NO332873B1 - Temperaturmalende trykksensor - Google Patents

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.

Description

TEMPERATURMÅLENDE TRYKKSENSOR

Oppfinnelsens tekniske område

Den foreliggende oppfinnelsen angår en temperaturmålende trykksensor. Mer spesifikt angår oppfinnelsen en temperaturmålende trykksensor konstruert som en piezoelektrisk krystallresonnator for bruk i undersjøiske omgivelser.

Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk

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.

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:

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.

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.

Temperaturkompensasjonen i trykksensoren kan gjøres på forskjellige måter, for eksempel:

- Ved bruk av termostatkontrollert oppvarming/kjøling av elementene:

Ved bruk av en trykksensor med en temperaturufølsom frekvens.

- Ved bruk av digitale teknikker/mikroprosessorer.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Oppsummering av oppfinnelsen

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.

Disse formålene oppnås ved å bruke en sensor for å måle temperaturen til en trykksensor som er kjennetegnet som spesifisert i de vedlagte kravene.

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.

Ifølge en alternativ utførelse av oppfinnelsen er trykksensoren en piezoelektrisk krystallresonator omfattende et svingelement.

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.

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.

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.

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.

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.

Ifølge nok en utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen blir temperaturen målt ved bruk av likestrøm (DC).

Ifølge nok en utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen blir temperaturen målt ved bruk av vekselstrøm (AC).

Ifølge nok en alternativ utførelse av temperatursensoren ifølge oppfinnelsen er filmlavpassfilteret et tynnfilm-lavpassfilter eller et tykkfilm-lavpassfilter.

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.

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.

Kort beskrivelsen av tegningene

Oppfinnelsen vil bli beskrevet videre i mer detalj i den følgende beskrivelsen med hensvinsing til de vedlagte tegningene, i hvilke

Fig. 1 illustrerer temperaturmålende trykksenspr der temperatursensoren er

arrangert ved endeflatene på sensoren.

Fig. 2 illustrerer den temperaturmålende trykksensoren der temperatursensoren

er arrangert på svingelementet.

Fig. 3 illustrerer den temperaturmålende trykksensoren der PTC-elementet er

koblet til et lavpassfilter.

Fig. 4 illustrerer den temperaturmålende trykksensoren der PTC-elementet er

integrert med et lavpassfilter.

Fig. 5 viser den temperaturmålende trykksensoren sett ovenfra der

temperatursensoren er en SAW temperatursensor.

Detaljert beskrivelse av tegningene

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Keferansetall

1. Filmstruktur

2. Trykkterminal

3. Temperaturterminal

4. Lavpassfilter

5. SAW temperatursensor

Claims (12)

1. En temperatursensor for måling av temperatur på en trykksensor, der temperaturmåleren er integrert i trykksensoren ved bruk av en filmstruktur (1),karakterisert vedat trykksensoren omfatter en piezoelektrisk krystallresonator og der temperatursensor (3) i filmstrukturen (1) omfatter et PTC-element med høy ohmisk verdi, der filmstrukturen er plassert på krystallresonatoren og der PTC-elementet er elektrisk koblet til trykksensoren med en lavpassfilterstruktur (4).

2. En temperatursensor ifølge krav 1 ,der trykksensoren er en piezoelektrisk krystallressonator omfattende et svingende element.

3. En temperatursensor ifølge krav 1 eller 2 der filmstrukturen (1) er arrangert på en av endene til trykksensoren.

4. En temperatusensor ifølge krav 2 der filmstrukturen (1) er arrangert på svingelementet til trykksensoren.

5. En temperatursensor ifølge krav 3 eller 4 der filmstrukturen (1) er arrangert på trykksensoren ved hjelp av vakuumdeponering, lim eller trykking.

6. En temperatursensor ifølge krav 1-5 der filmstrukturen er en tynnfilm-struktur eller en tykkfilmstruktur.

7. En temperatursensor ifølge krav 1 der lavpassfilteret er et film-lavpassfilter integrert i filmstrukturen.

8. En temperatursensor ifølge krav 7, der temperaturen måles ved bruk av likestrøm (DC).

9. En temperatursensor ifølge krav 7, der trykket måles med en vekselstrøm (AC).

10. En temperatursensor ifølge krav 7-9 der filmlavpassfilteret (4) er et tynnfilm-lavpassfilter eller et tykkfilm-lavpassfilter.

11. En temperatursensor ifølge krav 1, der temperatursensoren omfatter et filterarrangement for filtrering av AC-komponenter.

12. En tempertursensor ifølge krav 2, der en temperatursensor (5) basert på akustiske overflatebølger (surface acoustic wave) er arrangert på svingelementet til trykksensoren.