和天然气采集系统等应用中的控制和安全性功能的一部分。 运行过程中,传感器可浸没在不同深度的海水中,具体与潮汐水平相关,最深可达 1,000 英尺。监控海上石油平台上的管道、吊杆、系泊、节流阀、延伸仪和其他重要的高应力组件的长期 FEA(有限元分析)的构造运动时,尤其需要精确、长时间运行的 LVDT。例如,海底 LVDT 可用于测量石油平台的结构部件延伸到零点几微应变。为了确保石油平台不发生位移,测量的运动距离应少于 2mm。海底 LVDT 也适合于提供监控和控制扼流圈或节流阀的状态所需的位置反馈,以便供应适量的天然气或石油流经“海底采油树”。海底采油树是指阀门的一个组件、线轴和油井的接头,形式上有点类似于装饰树。其功能是避免石油或天然气从油井中泄漏,同时指引从油井中流出的液体方向。

采油树上的阀门或扼流圈用于在油管从海床中采集石油时打开和关闭油管。 其可通过液力或电力致动器进行远程控制。监控和控制扼流圈状态时,需要位置反馈作为海底控制模块的一部分。安装在阀门致动器上的单个或冗余 LVDT 用于确保在扼流圈几乎关闭时,液流完全停止。如果不能完全关闭扼流圈,则可能出现环境灾难,重蹈近期海湾地区的覆辙。海洋扼流圈分为多种尺寸,但典型的全冲程系列在 2-12 英寸之间。LVDT 还可用于海底塔中,监控安全电缆的延伸,从而在恶劣天气或地震时提供重要信息,疏散钻井平台并关闭油井。此类应用是在石油和保险公司强制要求的安全和环保政策下应运而生的。

总结

随着装载系统、海底系泊电缆、控制阀、扼流圈、海水淡化装置和平台稳定性等应用中对接触海水的传感器的需求增加,在指定传感器时务必要考虑到海水环境、位置和条件,这一点很重要。必须精心挑选能够承受高压和可变腐蚀属性的材料,以确保可靠、无故障地运行。还应考虑长期拥有成本,因为某些位置(尤其在海床上)很难到达,而且更换失效的传感器需要耗费大量的金钱,并造成很长时间的停工期。海底 LVDT 具有与标准设备相差无几的可靠性能,同时对海水的耐化学性更强,因此越来越受到欢迎并逐步替代可靠性较差的线性位置技术,例如海底监控系统中用于测量位置的 POTS 和磁阻传感器。