CN1662800A - 具有可设置的参考压力的测量压力差的装置 - Google Patents

Abstract

用于在需要位置感测压力变化的压力差传感器，该传感器包括感测部分和参考部分，以产生表示它们之间的差值的输出，感测部分和参考部分都和围绕传感器的压力连通，直到传感器被放置到需要感测的位置，然后参考部分关闭，以获得在需要位置的当前压力，随后任何压力的变化将产生表示压力差的信号。

Description

具有可设置的参考压力的测量压力差的装置

技术领域：

本发明属于压力传感器领域，特别是属于压力差传感器领域。

背景技术：

为了测量压力差，长久以来通常用绝对压力传感器并且测量两次连续读取的数值，两次的差值就是压力差。另外常用使用预先确定的参考压力并且检测感测的压力和参考压力之间的差值的压力传感器。Honeywell生产同时采用这两种原理操作的压力传感器，分别已知为PPTR 3000AP2VB(绝对压力传感器)和PPTR3000GP2VB(参考压力为周围大气)。

发明内容

在一些安装和替换压力传感器非常昂贵或者困难的情况下，或者遇到高绝对压力和检测小压力差值的情况，比如，在油井应用中，其中使用许多安置在管道不同位置的压力传感器来确定从深井里面抽出的油的流速，上述两种压力传感器都不能提供精确和容易使用的压力差传感器。举例说明，在抽油的情况下，在油管不同位置的油的压力可能高达25000psi，并且1psi的变化可能就认为是很重大的。提供能在两次连续的读数间精确测量1psi，也就是25000分之1差值的传感器是极其困难，并且至少是非常昂贵的。当使用相对于参考压力工作的压力传感器时，问题就简单了，因为参考压力可以预先设置成与感测的压力大约相同。这样，就能够使用具有100分之1精度的传感器来检测高绝对压力环境下小的psi值的变化。然而实际测量微小的压力差时，当需要在管道不同位置使用时，特别是当传感器所处的绝对压力不知道，或者绝对压力随着管道长度而变化时，使用参考压力变得非常麻烦和昂贵。在这种条件下，具有预先设定的参考压力源是相当不切实际的。当使用反复试验时，频繁的从管道的需要位置取出传感器，以使更新参考压力源来匹配需要位置的环境压力，然后再把它重新放回需要位置是非常困难和昂贵的。

本发明通过提供参考腔来避免了上述问题，当传感器定位在需要的位置处时，该参考腔，类似感测腔与周围压力连通。这样填充参考腔的流体就自动与该处的环境压力相等。一旦参考压力建立，参考腔可以关闭或者与外界压力封闭，参考腔内的压力保持固定，而感测腔继续感测周围压力。感测的压力和参考压力的差值即被测量，并且微小的变化(比如1psi)能用远不昂贵的检测器(比如一个具有100分之1精确测量能力的检测器)容易检测到。

附图说明

图1示出了简化的油抽吸结构的截面；

图2示出了带有都与环境压力连通的感测和参考腔的压力差传感器的截面；

图3示出了图2的压力差传感器的截面，参考腔与外界压力封闭；并且，

图4示出了用于控制管道流量的设备的示意图。

具体实施方式

参考图1，图中泵10与从地表面14向下延伸直到流体池16的地下管道12相连，该流体池在以下描述中被认为是油池。油中通常混有沙子或其它地质物。应该注意的是，油可以从地面以下位置通过其他方式提取，例如用压力，而不用泵，并且单词“泵”在这里应该被理解为包括其他提取的形式。而且，本发明也可以用于钻孔过程中检测压力变化，并且管道12可以是钻孔。如这里使用的，“管道”应该理解为包括任何管路或者包括洞的孔。无论如何，管道20可以改变方向，比如在弯曲处18，并且随后沿着管道(或洞)部分20通过油池16。在一些情况下，诸如由标号22所示的水槽可以位于油池16的邻近部分。泵10运转将油从槽16通过管道12和20抽出，并从出口管道24出来进入下游的接收装置(没有画出)。然而，油抽出的速度太快可能导致水冲进油移动而形成的任何空隙，因此，控制抽吸的速度和避免任何水进入管道12和20是非常必要的。这样，就需要非常精确的流量测量。

为了测量管道12和20中油的流量，很多的压力传感器30布置在沿着管12和20的不同位置或地方31。虽然图1中显示了6个这样的传感器，在实际中可以使用不同数目的传感器。而且，像即将看到的一样，传感器的位置可能随时会改变。压力传感器30(将结合图2和图3描述的范例)运行为检测压力的变化，也就是，不同位置的压力差，这些信号被送到图1所示的由一条线34连接到泵10的处理器32，从而利用熟知的技术，沿着管道12和20的流速或者流场就可以被测定，并用来控制流速。能够理解，沿着管道的油压可能从大约6000psia到高达大约25000psia，并且可能需要检测小于1psi的压力变化，从而精确测量流量。同样可以理解，在需要的位置布置大量的传感器是非常困难和费时的过程，这就需要在很多情况下，使用的传感器不需要卸下或者重新安装。

图2和3显示的是本发明中的压力传感器30中的一个实例的截面图。在图中，上壳体40和下壳体42显示为分别提供了上腔44和下腔46。陶瓷、硅，或者其它可变形材料的隔膜48保持在上壳体40和下壳体42之间，并且腔44和46的形状允许材料48随着其间压力差的变化向上和向下弯曲。比如一个或者多个压阻设备49之类的传感器固定、刻蚀、或者以其他方法连接到表面，或者整合到隔膜材料48中，也可以连接形成惠斯通电桥，其产生代表材料48变形的电信号，即为两个腔44和46之间的压力差。这些信号可以通过从管道20和12引出的导线50、52、54和56传导通过泵10和通过线34到达图1的处理器32，或者，替代的，信号可以送往发射器58，如由虚线连接59所示，从而发送声波或者r-f信号，如箭头60所示，直接到达处理器32。无论用哪种方式，处理器32用熟知的方法对信号进行处理，以确定感测的压力和包括的流场。处理器32还可以提供可视化的压力/流量信号，比如在指示器58处，并且/或者可以以这样的方式通过连接34提供控制信号来改变泵10的运转，使得控制通过管道12和20的流速。其它用于控制管道12和20中的流量的办法可以包括使用阻隔设备，用于引起管道的截面积发生变化，或者通过来自处理器32的信号来控制的松紧阀，如箭头61所示。一种这样的设备会连同图4一起介绍。

像提及的一样，管道12和20还可以表示油田中的钻孔，压力差周围部分可以在钻井时开启和闭合，以随着时间的过去在不同地点给出压力的变化。这将可以在不同位置测量压力。在这样的应用中，泵不是必需的。

在图2和图3中，一个或者更多的管道，比如管道62和63显示为分别穿过上下壳体40和42，且进入腔44和46中，从而允许来自周围的油的流体在其中流动。这种通用类型的传感器在工业中是熟知的，这种传感器的实例可以在上面提及的Honeywell传感器PPTR3000GP2VB中找到。

在本发明中，管道62和63均暴露在相同的环境压力P1下。然后，当达到平衡后，管道之一(假定管道62)封闭，比如通过机载的装置例如电池组64和可以通过表面命令开启和闭合的开关65，例如通过穿过管道12和20的导线，或者通过来自控制发射器66的信号，该发射器可操作为发射激活信号，如图1和3中箭头67所示。开关65的激活然后操作为给致动器68加电压，该致动器在图3中显示为可操作为激活诸如阀69之类的闭合器，该闭合器阻碍管道62和从周围环境中封闭腔44，从而使腔44中的压力P1固定，使其中的压力不再变化。之后，压力的变化会影响腔46而不影响腔44，以使P1和P1±很小的偏差x之间的压力差被测量。应该注意的是，两个腔都处在同样的温度和压力环境下，并且都使用相同的传感器，因此，显著的减少很多温度，压力，和滞后误差。也可以使用能够承受非常高温度的压力传感器，从而允许本发明用于很高的温度环境下。如果以后需要重新打开管道68，使腔44中建立新的参考压力，(比如允许传感器30移动到另一个位置)，那么致动器68被另一个由发射器66发出的信号67激励，从而打开阀门68，这样使新的参考压力进入腔44。虽然关闭管道60的方法已经显示为通过电池组64、开关65、致动器68和阀门69但是可以使用任何合适的方法。例如，如果不需要重新打开管道62，那么通过表面的发射器66可以激活爆炸物，其通过使管道60弯曲或者卷曲来使管道变形。

除了控制泵10以外，图4显示另一个可以控制通过管道12和20的流量的方法。在图4中，显示了管道20A的截面，其中由箭头70显示的流通过该管道。离合器或者阀机构72显示为围绕管道20A，它有与其相关的关闭元件74其延伸到管道20A里面，并且可以按图中双端箭头76所示的移动进出该流。处理器32发出需要的流量信号，如图箭头61所示，激励阀机构72，以移动元件74进入或者移出流70，从而改变管道20A的截面面积，从而控制流量。沿着管道12和20的长度可以使用一个或者几个类似72的阀机构。

这里可以看到，我们提出了一种新颖的、可靠的压力和非常精确的压力差传感器，其适用于各种困难的场合。本领域的普通技术人员可以明白有许多的变化。例如，本发明用抽取石油这个优选的环境进行描述，其他的环境下，比如化工厂，食物加工厂，染料混合和生产厂同样可以发现本发明的可用性。至少需要两个传感器来确定流量，但是一个传感器能用来确定流体水平的变化。比如，像传感器30之类的传感器可以下降到流体水平变化的容器中。传感器可以被定位在容器中需要的深度，腔44封闭以提供参考压力。然后随着流体水平变化，腔46中的压力将发生变化(腔44中压力不变)，代表压力差的输出将表示流体水平的变化。

本领域的普通技术人员会明白本发明的许多的变化。例如，除了上面提到的，可以设计本发明的其他使用，其他的从传感器到远端的信号处理设备，和从发射器或者处理器到传感器的发射方法，并且可以使用其它密封管道62的方法，虽然单个管道62和63显示为可以允许外界压力进入腔44和46，但是每个腔可以使用两个或者更多的管道。因此，我们不希望局限于结合优选实例显示的具体的结构。以下的权利要求书限定了本发明的范畴。

Claims (24)

1.用于确定在需要的位置处出现的压力变化的压力传感器，其包括：

在需要的位置暴露于压力中的感测部分；

带有管路的参考部分，使参考部分短时间暴露于需要位置的压力中；以及

关闭器，在压力传感器被定位在需要的位置后，该关闭器可操作为关闭管路，使得在参考部分中获得当前压力，然后在需要位置的压力变化影响感测部分，而不影响参考部分，从而压力传感器产生表示感测部分和参考部分之间的压力差的输出。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该关闭器包含机载的激励设备。

3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，该激励设备被远端命令信号激励。

4.如权利要求1所述的设备，还包括定位在第二个需要的位置的产生第二个输出信号的第二个压力传感器，其中，该输出和第二个输出可以用来提供信号，以确定流体流量。

5.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，感测部分和参考部分暴露于可变形的元件，变形量表示感测部分和参考部分之间的压力差。

6.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，该可变形元件包括位于感测部分和参考部分之间的隔膜板。

7.如权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，隔膜板具有相关的压阻换能器，以感测隔膜板的变形来产生电信号。

8.如权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，隔膜板包括硅元件。

9.如权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，隔膜板包括陶瓷元件。

10.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，压力的变化在地下油池中，油可以从该油池取出。

11.如权利要求10所述的压力传感器，其特征在于，需要位置位于延伸到油池中的管路中。

12.如权利要求11所述的压力传感器，还包括定位在管路中的第二个需要的位置的产生第二个输出的第二个压力传感器，其中，该输出和第二个输出用来提供信号，以确定油流量。

13.如权利要求1所述的压力传感器，还包括接收从传感器输出的处理器。

14.如权利要求1所述的压力传感器，还包括至少第二个压力传感器，以确定在第二个需要的位置处出现的压力变化，该第二个传感器包括：

在第二个需要的位置暴露于压力中的感测部分；

带有管路的参考部分，以使参考部分短时间暴露于第二个需要位置的压力中；以及

关闭器，在压力传感器被定位在第二个需要位置后，该关闭器可操作为关闭管路，使得在参考部分中获得当前压力，然后在第二个需要位置的压力变化影响感测部分而不影响参考部分，从而压力传感器产生表示在第二个需要位置的感测部分和参考部分之间的压力差的第二个输出，处理器接收输出和第二个输出，以产生合成信号。

15.用于确定在远处源中的流体压力差变化的方法，其包括的步骤有：

A.在远处源中的第一个位置处定位具有感测和参考部分的第一个压力传感器；

B.允许在第一个位置的压力充满感测和参考部分；以及

C.在第一个位置关闭到压力的参考部分，使得此后第一个压力传感器产生表示感测和参考部分之间的压力差的信号。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤C包括由远端产生的信号激励机载的设备。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤B包括从参考部分到远端源的管子，步骤C中的机载装置包括致动器，当激励时，其可操作为关闭管子，并且还包括步骤：

D.当参考部分的压力达到需要的水平时，用远程信号激励致动器来关闭管子。

18.如权利要求17所述的方法，还包括步骤：

E.当需要新的参考压力时，再次激励致动器来重新打开参考部分。

19.如权利要求16所述的方法，还包括步骤：

F.在源的第二个位置处定位具有感测和参考部分的第二个压力传感器；

G.允许在第二个位置的压力充满第二个传感器的感测和参考部分；以及

H.在第二个位置关闭到压力的第二个传感器的参考部分，使得此后第二个传感器产生表示第二个位置处的感测和参考部分之间的压力差的第二个信号。

20.用于确定来自远端池子的液体流的设备，其中在池子很多需要的位置定位了很多压力传感器，其包括：

每个传感器的感测部分，其在需要的位置暴露于压力中；

每个传感器的参考部分，其带有管路，以使参考部分短时间暴露于需要位置的压力中；以及

每个传感器的关闭器，其在压力传感器被定位在需要位置后可操作为关闭该管路，使得在参考部分获得当前压力，以便然后需要位置的压力变化影响感测部分而不影响参考部分，压力传感器产生表示需要位置的压力差的输出。

21.如权利要求20所述的设备，还包括接收来自传感器的输出，并产生表示池子的流的合成信号的处理器。

22.如权利要求21所述的设备，还包括连接到接收合成信号且可操作为控制流量到需要的值的泵。

23.如权利要求21所述的设备，还包括位于流中且可操作为接收合成信号以扩张和收缩来控制流量的离合器。

24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，离合器是可变的孔阀。

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