Проведен эксперимент по исследованию динамических характеристик скважинных датчиков нашего производства и сравнение их с датчиками фирмы Quartzdyne (США)

Динамические характеристики кварцевых скважинных датчиков давления ПДТК-Р-П-Т-МС при изменении давления и температуры.

Введение

Кварцевые манометрические резонаторы-сенсоры обладают относительно небольшой температурной зависимостью, но так как в последнее время требуются высокие точности измерения давления, а диапазон рабочих температур может достигать 200 0С в датчиках ПДТК-Р-П-Т-МС установлен термочувствительный резонатор-сенсор, с помощью которого производится компенсация дополнительной температурной ошибки манометрического резонатора-сенсора.
При градуировке датчики подвергаются пошаговому воздействию температуры в рабочем диапазоне, на каждом шаге температуры производится измерение частоты в зависимости от давления в рабочем диапазоне.
Так как при градуировке необходимо достичь стабильных значений воздействующих факторов температуры и давления, то перед началом измерений производится выдержка на каждом температурном шаге (не менее 2 часов при использовании воздушной камеры холода/тепла) и на каждом шаге давления не менее 2 мин.
Такая методика градуировки кварцевых датчиков давления, применяемая в СКТБ ЭлПА, позволяет получить в статике погрешность измерения давления до ±0,03% ВПИ во всем диапазоне рабочих температур. Но при быстром изменении давления (Р) на величину более 1,0 МПа/с и изменении температуры (t) со скоростью более 0,1 0С/мин. может возникать тепловой градиент, который даёт дополнительную динамическую погрешность измерения давления, которая зависит от величины и скорости изменения воздействующего фактора (Р или t, или P и t), и реакции датчика (которая обусловлена его конструкцией)
В отчете приведены данные динамических характеристик датчиков давления с малогабаритным резонатором кварцевым манометрическим объемного сжатия РКМА-Р-ОС-21 (брусок 4,5х4,5х16 мм), кварцевым термочувствительным и кварцевым опорным резонаторами в цилиндрических корпусах Ø2х6 мм.
Сравнивается модель, ПДТК-Р-П-Т-МС-32 (Ø18х160 см. рисунок 7) и новая разработка-модифицированная модель ПДТК-Р-П-Т-МС-32М с теми же габаритными размерами, технические решения реализованные в этой модели будут внедрены в серийные датчики в 2019 году.

Цель эксперимента

Целью проведения данного эксперимента является сравнение влияния произведенных конструкционных изменений кварцевых резонаторов-сенсоров и датчиков (производства ООО «СКТБ ЭлПА») на их динамические характеристики, и сравнение с характеристиками зарубежных аналогов.
Для определения динамических характеристик датчиков ПДТК-Р-П-Т-МС-32, ПДТК-Р-П-Т-МС-32М и сравнения их с аналогами были выбраны виды воздействия и величины близкие к значениям в экспериментах представленных на сайте фирмы Quartzdayne (США), которая также выпускает прецизионные скважинные кварцевые датчики давления.
Необходимо учитывать, что реальные условия эксплуатации датчиков могут значительно отличаться от экспериментальных условий, которые созданы как некая шкала для сравнения датчиков разных конструкций и производителей.

Описание эксперимента

Эксперимент №1

Воздействие резкого перепада температур (термоудар) при атмосферном давлении, путем погружения датчика, который изначально имел комнатную температуры (+25 °С), в жидкостной термостат с заранее установленной в нем температурой (+140 °С). При этом важной характеристикой является теплопроводность теплоносителя в термостате. В данном эксперименте применялась кремнийорганическая жидкость ПМС-10 с коэффициентом теплопроводности 0,167 Вт/м.К. На рисунке 1(а) и 1(б) представлены графики зависимости показаний датчиков давления и датчиков температуры (СКТБ) от времени после погружения в жидкостной термостат.

Рисунок 1(а)

Рисунок 1(б)

На рисунке 2(а) и 2(б) представлены графики (с сайта www.quartzdayne.com) зависимости показаний датчика давления и датчика темпеатуры от времени после погружения в жидкостной термостат (теплопроводность используемого теплоносителя неизвестна).

Рисунок 2(а)

Рисунок 2(б)

Эксперимент №2

Воздействие смены температуры от 20 °С до 90 °С с заданной скоростью.
На рис. 3 представлены графики зависимости показаний датчиков давления и датчиков температуры (СКТБ) во время изменения температуры при атмосферном давлении:

• рисунок 3(а) скорость изменения температуры 5 °С/мин;
• рисунок 3(б) скорость изменения температуры 0,5 °С/мин.

Рисунок 3(а)

Рисунок 3(б)

На рисунке 4 представлены графики (с сайта www.quartzdayne.com) зависимости показаний датчиков давления и датчиков темпеатуры во время изменения температуры от 40 °С до 70 °С с заданной скоростью 0,8 °С/мин при давлении 13,79

Рисунок 4

Эксперимент №3

Воздействие быстрого перепада давления. В лабораторных условиях наиболее быстрый перепад можно получить при сбросе давления, открыв кран связывающий систему коллектора и подачи давления грузопоршневого манометра с атмосферой. Выбран перепад давления равный
35,0 МПа. (5000 psi) На рисунке 5(а) приведены графики показаний датчиков (СКТБ) вкрученных в общий коллектор, которые были помещены в воздушную камеру тепла/холода с установленной температурой 40 0С. На рисунке 5(б) представлены графики показаний датчиков (с сайта www.quartzdayne.com), которые размещались в жидкостном термостате с установленной температурой 40 °С.

Рисунок 5(а)

Рисунок 5(б)

На рисунке 6(а) приведены графики показаний датчиков (СКТБ) вкрученных в общий коллектор, которые были помещены в воздушную камеру тепла/холода с установленной температурой 115 0С. На рисунке 6(б) представлены графики показаний датчиков (с сайта www.quartzdayne.com), которые размещались в жидкостном термостате с установленной температурой 175 °С

Рисунок 6 (а)

Рисунок 6 (б)

На момент проведения эксперимента №3 (быстрого сброса давления) ООО «СКТБ ЭлПА» при градуировке в качестве задатчика температуры использовало воздушную камеру холода/тепла. А так как, теплопроводность воздушной камеры на порядок меньше теплопроводности жидкостного термостата, то можно ожидать уменьшения времени реакции датчиков производства СКТБ ЭлПА, при размещении их в жидкостном термостате.

Выводы

Введенные изменения в конструкцию кварцевых ЧЭ и датчиков ПДТК-Р-П-Т-МС-32М дали уменьшение времени реакции и(или) уменьшение изменения показаний датчика во время динамического воздействия давления и(или) температуры.
Низкочастотные кварцевые резонаторы-сенсоры имеют меньшие габаритные размеры по сравнению с высокочастоными резонаторами-сенсорами, которые применяет фирма Quartzdyne в датчиках, участвовавших в экспериментах (информация взята с сайта www.quartzdyne.com), это позволило внести изменения в конструкцию корпуса датчика ПДТК-Р-П-Т-МС-32М и уменьшить постоянную времени по сравнению с датчиком ПДТК-Р-П-Т-МС-32. В результате чего были получены те-же или лучшие показатели в экспериментах динамического воздействия давления и(или) температуры по сравнению с кварцевыми датчиками фирмы Quartzdyne.