NO322031B1 - Fremgangsmate for maling av trykk ved hjelp av en trykkmaler med resonans-element - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for måling av trykk ved hjelp av en trykkmåler som har et resonanselement, spesielt ti) bruk i oljebrøn-ner, og mer spesielt angår oppfinnelsen en slik fremgangsmåte der en evakuert kapsel som inneholder et resonanselement er plassert i fluidet hvis trykk skal måles, idet en resonanskarakteristikk til elementet måles, og trykket deduseres fra nevnte karakteristikk.

Dokument SE 462,874 fremlegger sensorer av denne typen, hvor en trykk-sensitiv flat kapsel utsettes for et trykk som skal måles. Når den flate kapselen utsettes for et trykk, forårsaker dette en endring i form og stivheten til strukturen som igjen forårsaker en endring i den mekaniske resonansfrekvensen. Et trykk kan dermed bestemmes ved å evaluere den mekaniske resonansfrekvensen til den flate kapselen.

Dokument US-A-4,547,691 fremlegger sensorer av denne typen, kjent som krystallkvarts måleinstrumenter (Crystal Quarts Gauges, CQGs) der den evakuerte kapselen og den vibrerende bjelken (beam) den inneholder begge er laget av kvarts. Slike sensorer har fordelen av at de er i stand til å operere i fiendtlige om-givelser, ved svært høye trykk (opp til 1500 kg/cm<2>), og ved høye temperaturer (opp til 200 °C), for derved å gjøre dem spesielt egnet til bruk i oljeleting, spesielt for kontinuerlig overvåkning av avsetninger. Til sist innehar de svært god nøyaktig-het, i størrelsesorden 0,01 % av fullskala.

Kvartsbjelken er satt i resonans ved den piezoelektriske effekten og frekvensen til dens vibrasjon måles nøyaktig. Trykket som cellen er utsatt for deduseres derfra. Siden vibrasjonsfrekvensen er relativt ufølsom for effektene aldring, drift, slitasje grunnet strekkrelaksering, termoelektriske effekter, eller ustabilitet i elektronikken, er slike kvartssensorer derfor også svært stabile og har god oppløs-ning i motsetning til membran eller trykksensorer av strekkmålertypen.

Uansett har de den ulempe at de er kostbare og innehar relativt store dimensjoner.

Den foreliggende oppfinnelse søker å dempe disse ulempene.

Mer spesielt søker oppfinnelsen å tilveiebringe en trykkmåler som er i stand til å operere under de samme betingelsene som en trykkmåler av kvarts og å tilveiebringe en måling med den samme nøyaktighet, men som er mye enklere å in-dustrialisere og som har mye lavere kostnad.

Enda mer spesielt søker oppfinnelsen å tilveiebringe både en fremgangsmåte for måling av trykk og en trykkmåler som kan brukes i stor skala i oljeindu-strien, spesielt for kontinuerlig overvåkning av avsetninger, men som også kan benyttes under boring.

I denne enden tilveiebringer oppfinnelsen først en fremgangsmåte for måling av trykk ved en trykkmåler som har et resonanselement, spesielt til bruk i olje-brønner, i hvilken en evakuert kapsel som inneholder et resonanselement er plassert i fluidet hvis trykk skal måles, idet en resonanskarakteristikk til elementet måles, og trykket deduseres fra nevnte karakteristikk, idet fremgangsmåten er karakterisert ved det faktum at et resonanselement benyttes, som skal finnes under måling, i en strekkspenningstilstand som er nær bukling (buckling).

Det vil observeres at oppfinnelsen angår sensorer som har et resonanselement, dvs. sensorer av den samme typen som de ovenfor nevnte kvartssensorer, og ikke membran eller strekkmålingssensorer. Fordel tas derfor av det faktum at størrelsen som blir målt er assosiert med en vibrasjonsfrekvens og ikke med en deformasjon.

I tillegg økes følsomheten til metoden i oppfinnelsen ved det faktum at resonanselementet er i en strekkspenningstilstand som er nær bukling. Under slike forhold vil stivheten til bjelken gå mot null. En svært liten variasjon i sammenpres-singen som utøves derpå gir derfor opphav til en betraktelig variasjon i dens vibrasjonsfrekvens. Dette tilveiebringer mekanisk forsterkning av følsomheten til sensoren.

Fordelaktig lages resonanselementet av silisium.

Dette gjør det mulig å dra fordel av de utmerkede mekaniske egenskapene til silisium, spesielt når den er monokrystallinsk. I tillegg er teknologi assosiert med å bruke monokrystallinsk silisium fullkomment behersket og godt tilpasset til mas-seproduksjon.

Det vil observeres at, idet andre ting er like, følsomheten til en resonansele-mentsensor laget av silisium vil normalt være mye mindre enn den til en ekvivalent kvartssensor. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å reparere denne ulempen fordi målingen utføres mens resonanselementet er i en strekkspenningstilstand som er svært nær bukling.

To implementeringer av fremgangsmåten kan forutses.

Først er det mulig å bare rett og slett eksitere elementet til resonans og måle dets vibrasjonsfrekvens.

Sensoren drives da i en åpen sløyfemodus. Strekkspenningstilstanden til resonanselementet, og derfor dens vibrasjonsfrekvens, avhenger av trykket som skal måles.

I den andre implementeringen er strekkspenningstilstanden til resonanselementet justert til grensebetingelsen for bukling innenfor trykkområdet som skal måles.

Dens frekvens forblir derfor konstant, og trykk måles ved å måle strekk-spenningen påført resonanselementet. Sensoren drives da i en servo-kontrollert modus.

I en spesiell implementering er det temperaturen til resonanselementet som justeres, f.eks. ved å bruke Joule-effekten, for å holde det i en strekkspenningstilstand nær bukling.

Under slike forhold adderes en termisk ekspansjonsstrekkspenning til den mekaniske spenningen som påføres elementet ved trykket som skal måles, idet dette gjøres på en slik måte for å nå den ønskede nærheten til buklingstilstanden. Resonanselementet vibrerer alltid ved den samme frekvensen og den elektriske strømmen som brukes for å justere dens temperatur er representativ for trykket som skal måles.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en trykkmåler som har et resonanselement, egnet for utføring av målinger i oljebrønner, idet måleren omfatter et resonanselement av krystallinsk materiale plassert i en evakuert kapsel arrangert for å bli utsatt for et trykk som skal måles, anordninger for å sette nevnte element i resonans, og anordninger for å dedusere trykket fra en vibrasjonskarakteristikk for elementet, idet måleinstrumentet er karakterisert ved det faktum at strekkspen-ningsstyringsmidler er tilveiebrakt for å sikre at resonanselementet, under målingen, skal befinne seg i en strekkspenningstilstand nær bukling, for dermed å for-sterke følsomheten til sensoren.

Mer spesielt kan resonanselementet lages av silisium.

I en første utførelsesform er nevnte vibrasjonskarakteristikk av resonanselementet dens vibrasjonsfrekvens.

I en annen utførelsesform er nevnte vibrasjonskarakteristikk av resonanselementet en elektrisk størrelse som nevnte midler må utsettes for å sikre at elementet holder en vibrasjonsfrekvens som er konstant på tross av trykkvariasjoner.

Det vil også observeres at i kjente kvartssensorer er vibrasjon eksitert ved piezoelektriske anordninger. Andre anordninger trenger man ikke å regne med for en sensor som har et resonanselement laget av silisium, siden silisium ikke er piezoelektrisk.

I oppfinnelsen kan eksitasjonsmidlene være kapasitive midler eller optiske midler.

I en spesiell utførelsesform kan midlene for drift under måling for å forår-sake at resonanselementet kan finnes i en strekkspenningstilstand nær dens grensebetingelse for bukling, være midler for å varme opp elementet, spesielt ved Joute-effekten.

En spesiell utførelsesform av oppfinnelsen er beskrevet under ved hjelp av et ikke-begrensende eksempel med referanse til de medfølgende skjematiske tegningene, der: - fig. 1 viser en trykkmåler ifølge oppfinnelsen med dens målecelle i en perspektivisk splitt-tegningsbetraktning; og - fig. 2 er et diagram som illustrerer den generelle driften av anordningen.

Målecellen til trykkmåleren i fig. 1 er laget avtre deler, nemlig: en hul kasse 2 og to deksler 3a og 3b.

Kassen 2 danner en stiv ramme 4. Et resonanselement, i dette tilfellet en vibrerende bjelke 5, danner en bro mellom to motsatte sider av rammen 4. Tverr-snittet av bjelken 5 er liten sammenlignet med det til siden av rammen 4 slik at rammen kan betraktes som værende i kompresjon mellom to faste ender.

Hvert deksel 3a og 3b utgjøres ganske enkelt av en plan plate festet til kassen ved hvilke som helst passende midler for å innelukke bjelken 5 i en evakuert kapsling.

Kassen 2 inkluderer den vibrerende bjelken 5, og dekslene 3a og 3b er alle laget av silisium. Den benyttede teknikken kan være teknikken med anisotropisk kjemisk maskinering, f.eks. ved å bruke kaliumhydroksid, som er kjent i mikro-elektronikk.

Overflatene til dekslene 3a og 3b som kommer i kontakt med kassen 2 oksi-deres, f.eks. termisk, slik at det resulterende laget av silisium 6 tilveiebringer elektrisk isolasjon.

Dekslene 3a og 3b kan monteres på kassen 2 ved direkte bond ing eller anodisk sveising av et tynt lag med pulverisert glass.

Elektronikken omfatter essensielt en oscillatorkrets 7 og en servostyrings-krets 8 som drives på grensebetingelsen for bjelkebukling.

Oscillatorkretsen 7 drives på konvensjonell måte for å tilveiebringe kapasitiv eksitasjon av bjelken 5 og for å måle dens resonansfrekvens f. Kretsen 7 vist her er koplet til dekselet 3a og til rammen 4 av kassen 2.

I fig. 2 kan det ses hvordan interaksjoner finner sted mellom servostyrings-kretsen 8, bjelken 5, og oscillatorkretsen 7. Trykket P i det ytre mediet adderes i målecellen 1 til trykket Pih pga. den resistive oppvarmingen av bjelken 5 for å gi trykket Pf som sammentrykker bjelken 5 longitudinalt.

Bjelken 5 eksiteres til vibrasjon kapasitivt ved oscillatorkretsen 7 og den vibrerer slik ved sin resonansfrekvens f. Denne frekvensen sammenlignes i en kom-parator 9 med en referanse fr som er passende valgt for å svare til at bjelken er i en tilstand der den er i en grensebetingelse for bukling.

Frekvensdifferansen brukes for å styre en strømgenerator 10. Strømmen levert av generatoren 10 injiseres i bjelken 5 for å generere trykket Pm som sikrer grensebetingelsen for bukling.

Frekvensdifferansen tilført av komparatoren 9 (eller strømmen tilført av generatoren 10) er også representativ fortrykket P. Denne differansen (eller strømmen) overføres derfor til en krets (ikke vist) som gir trykket direkte.

Maksimal følsomhet gjøres derfor tilgjengelig siden resonansfrekvensen av bjelken 5 varierer svært raskt som en funksjon av den påførte sammentrykning, og derfor som en funksjon av det påførte trykket P når bjelken er nær krumning.

Som eksempel har vibrasjonsmodiene til en silisiumbjelke som er 0,25 mm lang, 0,05 mm bred, og 4,8 j.im tykk blitt beregnet. Under betingelsene benyttet i denne beregningen var krumningstrykket 1180 bar.

i fravær av et påført trykk var den naturlige frekvensen til den første vibra-sjonsmoden 657 kHz. Dens følsomhet for trykk i området 0 til 800 bar i nevnte første modus var omkring 360 Hz/bar. Denne følsomheten økte betraktelig for høyere trykk og oversteg 2000 Hz/bar i området 1100 til 1180 bar.

Beskrivelsen ovenfor angår kun utførelsesformen der frekvenseksita-sjon/deteksjon er av den kapasitive typen. I en variant er det mulig å tilveiebringe eksitasjon/deteksjon av den optiske typen. Under slike forhold genereres vibrasjon ved å varme opp bjelken 5 ved å bruke lyspulser levert av en optisk fiber.

Den optiske utførelsesformen gjør det mulig å ta fordel av det faktum at optisk fiber er elektrisk isolerende, av liten diameter, fleksibel, og ufølsom for elek-tromagnetiske forstyrrelser.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for måling av trykk med en trykkmåler som har et resonanselement, spesielt til bruk i oljebrønner, der en evakuert kapsel som inneholder et resonanselement (5) er plassert i fluidet hvis trykk skal måles, en resonanskarakteristikk til elementet måles, og trykket deduseres fra nevnte karakteristikk, idet fremgangsmåten er karakterisert ved det faktum at et resonanselement benyttes som skal finnes, under måling, i en strekkspenningstilstand som er nær bukling.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte resonanselement er laget av silisium.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at vibrasjonsfrekvensen til resonanselementet måtes.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at strekkspenningstilstanden tii resonanselementet justeres til dens grensebetingelse for bukling i trykkområdene som skal måles.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at temperaturen til resonanselementet justeres for å opprettholde det i en strekkspenningstilstand nær bukling.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at temperaturen til resonanselementet justeres ved å varme det ved å bruke Joule-effekten.

7. Trykkmåler som har et resonanselement, egnet for utførelse av målinger i oljebrønner, idet måleren omfatter et resonanselement (5) av krystallinsk materiale plassert i en evakuert kapsel (1) organisert for å bli utsatt for et trykk som skal måles, anordninger (7) for å sette elementet i resonans, og anordninger (9) for å dedusere trykket fra en vibrasjonskarakteristikk for elementet, idet måleren er karakterisert ved det faktum at strekkspenningsstyringsanordninger (10) er tilveiebrakt for å sikre at under måling skal resonanselementet befinne seg i en strekkspenningstilstand nær bukling.

8. Trykkmåler ifølge krav 7, karakterisert ved at resonanselementet er laget av silisium.

9. Trykkmåler ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at vibrasjonskarakteristikken til elementet er dets vibrasjonsfrekvens.

10. Trykkmåler ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at nevnte vibrasjonskarakteristikk for elementet er en elektrisk størrelse som nevnte strekkspenningsstyringsanordninger (10) må utsettes for å sikre at elementet opprettholder en konstant vibrasjonsfrekvens på tross av variasjoner i trykk.

11. Trykkmåler ifølge et hvilket som helst av kravene 7 til 10, karakterisert ved at nevnte anordninger (7) for å sette elementet i resonans er kapasitive anordninger.

12. Trykkmåler ifølge et hvilket som helst av kravene 7 til 10, karakterisert ved at nevnte anordninger (7) for å sette elementet i resonans er optiske anordninger.

13. Trykkmåler ifølge et hvilket som helst av kravene 7 til 12, karakterisert ved at nevntestrekkspenningsstyringsanordninger(10) for å sikre at resonanselementet skal finnes, under måling, i en strekkspenningstilstand nær krumning, er anordninger for å varme elementet.