NO332873B1 - Temperature grinding pressure sensor - Google Patents
Temperature grinding pressure sensorInfo
- Publication number
- NO332873B1 NO332873B1 NO20082678A NO20082678A NO332873B1 NO 332873 B1 NO332873 B1 NO 332873B1 NO 20082678 A NO20082678 A NO 20082678A NO 20082678 A NO20082678 A NO 20082678A NO 332873 B1 NO332873 B1 NO 332873B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- temperature
- sensor
- pressure sensor
- film structure
- temperature sensor
- Prior art date
Links
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 61
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 17
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 13
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 claims description 5
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 3
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 claims description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 5
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 2
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
- G01L9/085—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor with temperature compensating means
Abstract
Den foreliggende oppfinnelsen angår en temperatursensor for måling av temperatur på en trykksensor der temperatursensoren er integrert med trykksensoren ved bruk av en filmstruktur (1), der filmstrukturen utgjøres av et PCT-element med høy ohmisk verdi.The present invention relates to a temperature sensor for measuring temperature on a pressure sensor where the temperature sensor is integrated with the pressure sensor using a film structure (1), the film structure being a high ohmic value PCT element.
Description
TEMPERATURMÅLENDE TRYKKSENSOR TEMPERATURE MEASURING PRESSURE SENSOR
Oppfinnelsens tekniske område Technical field of the invention
Den foreliggende oppfinnelsen angår en temperaturmålende trykksensor. Mer spesifikt angår oppfinnelsen en temperaturmålende trykksensor konstruert som en piezoelektrisk krystallresonnator for bruk i undersjøiske omgivelser. The present invention relates to a temperature-measuring pressure sensor. More specifically, the invention relates to a temperature-measuring pressure sensor constructed as a piezoelectric crystal resonator for use in underwater environments.
Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk Background of the invention and prior art
Et venturirør er ofte brukt for strømningsmålinger i gas/fluid strømninger i undersjøiske sensorer. Ved å måle differensialtrykket over venturirøret og bruke den kjente tettheten til gasen/fluidet er det relativt enkelt å beregne hastigheten for gassen/fluidet. A venturi tube is often used for flow measurements in gas/fluid flows in underwater sensors. By measuring the differential pressure across the venturi tube and using the known density of the gas/fluid, it is relatively easy to calculate the speed of the gas/fluid.
God nøyaktighet for målingene oppnås ved å bruke differensialtrykksensorer (DPS) menslike trykksensorer har noen ulemper som gjør dem uegnet for enkelte anvendelser. Risikoen for skader på differensialtrykksensoren vil øke med stor variasjon i strømningsrater of tette trykksensorkoblingene til DPS. Ved å skifte ut dtrykksensorene med to absolutt-trykksensorer (APS) som kan motstå maksimalt trykk i gass/fluidet vil ikke den risikoen for skader være tilstede. Trykkfallet over venturirøret vil da bli som følger: Good accuracy of the measurements is achieved by using differential pressure sensors (DPS) human pressure sensors have some disadvantages that make them unsuitable for some applications. The risk of damage to the differential pressure sensor will increase with large variations in flow rates or tight pressure sensor connections to the DPS. By replacing the pressure sensors with two absolute pressure sensors (APS) that can withstand the maximum pressure in the gas/fluid, the risk of damage will not be present. The pressure drop across the venturi tube will then be as follows:
En ulempe med absoluttrykksensoren er at de alltid vil måle mellom 0 og 100% av maksimumstrykket, mens en differensialtrykksensor alltid vil måle 0 til 100% av trykkforskjellen over venturien. Dermed, for å oppnå samme oppløsning, kreves det mye større nøyaktighet, og dermed må APS'en vare svært nøyaktig når den brukes i differensualtrykkmålinger. A disadvantage of the absolute pressure sensor is that they will always measure between 0 and 100% of the maximum pressure, while a differential pressure sensor will always measure 0 to 100% of the pressure difference across the venturi. Thus, to achieve the same resolution, much greater accuracy is required, and thus the APS must be very accurate when used in differential pressure measurements.
En absoluttrykksensor som gir ønsket nøyaktighet kan for eksempel være en trykksensor konstrukert som en piezoelektrisk krystallresonnator. En slik trykksensor er beskrevet i US 3561832. Som nevnt i US 3561832 kan en kvartsbasert trykksensor gi en svært høy nøyaktighet, typisk ±0,001 psi. Denne nøyaktigheten gis under forutsetning av at temperaturen i hele sensoren er konstant eller blir kompensert for. Sensoren i ovennevnte patentpublikasjon gir en konstant og kompensert temperatur ved bruk av termostatstyrte oppvarmingselementer. Uheldigvis er det vanskelig å holde temperaturen i en undersjøisk sensor konstant. Utsiden av sensoren er kjølt med av sjøvann, og innsiden av den undersjøiske sensoren varmes opp av den strømmende gassen/fluidet. Temperaturforskjellene kan typisk være 0,1-1 °/AT over den undersjøiske sensoren, men temperaturen på innsiden av en undersjøisk sensor kan variere fra -10 til +200° hvis det ikke brukes aktive oppvarming/kjøle-elementer. Temeraturvariasj onene kan elimineres av aktive varme/kjøle-elementer, men elementene vil ha noen ulemper ved at de medfører økt kraftforbruk, resusert levetid og krav til stabiliseringstid før sensoren har en stabil temperatur. Temperaturkontrollen for sensoren er viktig for nøyaktige målinger og dermed er det et behov for måling og kompensasjon av temperaturen i sensoren. An absolute pressure sensor that provides the desired accuracy can, for example, be a pressure sensor constructed as a piezoelectric crystal resonator. Such a pressure sensor is described in US 3561832. As mentioned in US 3561832, a quartz-based pressure sensor can provide a very high accuracy, typically ±0.001 psi. This accuracy is provided on the condition that the temperature throughout the sensor is constant or is compensated for. The sensor in the above-mentioned patent publication provides a constant and compensated temperature using thermostatically controlled heating elements. Unfortunately, it is difficult to keep the temperature in an underwater sensor constant. The outside of the sensor is cooled by seawater, and the inside of the underwater sensor is heated by the flowing gas/fluid. Temperature differences can typically be 0.1-1 °/AT across the subsea sensor, but the temperature inside a subsea sensor can vary from -10 to +200° if no active heating/cooling elements are used. The temperature variations can be eliminated by active heating/cooling elements, but the elements will have some disadvantages in that they entail increased power consumption, reduced lifetime and requirements for stabilization time before the sensor has a stable temperature. The temperature control for the sensor is important for accurate measurements and thus there is a need for measurement and compensation of the temperature in the sensor.
Temperaturkompensasjonen i trykksensoren kan gjøres på forskjellige måter, for eksempel: The temperature compensation in the pressure sensor can be done in different ways, for example:
- Ved bruk av termostatkontrollert oppvarming/kjøling av elementene: - When using thermostatically controlled heating/cooling of the elements:
Ved bruk av en trykksensor med en temperaturufølsom frekvens. When using a pressure sensor with a temperature-insensitive frequency.
- Ved bruk av digitale teknikker/mikroprosessorer. - When using digital techniques/microprocessors.
Temperaturkompensasjon ved bruk av varmeelementer kontrollert av en termostat er beskrevet i for eksempel patentpublikasjon US3561832. Varmeelementene er svært nøyaktig regulerte varmekilder som lar sensoren holdes på en konstant temperatur. Imidlertid resulterer slike varmekilder i økt kraftforbruk og redusert pålitelighet. Temperature compensation using heating elements controlled by a thermostat is described in, for example, patent publication US3561832. The heating elements are very precisely regulated heat sources that allow the sensor to be kept at a constant temperature. However, such heat sources result in increased power consumption and reduced reliability.
En annen måte å kompensere for temperaturen er å konstruere trykksensoren slik at frekvensen er ufølsom for temperaturen i den temperaturområdet sensoren skal brukes. Denne typen temperaturkompensasjon er beskrevet i for eksempel patentpublikasjonen US4550610. Uheldigvis kan denne metoden bare brukes for et begrenset temperaturområde, typisk noen få °C. Another way to compensate for the temperature is to construct the pressure sensor so that the frequency is insensitive to the temperature in the temperature range in which the sensor is to be used. This type of temperature compensation is described in, for example, patent publication US4550610. Unfortunately, this method can only be used for a limited temperature range, typically a few °C.
En av de vanligste metodene for temperaturkompensasjon i trykksensorer er å kompensere målt frekvens ved å måle temperaturen til trykksensoren. Da kan den målte temperaturen justeres basert på informasjon om temperaturavhengigheten til trykksensoren fra tidligere kalibrering ved hjelp av digitale teknikker/mikroprosessorer. Slik temperaturkompensasjon er beskrevet i patentpublikasjon US3355949 og i patentpublikasjonen US4802370. Sensoren bruker det faktum at endringer i temperatur i materialet i hvilket kvartskrystallene er plassert vil endre utgangsfrekvensen til hvert av krystallene, og dermed vil enhver endring i utgangsfrekvensen indikeres i en utlesning, og dermed indikere den nøyaktige temperaturendringen til materialet. Løsningen beskrevet i US3355949 har et separat svingelement i en separat modul brukt som temperaturreferanse, og løsningen i US4802370 har et separat svingelement i samme sensormodul som temperaturreferansen. One of the most common methods of temperature compensation in pressure sensors is to compensate the measured frequency by measuring the temperature of the pressure sensor. Then the measured temperature can be adjusted based on information about the temperature dependence of the pressure sensor from previous calibration using digital techniques/microprocessors. Such temperature compensation is described in patent publication US3355949 and in patent publication US4802370. The sensor uses the fact that changes in temperature in the material in which the quartz crystals are placed will change the output frequency of each of the crystals, and thus any change in the output frequency will be indicated in a readout, thus indicating the exact temperature change of the material. The solution described in US3355949 has a separate swing element in a separate module used as a temperature reference, and the solution in US4802370 has a separate swing element in the same sensor module as the temperature reference.
Det er også kjent å ha en ekstern temperatursensor utenfor sensorhuset. Imidlertid, ved å bruke en ekstern temperatursensor vil ikke den målte temperatursensoren tilstrekkelig tilsvare den reelle temperaturen inne i sensoren, og har ikke en tilstrekkelig god termisk kobling. I tillegg resulterer en ekstern enhet økt kompleksitet i sensoren. It is also known to have an external temperature sensor outside the sensor housing. However, by using an external temperature sensor, the measured temperature sensor will not sufficiently correspond to the real temperature inside the sensor, and will not have a sufficiently good thermal coupling. In addition, an external device results in increased complexity in the sensor.
En annen løsning er å overvåke temperaturen inne i sensoren som beskrevet i patentpublikasjonen US6131462. Oppfinnelsen beskrevet i US6131462 kompenserer for varierende temperatur på sensoren ved å plassere en stor del av sideveggen til en trykk-krystallen rett inntil en indre vegg av sensorhuset, adskilt bare av et smalt mellomrom. Alternativt kan trykk-krystallen være adskilt fra den indre veggen i sensorhuset av et elektrisk isolerende lag hvis dette er påkrevet for å unngå elektrisk jording av krystallet til sensorhuset. Imidlertid vil det ikke gi tilstrekkelig temperaturkompensasjon fordi det er avhengig av plasseringen der temperaturmålingene ses i forhold til retningen til temperaturgradienten. Another solution is to monitor the temperature inside the sensor as described in patent publication US6131462. The invention described in US6131462 compensates for varying temperature on the sensor by placing a large part of the side wall of a pressure crystal right next to an inner wall of the sensor housing, separated only by a narrow space. Alternatively, the pressure crystal can be separated from the inner wall of the sensor housing by an electrically insulating layer if this is required to avoid electrical grounding of the crystal to the sensor housing. However, it will not provide sufficient temperature compensation because it is dependent on the location where the temperature measurements are viewed relative to the direction of the temperature gradient.
I US 2005/000290 beskrives en temperaturstabilisert trykksensor der trykksensoren og temperatursensoren er i samme filmstruktur slik at temperatursensoren måler på samme sted som trykksensoren. Signalet fra trykksensoren filtreres med et lavpassfilter for å unngå forstyrrelser fra trykksensoren. Trykk- og temperatursensoren er elektrisk adskilt, hvilket krever selvstendige signalganger til det eksterne måleutstyret via trykkfaste penetratorer, noe som øker sårbarheten til systemet. US 2005/000290 describes a temperature-stabilized pressure sensor where the pressure sensor and the temperature sensor are in the same film structure so that the temperature sensor measures at the same place as the pressure sensor. The signal from the pressure sensor is filtered with a low-pass filter to avoid interference from the pressure sensor. The pressure and temperature sensor are electrically separated, which requires independent signal paths to the external measuring equipment via pressure-resistant penetrators, which increases the vulnerability of the system.
Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention
Det er derfor et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en pålitelig temperaturmålende trykkmåler konstruert som en piezoelektrisk krystall-resonator som kan måle temperatur og kompensere for trykkendringer gjennom hele sensoren i det vesentlige uten å øke kraftforbruket eller kompleksiteten til sensoren. Det er derfor et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en temperaturmålende trykksensor som gir nøyaktige målinger av temperaturen og der plasseringen av temperaturmålingene ikke påvirker nøyaktigheten til temperaturkompensasjonen og som ikke svekker den øvrige konstruksjonen. It is therefore an object of this invention to provide a reliable temperature measuring pressure gauge constructed as a piezoelectric crystal resonator which can measure temperature and compensate for pressure changes throughout the sensor essentially without increasing the power consumption or complexity of the sensor. It is therefore an object of this invention to provide a temperature-measuring pressure sensor which provides accurate measurements of the temperature and where the location of the temperature measurements does not affect the accuracy of the temperature compensation and which does not weaken the other construction.
Disse formålene oppnås ved å bruke en sensor for å måle temperaturen til en trykksensor som er kjennetegnet som spesifisert i de vedlagte kravene. These objects are achieved by using a sensor to measure the temperature of a pressure sensor characterized as specified in the attached requirements.
Formålene som er nevnt over oppnås ved å tilveiebringe, i en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, en temperatursensor for måling av temperaturen til en trykksensor der temperatursensorene er integrert i trykksensoren ved å bruke en filmstruktur, der filmstrukturen utgjøres av et PTC-element med høyohmig verdi. Filmstrukturen er avhengig av temperatur, men neglisjerbart avhengig av trykk, slik at temperaturen kan måles nøyaktig. Ved å konstruere temperatursensoren som en filmstruktur vil det mekaniske designet og størrelsen på sensorsammenstillingen bli enklere enn for eksempel en trykksensor med en ekstern temperatursensor. The purposes mentioned above are achieved by providing, in a preferred embodiment of the invention, a temperature sensor for measuring the temperature of a pressure sensor where the temperature sensors are integrated in the pressure sensor by using a film structure, where the film structure consists of a PTC element with a high ohmic value. The film structure is dependent on temperature, but negligibly dependent on pressure, so that temperature can be accurately measured. By constructing the temperature sensor as a film structure, the mechanical design and size of the sensor assembly will be simpler than, for example, a pressure sensor with an external temperature sensor.
Ifølge en alternativ utførelse av oppfinnelsen er trykksensoren en piezoelektrisk krystallresonator omfattende et svingelement. According to an alternative embodiment of the invention, the pressure sensor is a piezoelectric crystal resonator comprising a swing element.
Ifølge en annen utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen er er filmstrukturen arrangert på en eller begge ender av trykksensoren. Dette gjør det mulig å kompensere for temperaturgradienter over trykksensorhuset. According to another embodiment of the temperature sensor according to the invention, the film structure is arranged on one or both ends of the pressure sensor. This makes it possible to compensate for temperature gradients across the pressure sensor housing.
Ifølge nok en alternativ utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen er filmstrukturen arrangert på svingelementet til trykksensoren. Dette gjør det mulig å kompensere for temperaturgradienter over trykksensorhuset. According to yet another alternative embodiment of the temperature sensor according to the invention, the film structure is arranged on the swing element of the pressure sensor. This makes it possible to compensate for temperature gradients across the pressure sensor housing.
Ifølge ytterligere en alternativ utførelse av oppfinnelsen er filmstrukturen arrangert på trykksensoren ved hjelp av vakuumdeponering, liming eller trykking. Dette er velkjente teknikker for å påføre filmstrukturer på sensorer og gir godt og stabilt feste av filmen på filmstrukturen til trykksensoren. According to a further alternative embodiment of the invention, the film structure is arranged on the pressure sensor by means of vacuum deposition, gluing or printing. These are well-known techniques for applying film structures to sensors and provide good and stable attachment of the film to the film structure of the pressure sensor.
Ifølge nok en utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen er filmstrukturen en tynnfilmstruktur eller tykkfilmstruktur. Valget av tykk- eller tynn-filmstruktur er avhengig av behovet, den ønskede funksjonen, leveringstidspunkt, tilgjengelighet osv. Tynnfilmstrukturen krever bruk av vakuumutstyr ved påføring av filmstrukturen på sensoren, hvilket også er dyrere enn utstyret påkrevet for tykkfilm. Påføringen av tynnfilmen er en i det vesentlige kontrollert prosess som har mindre variasjon enn tykkfilm. Tykkfilmstruktur er mer kostnadseffektivt og en enklere prosess som krever billigere utstyr, så som silketrykking. Variasjonen er større med tykkfilm enn ved påføring av en tynnfilmstruktur, slik at et tilleggstrinn må utføres ved arrangementet av tykkfilmstrukturen på sensoren. According to yet another embodiment of the temperature sensor according to the invention, the film structure is a thin film structure or a thick film structure. The choice of thick or thin film structure depends on the need, the desired function, delivery time, availability, etc. The thin film structure requires the use of vacuum equipment when applying the film structure to the sensor, which is also more expensive than the equipment required for thick film. The application of the thin film is an essentially controlled process that has less variation than thick film. Thick film structure is more cost-effective and a simpler process that requires cheaper equipment, such as screen printing. The variation is greater with thick film than when applying a thin film structure, so that an additional step must be performed in the arrangement of the thick film structure on the sensor.
I nok en alternativ utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen er PTC-elementet koblet til et lavpassfilter. Trykksensoren er isolert fra resten av elektronikken ved hjelp av en trykkfaste elektriske penetratorer. Det er en risiko for lekkasje med en slik penetrator, men ved å koble PTC-elementet til et lavpassfilter kan en lese av trykk og temperatur gjennom samme penetrator. In yet another alternative embodiment of the temperature sensor according to the invention, the PTC element is connected to a low-pass filter. The pressure sensor is isolated from the rest of the electronics by means of pressure-resistant electrical penetrators. There is a risk of leakage with such a penetrator, but by connecting the PTC element to a low-pass filter, pressure and temperature can be read through the same penetrator.
Ifølge nok en utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen blir temperaturen målt ved bruk av likestrøm (DC). According to yet another embodiment of the temperature sensor according to the invention, the temperature is measured using direct current (DC).
Ifølge nok en utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen blir temperaturen målt ved bruk av vekselstrøm (AC). According to another embodiment of the temperature sensor according to the invention, the temperature is measured using alternating current (AC).
Ifølge nok en alternativ utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen er filmlavpassfilteret et tynnfilm-lavpassfilter eller et tykkfilm-lavpassfilter. According to yet another alternative embodiment of the temperature sensor according to the invention, the film low-pass filter is a thin-film low-pass filter or a thick-film low-pass filter.
I en alternativ utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen omfatter temperatursensoren et filter innrettet til å filtrere AC-komponenter. På denne måten vil ikke AC-komponentene påvirke svingelementet, og vice versa. In an alternative embodiment of the temperature sensor according to the invention, the temperature sensor comprises a filter designed to filter AC components. In this way, the AC components will not affect the swing element, and vice versa.
Ifølge nok en alternativ utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen er en akustisk bølge temperatursensor arrangert på svingelementet på trykksensoren. Dette unngår analoge målinger av temperaturen. Tmeperatursensoren basert på akustiske bølger vil typisk bli brukt i nedihullsapplikasjoner som skal være så enkle som mulig og ha lang levetid ved høye temperaturer. According to yet another alternative embodiment of the temperature sensor according to the invention, an acoustic wave temperature sensor is arranged on the swing element of the pressure sensor. This avoids analogue measurements of the temperature. The temperature sensor based on acoustic waves will typically be used in downhole applications that must be as simple as possible and have a long service life at high temperatures.
Kort beskrivelsen av tegningene Brief description of the drawings
Oppfinnelsen vil bli beskrevet videre i mer detalj i den følgende beskrivelsen med hensvinsing til de vedlagte tegningene, i hvilke The invention will be further described in more detail in the following description with reference to the attached drawings, in which
Fig. 1 illustrerer temperaturmålende trykksenspr der temperatursensoren er Fig. 1 illustrates the temperature measuring pressure sensor where the temperature sensor is
arrangert ved endeflatene på sensoren. arranged at the end surfaces of the sensor.
Fig. 2 illustrerer den temperaturmålende trykksensoren der temperatursensoren Fig. 2 illustrates the temperature measuring pressure sensor where the temperature sensor
er arrangert på svingelementet. is arranged on the swing element.
Fig. 3 illustrerer den temperaturmålende trykksensoren der PTC-elementet er Fig. 3 illustrates the temperature measuring pressure sensor where the PTC element is
koblet til et lavpassfilter. connected to a low pass filter.
Fig. 4 illustrerer den temperaturmålende trykksensoren der PTC-elementet er Fig. 4 illustrates the temperature measuring pressure sensor where the PTC element is
integrert med et lavpassfilter. integrated with a low-pass filter.
Fig. 5 viser den temperaturmålende trykksensoren sett ovenfra der Fig. 5 shows the temperature-measuring pressure sensor seen from above there
temperatursensoren er en SAW temperatursensor. the temperature sensor is a SAW temperature sensor.
Detaljert beskrivelse av tegningene Detailed description of the drawings
Som nevnt over gir en piezoelektrisk krystallresonator svært høy nøyaktighet, typisk +/-0,001 psi. Et eksempel på en slik piezoelektrisk krystallresonator er beskrevet i patentpublikasjonen US3561832. Prinsippet til målingen er beskrevet i den publikasjonen og gir et trykk- og temperaturufølsomt sensorelement er det samme som kan bli brukt i den temperaturmålende trykksensoren ifølge oppfinnelsen. Dermed oppnås den nøyaktigheten som er nødvendig for strømningsmålinger over et normalt venturirør. En slik trykksensor kan for eksempel ha en diameter og lengde på omtrent 10-15mm. As mentioned above, a piezoelectric crystal resonator provides very high accuracy, typically +/-0.001 psi. An example of such a piezoelectric crystal resonator is described in patent publication US3561832. The principle of the measurement is described in that publication and provides a pressure- and temperature-insensitive sensor element that is the same as can be used in the temperature-measuring pressure sensor according to the invention. This achieves the accuracy required for flow measurements over a normal venturi tube. Such a pressure sensor can, for example, have a diameter and length of approximately 10-15mm.
En slik piezoelektrisk krystallsensor omfatter et svingelement avhengig av både trykk og temperatur. For å gi temperaturmålinger og kompensasjon må en tilleggsfunksjonalitet gis til trykksensoren ved å arrangere en temperatursensor, i form av en filmstruktur 1, på en eller begge endeoverflater på trykksensoren som vist i figurene 1,3 og 4, eller på selve svingelementet som vist i figur 2. Det er enklere å arrangere temperatursensoren på endeoverflatene til trykksensoren, siden disse er lettere tilgjengelig, men det er også mulig å arrangere temperatursensoren på selve svingelementet. Selve svingelementet har allerede en filmstruktur, men det kan være problematisk i forhold til signalene når temperatursensoren arrangeres på selve svingelementet. Den beste løsningen ville være å arrangere temperatursensoren på både svingelementene og endene, men tilstrekkelige målinger oppnås ved å arrangere temperatursensoren på endeoverflatene. Endeoverflaten på trykksensoren er lett tilgjengelige og derfor egnet for å påføre filmstrukturen på endene og. Påføring på endene gir tilstrekkelig kontakt som gir de ønskede målingene. Ved å arrangere temperatur på begge endeoverflatene vil temperaturen bli målt i begge ender og gjennomsnittstemperaturen kan finnes. Such a piezoelectric crystal sensor comprises a swing element dependent on both pressure and temperature. In order to provide temperature measurements and compensation, an additional functionality must be provided to the pressure sensor by arranging a temperature sensor, in the form of a film structure 1, on one or both end surfaces of the pressure sensor as shown in figures 1,3 and 4, or on the swing element itself as shown in figure 2. It is easier to arrange the temperature sensor on the end surfaces of the pressure sensor, since these are more easily accessible, but it is also possible to arrange the temperature sensor on the swing element itself. The swing element itself already has a film structure, but it can be problematic in relation to the signals when the temperature sensor is arranged on the swing element itself. The best solution would be to arrange the temperature sensor on both the swing members and the ends, but adequate measurements are obtained by arranging the temperature sensor on the end surfaces. The end surface of the pressure sensor is easily accessible and therefore suitable for applying the film structure to the ends and. Application to the ends provides sufficient contact to provide the desired measurements. By arranging temperature on both end surfaces, the temperature will be measured at both ends and the average temperature can be found.
Filmstrukturen 1 kan være en tynnfilmstruktur eller en tykkfilmstruktur. Valget av tynn-eller tykk-filmstruktur er avhengig av behov, ønsket funksjon, leveringstid, tilgjengelighet osv. Tynnfilmstrukturen krever bruk av vakuumutstyr ved påføring av filmstrukturen på sensoren, hvilket også er dyrere enn utstyr påkreveet for tykkfilm. Påføring av tynnfilmstruktur er en vesentlgi kontrollert prosess som har mindre variasjon enn tykkfilm. Tykkfilm strukturen er mer kostnadseffektiv og en enkelre prosess som krever billigere utstyr, slik som for silketrykking. Variasjonen er større enn ved påføring av tynnfilmstruktur, slika t et tilleggstrinn må utføres. En tynnfilmstruktur kan ha en tykkelse på for eksempel mindre enn lum, og en tykkfilm kan ha en tykkelse på for eksempel lOum. The film structure 1 can be a thin film structure or a thick film structure. The choice of thin or thick film structure depends on need, desired function, delivery time, availability, etc. The thin film structure requires the use of vacuum equipment when applying the film structure to the sensor, which is also more expensive than the equipment required for thick film. Application of thin film structure is an essentially controlled process that has less variation than thick film. The thick film structure is more cost-effective and a simpler process that requires cheaper equipment, such as for screen printing. The variation is greater than when applying a thin film structure, so an additional step must be performed. A thin film structure can have a thickness of, for example, less than 10 µm, and a thick film can have a thickness of, for example, 1 µm.
Filmstrukturen 1 er et elektrisk ledende filmlag som kan arrangeres på trykksensoren ved hjelp av vakuumdeponering. Vakuumdeponering er en velkjent metode for å påføre ledende filmstrukturer på trykksensorer og gir god og stabil montering av filmstrukturen 1 på trykksensoren. Alternativt kan filmstrukturer 1 påføres sensorer ved hjelp av klebing eller trykking av PTC (positiv temperaturkoeffisient), fortrinnsvis på endene til sensoren. En temperatursensor konstruert som en filmstruktur 1 på en trykksensor gir trykksensoren en enklere konstruksjon og redusert størrelse på sensorhuset sammenlignet med for eksempel en trykksensor med en ekstern temperatursensor. Ved å palssere temperatursensoren på eller i trykksensoren, som vist i fig. 1-4, vil det være mulig kompensere for temperaturgradienter over trykksensorelementet. Måling på sensorelementet når temperaturen varierer gir bedre kompensasjon og bedre nøyaktighet for trykksensormålingene (sammenlignet med indirekte målinger). Filmstrukturen 1 gir en øket termisk kobling og består av et PTC-element (Positiv Temperatur Koeffisient) med høy motstand. PTC-elementet i filmstrukturen 1 gir en temperatursensor med en motstand som er avhengig av temperaturen men neglisjerbar avhengig av trykk. En fagmann på området vil vite at PTC refererer til materialer som har en økning i elektrisk motstand når temperaturen øker. Temperatursensoren i form av en filmstruktur 1 kan for eksempel lages av platina. PTC-elementet som er en elektrisk ledende filmstruktur 1 er koblet i parallell med krystallkoblingen i trykksensoren. Siden Q-faktoren i kvarts er veldig høy vil endringen i den relativt høye resistansen, som utgjøres av lagt til filmstruktur med høyohmisk PTC-element, vil ikke influere på frekvensen til trykksensoren. Som illustratert i fig. 3 kan filmstrukturen kobles til et film-lavpassfilter 4 hvis nødvendig. Dette er nødvendig hvis trykksensoren er isolert fra resten av elektronikken ved hjelp av trykkfaste penetratorer, og hvis det er en risiko for lekkasje ved en slik penetrator. Dermed, ved kobling av PTC-elementet (filmstruktur 1) med et lavpassfilter 4 kan temperaturen og trykk leses av gjennom samme penetrator, og AC-komponentene vil ikke påvirke svingelementet, og vice versa. Lavpassfilteret kan lages som en serieinduktans. Fig. 4 illustrerer en utførelse der PTC-elementet (filmstruktur 1) er integrert med lavpassfilteret 4. The film structure 1 is an electrically conductive film layer that can be arranged on the pressure sensor by means of vacuum deposition. Vacuum deposition is a well-known method for applying conductive film structures to pressure sensors and provides good and stable mounting of the film structure 1 on the pressure sensor. Alternatively, film structures 1 can be applied to sensors by means of gluing or printing PTC (positive temperature coefficient), preferably on the ends of the sensor. A temperature sensor constructed as a film structure 1 on a pressure sensor gives the pressure sensor a simpler construction and reduced size of the sensor housing compared to, for example, a pressure sensor with an external temperature sensor. By palsing the temperature sensor on or in the pressure sensor, as shown in fig. 1-4, it will be possible to compensate for temperature gradients across the pressure sensor element. Measuring the sensor element when the temperature varies provides better compensation and better accuracy for the pressure sensor measurements (compared to indirect measurements). The film structure 1 provides an increased thermal coupling and consists of a PTC element (Positive Temperature Coefficient) with high resistance. The PTC element in the film structure 1 provides a temperature sensor with a resistance which is dependent on temperature but negligible depending on pressure. One skilled in the art will know that PTC refers to materials that have an increase in electrical resistance as temperature increases. The temperature sensor in the form of a film structure 1 can for example be made of platinum. The PTC element which is an electrically conductive film structure 1 is connected in parallel with the crystal connection in the pressure sensor. Since the Q-factor in quartz is very high, the change in the relatively high resistance, which is constituted by added film structure with high-ohmic PTC element, will not influence the frequency of the pressure sensor. As illustrated in fig. 3, the film structure can be connected to a film low-pass filter 4 if necessary. This is necessary if the pressure sensor is isolated from the rest of the electronics using pressure-resistant penetrators, and if there is a risk of leakage with such a penetrator. Thus, when connecting the PTC element (film structure 1) with a low-pass filter 4, the temperature and pressure can be read through the same penetrator, and the AC components will not affect the swing element, and vice versa. The low-pass filter can be made as a series inductance. Fig. 4 illustrates an embodiment where the PTC element (film structure 1) is integrated with the low-pass filter 4.
Den temperaturmålende trykksensoren gir også en mulighet for å detektere brekkasjer eller sprekkdannelser i krystallstrukturen i trykksensoren. Brekkasjeeller sprekkdannelser detekteres når en endring i koblingen detekteres, dvs en irregulær endring i det målte signalet. The temperature-measuring pressure sensor also provides an opportunity to detect breakages or cracks in the crystal structure of the pressure sensor. Breakage or cracking is detected when a change in the connection is detected, i.e. an irregular change in the measured signal.
Temperaturmålingen kan gjøres via likestrøm (DC) og trykkmålingene kan gjøres via vekselstrøm (AC). Temperaturen måles ved temperaturterminalene 3 og trykk måles ved trykkterminalene 2, som vist i fig. 1-4. Temperaturen blir kompensert for ved hjelp av digital signalprosessering (Multi Control Unit, MCU) forsynt med informasjon fra tidligere kalibreringer av den temperaturmålende trykksensoren, og informasjon vedrørende forholdet mellom PTC-verdi og temperaturen kan finnes ut fra kalibreringsinformasjonen. Fra dette blir riktig trykk funnet ved å målte PTC-verdien som gir temperatur, og bruke både temperaturen og frekvensen til å finne nøyaktig trykk. Siden en DC-måling vil kreve en nøyaktig A/D konverter (Analog til digital-konverter) er denne utførelsen mest egnet for plasseringer der gode og kostnadseffektive A/D-konvertere finnes, så som undersjøiske og landbaserte plasseringer. Men i fremtiden med forbedrede A/D-konvertere kan den samme utførelsen også brukes i nedihullsapplikasj oner. The temperature measurement can be made via direct current (DC) and the pressure measurements can be made via alternating current (AC). The temperature is measured at the temperature terminals 3 and pressure is measured at the pressure terminals 2, as shown in fig. 1-4. The temperature is compensated for by means of digital signal processing (Multi Control Unit, MCU) provided with information from previous calibrations of the temperature measuring pressure sensor, and information regarding the relationship between PTC value and temperature can be found from the calibration information. From this, the correct pressure is found by measuring the PTC value which gives the temperature, and using both the temperature and the frequency to find the exact pressure. Since a DC measurement will require an accurate A/D converter (Analog to digital converter), this design is most suitable for locations where good and cost-effective A/D converters exist, such as underwater and land-based locations. However, in the future with improved A/D converters, the same design can also be used in downhole applications.
I en annen utførelse av oppfinnelsen kan svingelementet i trykksensoren forsynes med en overflateakustisk bildesensor 5 (SAW teperature sensor). Trykksensoren med SAW-temperatursensoren 5 er vist i fig. 5. En SAW temperatursensor 5 unngår analoge mplinger av temperaturen. Temperatursensoren 5 basert på overflateakustiske bølger vil typisk bli brukt i nedihullselektronikk som skal være så enkel som mulig og ha lang levetid ved høye temperaturer. In another embodiment of the invention, the swing element in the pressure sensor can be provided with a surface acoustic image sensor 5 (SAW temperature sensor). The pressure sensor with the SAW temperature sensor 5 is shown in fig. 5. A SAW temperature sensor 5 avoids analogue measurements of the temperature. The temperature sensor 5 based on surface acoustic waves will typically be used in downhole electronics which must be as simple as possible and have a long life at high temperatures.
I dag er noen trykksensorer allerede utstyrt med to forskjellige metaller arrangert på sensoren ved hjelp av vakuumdeponering. Derfor vil ikke påføringen av en filmstruktur til medføre økt kompleksitet i produksjonen. Mengden av kalibrering av sensoren vil heller ikke øke, hvilken har en kostnadsreduserende effekt. Today, some pressure sensors are already equipped with two different metals arranged on the sensor using vacuum deposition. Therefore, the application of a film structure will not lead to increased complexity in the production. The amount of calibration of the sensor will also not increase, which has a cost-reducing effect.
Keferansetall Reference numbers
1. Filmstruktur 1. Film structure
2. Trykkterminal 2. Print terminal
3. Temperaturterminal 3. Temperature terminal
4. Lavpassfilter 4. Low pass filter
5. SAW temperatursensor 5. SAW temperature sensor
Claims (12)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20082678A NO332873B1 (en) | 2008-06-10 | 2008-06-10 | Temperature grinding pressure sensor |
| PCT/NO2009/000215 WO2009151338A1 (en) | 2008-06-10 | 2009-06-10 | Temperature measuring pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20082678A NO332873B1 (en) | 2008-06-10 | 2008-06-10 | Temperature grinding pressure sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20082678L NO20082678L (en) | 2009-12-11 |
| NO332873B1 true NO332873B1 (en) | 2013-01-28 |
Family
ID=40941773
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20082678A NO332873B1 (en) | 2008-06-10 | 2008-06-10 | Temperature grinding pressure sensor |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| NO (1) | NO332873B1 (en) |
| WO (1) | WO2009151338A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102435384B (en) * | 2011-12-02 | 2013-12-11 | 上海交通大学 | Temperature compensation method of SAW (surface acoustic wave) high-temperature pressure sensor based on vertical-horizontal stress adjustment |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3561832A (en) * | 1969-12-05 | 1971-02-09 | Hewlett Packard Co | Quartz resonator pressure transducer |
| GB0314240D0 (en) * | 2003-06-19 | 2003-07-23 | Schlumberger Holdings | Method for dynamic compensation with temperature in the pressure determination of a pressure gauge |
| KR100555665B1 (en) * | 2004-06-11 | 2006-03-03 | 삼성전자주식회사 | Monolithic multi-functional integrated sensor and methods for fabricating the same |
| US8294332B2 (en) * | 2007-07-02 | 2012-10-23 | Schlumberger Technology Corporation | Pressure transducer |
-
2008
- 2008-06-10 NO NO20082678A patent/NO332873B1/en not_active IP Right Cessation
-
2009
- 2009-06-10 WO PCT/NO2009/000215 patent/WO2009151338A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NO20082678L (en) | 2009-12-11 |
| WO2009151338A1 (en) | 2009-12-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6522624B2 (en) | Absolute pressure differential pressure transducer | |
| US7456638B2 (en) | MEMS based conductivity-temperature-depth sensor for harsh oceanic environment | |
| EP2365301B1 (en) | Capacitance-type liquid level measuring probe | |
| US20100139407A1 (en) | Pressure gauge | |
| JP5838514B2 (en) | Nanoparticle modified filling fluid for pressure transmitter | |
| US9897502B2 (en) | Pressure transducer | |
| JP6993779B2 (en) | Inertial measurement unit | |
| US8117898B2 (en) | Method for sensing gas composition and pressure | |
| CN107782485B (en) | Differential pressure sensor integrated with common mode error compensation | |
| Tang et al. | An electrothermally excited dual beams silicon resonant pressure sensor with temperature compensation | |
| US10288510B2 (en) | Footed pressure measuring device | |
| EP3690417A1 (en) | Apparatus for heat-loss vacuum measurement with improved temperature compensation and extended measurement range | |
| JP5049780B2 (en) | Pressure transducer with external heater | |
| NO332873B1 (en) | Temperature grinding pressure sensor | |
| US10386218B2 (en) | Temperature measurement system for measuring the temperature of a tube and flowmeter comprising the temperature measurement system | |
| CN210071209U (en) | Remote seal system and remote sensing assembly | |
| US9631993B2 (en) | Self-heated MEMs based capacitance diaphragm gauge | |
| US8893554B2 (en) | System and method for passively compensating pressure sensors | |
| US20150030054A1 (en) | Wide-range precision constant volume gas thermometer | |
| KR101483755B1 (en) | An apparatus for measuring gas pressure and temperature in gas pipe | |
| CN115701529A (en) | Temperature sensor assembly | |
| JP3607420B2 (en) | Dry type pressure detector | |
| US20120285239A1 (en) | Apparatus for Determining at Least One Process Variable | |
| US20160084723A1 (en) | Pressure Sensor | |
| Plöchinger | Thermal conductivity measurement with “free floating” molecule detector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Lapsed by not paying the annual fees |