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白皮书

极度可靠

要制造能在极限温度条件下工作的变送器,首先需要研发能够承受最恶劣环境的传感器。

作者:

传感器解决方案营销经理 Greg Montrose

运行环境对于压力变送器的持续运行和准确性非常重要。 如果压力变送器未经过妥善处理,不具备应对亚北极区和极寒液体等环境条件的能力,则会过早地出现故障,并对设备造成灾难性故障。尽管压力变送器规格单可让我们了解到传感器在环境条件下的性能、特定温度范围的预期读数以及表示压力变送器在不同条件下的性能的各类术语和缩写词,但是更为深入地了解变送器的结构将有助于确定传感器在极限环境下的性能情况,尤其是低温环境下的性能。

AST46DS 防爆型压力变送器
AST5300 系列差压传感器

压力变送器的隔离膜上一般会安装有某种应变片,用于测量压力。 这些应变片可使用胶水或薄膜沉积涂覆,也可密封在油中或使用玻璃烧制工艺进行安装。随着隔离膜的弯曲,电阻值会发生改变。在各类情况下,温度的影响也会改变该输出信号的电阻,导致传感器出错。

……温度的影响也会改变该输出信号的电阻,导致传感器出错。

传感器的存活能力可在寒冷气候条件下进行检测。 如果温度低于 -20°C (-4° F),装满油的传感器会胶化和变硬。陶瓷技术可让机械加工端口和隔离膜之间的 O 型环变硬、变脆。这会破坏传感元件的完整性,并形成潜在的渗漏通道。要防止传感器温度降至运行温度范围以下,则必须改变传感器的位置和环境。加热的箱子或房间可用于保护传感器,并防止传感器的温度达到冻结温度。在偏远的地方,太阳能供电的仪器可能无法随时获得电力。因此,对传感器进行加热的能力有限,甚至无法实现。例如,阿拉斯加、亚伯达、英属哥伦比亚、萨斯喀彻温和北达科他州的油井设备会遭遇低至 -50°C (-60°F) 的温度,这些地方的传感器直接安装在室外的管道上,用于监控井口的液压、套压和管压。

工艺介质结冰是寒冷气候的间接结果。 在某些天然气钻井应用中,天然气管道中存在着水。在关闭系统,且温度跌至冰点以下后,管道中的水会结冰并膨胀,导致压力传感器长时间超载。这种膨胀会带来 500 PSI (35 bar) 至 1,000 PSI (70 bar) 的峰值压力。对于 100 PSI 系统来说,压力会升至 1,500 PSI (100 bar)。对于很多传感器技术来说,下部压力隔离膜的这种张力会导致应变片故障或者隔离膜破裂。为了防止传感器故障,传感元件必须在一定时间内维持压力增加,并且不影响解冻后传感器的准确性。特殊型腔设计以及特殊耐压能力和校准是保证传感器不会因为型腔内介质的冻结而发生故障的最佳方式。

压力传感器在钻井作业中发挥着关键的作用。
压力传感器在我们每天所依赖的系统和机械中发挥着关键的作用。

为了通过电气方式补偿温度的变化,压力变送器制造线会对传感器进行压力和温度测试,进而针对温度的影响进行调整。 由于每个传感器和应变片都是独一无二的,因此最好的做法是测试每一台传感器的具体属性。传统方法是使用电阻器削减或降低原始输出信号,优化传感器在被测温度范围下的性能。然后,传感器会使用电路板组件,将毫伏信号放大至所需的输出信号(例如 4-20mA)。某些压力变送器可调节零点和量程。隔离膜疲劳后的输出信号漂移通常需要这种功能。由于数字处理电路的成本变低,尺寸变小,通过 ASIC(应用特定集成电路)实现数字补偿的做法越来越广泛。在低温条件下,对压力传感器进行温度测试时,我们会对 ASIC 进行编程,通过某些设计来纠正非线性或偏离理想输出信号的现象。ASIC 的温度可使用热变电阻器等温度传感器在量规进行补偿,也可以在 ASIC 本身进行补偿。主要差异为介质温度。如果根据 ASIC 温度进行补偿,那么由于靠近介质,温度读数会不准确。在寒冷气候条件下,ASIC 的读数可能会接近环境温度,而介质则可能是高温液体或气体。测量量规的温度会产生最快的响应和动态补偿,进而优化性能。

  1. 进入传感器视界

传感器可增强我们观察及分析周围世界的能力。想象与实现之间的区别就在于传感器所检测到的内容。

与压力变送器相关的另一项制造进步是提供独立温度输出信号的能力。 系统集成商现在可紧密监控一台设备的介质温度变化,降低安装成本以及增加传感器的成本。在左下方的图片中,您会看到一个一体式不锈钢传感元件,这个元件经过机械加工,因此没有焊接点或内部 O 型环。由于这种设计中没有焊接点或接合点,因此在宽运行温度范围下的疲劳值要低得多。这些防爆压力变送器采用非常厚的隔离膜和先进的硅应变片,即使在深井钻孔的不利环境中(如右下方图片所示),也能够提供可重复的结果。新增的 Alloy 718、17-4 PH、Alloy C-276 和 316 L SS 润湿部件能够进一步扩展这些压力变送器在重油和高硫加工中的用途。

总结

对于整个系统的设计,了解细节能够优化决策的制定。尽管压力变送器的包装和尺寸相仿,但从机械和电气角度测量压力依然极为困难。所使用的材料也不尽相同,因此需要进一步分析。与您的压力变压器制造线合作,寻找符合您需求的设计。