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Pressure Sensing Archives - Switzerland (ES)
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Telemetría de pulsos de lodo: transmisión de datos MWD con sensores de presión

Telemetría de pulsos de lodo: transmisión de datos MWD con sensores de presión

La transmisión de datos hidráulicos requiere sensores de presión sensibles capaces de soportar altas presiones. Esto es particularmente cierto cuando se utiliza en aplicaciones de medición durante la perforación (MWD).

MWD se ha convertido en una aplicación estándar, especialmente para perforación direccional costa afuera. La recopilación de datos en tiempo real es esencial para medir la trayectoria del pozo a medida que se perfora. Para ello, se montan varios sensores en la cabeza de perforación para proporcionar información sobre el entorno de perforación en tiempo real. Se utilizan sensores de inclinación, temperatura, ultrasonidos y también radiación. Estos diversos sensores están conectados física o digitalmente a una unidad lógica que convierte la información en dígitos binarios. Los datos de fondo de pozo se transmiten a la superficie mediante telemetría de pulsos de lodo. Además de monitorear y controlar el proceso de perforación, los datos se utilizan para otros aspectos, que incluyen:

  • Información sobre el estado de la broca.
  • Registros de las formaciones geológicas  penetradas por el pozo
  • Creación de estadísticas de desempeño para identificar posibles mejoras
  • Análisis de riesgo para futuras perforaciones

La telemetría de pulsos de lodo es un sistema de transmisión de codificación binaria que se utiliza con líquidos. Esto se logra mediante una válvula que varía la presión del lodo de perforación dentro de la sarta de perforación y, por lo tanto, convierte los registros de los sensores montados en la cabeza de perforación en pulsos de presión. Las pulsaciones llegan a la superficie a través del lodo de perforación. Los pulsos de presión se miden en la superficie mediante un transmisor de presión y se convierten en una señal eléctrica. Esta señal se transmite a una computadora y se digitaliza.

STS proporciona a las empresas de perforación direccional costa afuera transmisores de presión analógicos optimizados para la telemetría de pulsos de lodo. Los sensores deben cumplir altas exigencias: deben ser extremadamente sensibles para registrar de forma fiable incluso las diferencias de presión más pequeñas. Al mismo tiempo, los sensores deben soportar presiones de hasta 1.000 bar. Se requieren presiones muy altas para accionar la cabeza de perforación en orificios de perforación muy profundos. Los transmisores de presión utilizados para la telemetría de pulsos de lodo en la superficie también están expuestos a estas fuerzas.

Además de la alta sensibilidad, se requieren tiempos de respuesta muy rápidos para garantizar una buena comunicación de datos en tiempo real. Para excluir resultados de medición falsificados, el instrumento de medición debe ser silencioso. Las bombas de lodo en particular pueden causar la mayor cantidad de ruido de señal en aplicaciones de perforación. El accionamiento del taladro es otra fuente de interferencia. Por esta razón, los  sensores analógicos con una señal de salida de 4 – 20 mA son la mejor solución para la telemetría de pulsos de lodo.

El equipo de prueba de fugas adecuado

El equipo de prueba de fugas adecuado

Muchas aplicaciones tienen componentes que deben ser absolutamente a prueba de fugas para garantizar un funcionamiento adecuado. Las pruebas de fugas se llevan a cabo comúnmente con transductores de presión que deben cumplir con altos requisitos.

Las aplicaciones y componentes que deben ser estancos son, entre otros:

  • Motores, sistemas de frenos, sistemas de aire acondicionado, culatas, válvulas, filtros, sistemas de inyección y combustible
  • Envasado en la industria alimentaria o tecnología médica
  • Aparatos eléctricos
  • Sistemas de refrigeracion
  • Sistemas hidraulicos

Los componentes que deben estar apretados generalmente se sellan antes de la instalación. Por lo tanto, el equipo utilizado para la prueba de fugas debe funcionar de manera muy confiable durante la producción.

Por lo general, la prueba de fugas se lleva a cabo mediante una medición de presión. Se aplica presión al componente. La presión se mide nuevamente después de un período de descanso. Si se ha producido una caída de presión entre ambas mediciones, se puede considerar que el componente tiene una fuga.

La función estable y precisa del sensor de presión utilizado para la prueba es crucial para la detección de fugas. En particular, los requisitos relativos a la estabilidad y los efectos adversos del ruido atmosférico son muy elevados. Incluso las pérdidas de presión mínimas deben detectarse de forma fiable.

Por ejemplo, los valores de precisión no deben exceder 10… 20 Pa o 0.001%… 0.002% de la escala completa para un sensor de 10 bar.

STS ha estado fabricando sensores de detección de fugas durante años, incluidos los transmisores de presión analógicos de la serie ATM con una señal de salida de 4… 20 mA.  El elemento de medición de alta precisión detecta incluso pérdidas de presión bajas en el rango de mbar y, por lo tanto, cumple con los altos requisitos de las aplicaciones de prueba de fugas.

El diseño mecánico (conexión a proceso y conexión eléctrica) no afecta el comportamiento del sensor y se puede configurar gracias al principio de diseño modular empleado por STS.

Los sensores de presión de la serie ATM están disponibles con diferentes señales de salida. En esta aplicación, sin embargo, es importante utilizar 4… 20 mA ya que esta robusta señal de salida no se ve afectada en gran medida por el ruido atmosférico.

Lea más sobre las pruebas de fugas aquí .

Fragilidad por hidrógeno en acero

Fragilidad por hidrógeno en acero

El chip sensor de los transductores de presión piezorresistivos suele estar rodeado por una membrana de acero. Para las carcasas de estos instrumentos de medición, también se utiliza acero inoxidable en la mayoría de las aplicaciones. Pero si se produce el contacto con el hidrógeno, este material puede volverse quebradizo y luego agrietarse.

La fragilización por hidrógeno afecta no solo al acero, sino también a otros metales. Es por eso que el uso de titanio no ofrece ninguna alternativa con respecto a las aplicaciones de hidrógeno.

¿Qué se entiende por fragilidad?

La fragilización por hidrógeno se refiere a una pérdida de ductilidad en el material. La ductilidad describe la propiedad de los materiales de deformarse plásticamente bajo tensión antes de que finalmente fallen. Dependiendo de su tipo, el acero puede deformarse en más del 25 por ciento. Los materiales que no tienen esta capacidad se denominan frágiles.

Pero los materiales dúctiles también pueden volverse quebradizos o frágiles. Cuando esta fragilización del material es el resultado de la absorción de hidrógeno, esto se denomina fragilidad por hidrógeno.

La fragilización por hidrógeno se produce cuando el hidrógeno atómico se difunde en el material. El requisito previo para la fragilización por hidrógeno en sí es generalmente la corrosión por hidrógeno.

La corrosión por hidrógeno , también conocida como corrosión ácida, siempre tiene lugar cuando existe una deficiencia de oxígeno y el metal entra en contacto con el agua. El producto final que queda de esta reacción redox es hidrógeno puro, que luego oxida el metal. El metal se disuelve en forma de iones y hace que el material se degrade uniformemente.

El hidrógeno liberado por esta reacción redox se difunde en el acero debido a su pequeño tamaño atómico de solo 0,1 nanómetros. El hidrógeno ocupa directamente la red metálica del material como intersticiales atómicos. Las imperfecciones de celosía que surgen aquí aumentan la capacidad de absorción. Esto conduce a una fatiga química en el material, que en última instancia puede provocar grietas desde el interior hacia el exterior, incluso con cargas bajas.

Transmisores de hidrógeno y presión

Debido a su dimensión muy pequeña, el hidrógeno no solo puede penetrar el material, sino que puede penetrarlo por completo. Por esta razón, no solo puede producirse una fragilización del material. Las membranas metálicas de los sensores de presión piezorresistivos son muy delgadas: cuanto más delgadas son, más sensible y preciso se vuelve el sensor. Si el hidrógeno se difunde en y a través de la membrana ( permeación ), puede reaccionar con el fluido de transferencia que rodea el chip sensor. Como resultado, se producen cambios en las propiedades metrológicas del puente de medición debido a la adsorción de hidrógeno. Al mismo tiempo, también puede producirse un aumento de la presión como resultado de estos depósitos, con resultados que van desde el pandeo de la membrana del sensor hasta su completa destrucción.

Además de utilizar una membrana más gruesa pero algo más imprecisa, este proceso se puede retrasar en gran medida utilizando una aleación de oro y la vida útil de la unidad optimizada. Puedes leer más sobre esto aquí .

Medición de presión de alta precisión a altas temperaturas

Medición de presión de alta precisión a altas temperaturas

En algunas aplicaciones, los transmisores de presión deben funcionar de manera confiable cuando se exponen a temperaturas muy altas. Los autoclaves utilizados para esterilizar equipos y suministros en las industrias química y alimentaria son sin duda una de estas aplicaciones exigentes.

Un autoclave es una cámara de presión que se utiliza en una amplia gama de industrias para una variedad de aplicaciones. Se caracterizan por altas temperaturas y presiones diferentes a la presión del aire ambiente. Los autoclaves médicos, por ejemplo, se utilizan para esterilizar equipos mediante la destrucción de bacterias, virus y hongos a 134 ° C. El aire atrapado en la cámara de presión se elimina y se reemplaza por vapor caliente. El método más común para lograr esto se llama desplazamiento hacia abajo: el vapor ingresa a la cámara y llena las áreas superiores empujando el aire más frío hacia el fondo. Allí, se evacúa a través de un desagüe que está equipado con un sensor de temperatura. Este proceso se detiene una vez que se ha evacuado todo el aire y la temperatura dentro del autoclave es de 134 ° C.

Medición muy precisa a altas temperaturas

Los transmisores de presión se utilizan en autoclaves para seguimiento y validación. Dado que los sensores de presión estándar generalmente se calibran a temperatura ambiente, no pueden ofrecer la mejor precisión en las condiciones de calor y humedad que se encuentran en los autoclaves. Sin embargo, recientemente un cliente de la industria farmacéutica se ha puesto en contacto con STS y requiere un error total del 0,1 por ciento a 134 ° C que mide de -1 a 5 bar.

Los sensores de presión piezorresistivos son bastante sensibles a la temperatura. Sin embargo, los errores de temperatura se pueden compensar para que los dispositivos se puedan optimizar para las temperaturas encontradas en aplicaciones individuales. Por ejemplo, si utiliza un transmisor de presión estándar que alcanza una precisión del 0,1 por ciento a temperatura ambiente, el dispositivo no podría ofrecer el mismo grado de precisión cuando se usa en un autoclave con temperaturas de hasta 134 ° C.

Los usuarios que saben que necesitan un sensor de presión que logre un alto grado de precisión a altas temperaturas, por lo tanto, necesitan un dispositivo calibrado en consecuencia. Calibrar un sensor de presión para ciertos rangos de temperatura es una cosa. Sin embargo, el cliente que preguntó acerca de la aplicación del autoclave con demandas de precisión muy altas tuvo otro desafío para nosotros que fue aún más complicado de realizar que un sensor correctamente calibrado: no solo el elemento del sensor debía estar en el autoclave a 134 ° C, sino que El transmisor completo, incluida toda la electrónica, también tenía que ir allí. Desafortunadamente, no podemos entrar en detalles sobre cómo pudimos ensamblar un transmisor digital que ofrece la precisión deseada de menos del 0,1 por ciento de error total a 134 ° C, pero cuyos otros componentes también pueden manejar las condiciones de calor y humedad. .

En resumen: los sensores de presión piezorresistivos son sensibles a los cambios de temperatura. Sin embargo, con los conocimientos técnicos adecuados, se pueden optimizar para los requisitos de aplicaciones individuales. Además, no solo el elemento sensor se puede calibrar en consecuencia, todo el transmisor se puede ensamblar de manera que se puedan controlar incluso las condiciones de calor y humedad.

Conceptos básicos de la medición de caudal

Conceptos básicos de la medición de caudal

El flujo de un gas o líquido se mide por una variedad de razones, que ciertamente incluyen consideraciones comerciales como parte de un contrato y también en varios procesos de producción. El caudal o caudal volumétrico (volumen / tiempo) se puede registrar, entre otras cosas, mediante el valor medido de presión .

El flujo volumétrico se puede medir utilizando varios métodos. Además de los sensores de flujo ultrasónicos, estos incluyen sensores de flujo magnético-inductivos y sensores que funcionan según el método de presión diferencial, entre los que se encuentran la placa de orificio, la boquilla Venturi y el tubo de pitot de Prandtl. Al evaluar los valores medidos, la ecuación de Bernoulli se utiliza para todos los sensores que operan en el método de presión diferencial:

Q = V / t = VmA

Q = caudal volumétrico
Vm = velocidad media
t = tiempo
A = área
V = volumen

Ahora tomaremos la medición del caudal volumétrico usando una placa de orificio como ejemplo. Al unir la placa a una tubería, esta se estrecha en un punto.

Imagen 1: Placa de orificio

Con un flujo suave, debe prevalecer la misma presión antes y después de la placa de orificio:

p 1 + ½ ρv 1 2 = p 2 + ½ ρv 2 2

p = presión
ρ = densidad
v = velocidad

Esta suposición se basa en la ecuación de continuidad, que establece que todo lo que fluye hacia una tubería eventualmente también sale:

v 1 UNA 1 = v 2 UNA 2

v = velocidad

A = área

Imagen 2: Medición de flujo

Sin embargo, en condiciones realistas, se produce fricción, que luego conduce a una caída de presión:

p + ½ ρv 2 + w R = constante

p = presión
ρ = densidad
v = velocidad
w R = tasa de fuerza de fricción por volumen

Imagen 3: Caída de presión 

Esta caída de presión es importante para determinar el caudal volumétrico. Sin embargo, el efecto de fricción en sí depende de muchos factores. Por ello, se utiliza una fórmula empírica, que a su vez se apoya en valores empíricos. El caudal volumétrico ahora resulta en última instancia de la raíz del diferencial de presión:

Q = 4000 αεd 2 √∆p / ρ

Q = caudal de volumen
α = coeficiente de caudal empírico
ε = factor de expansión
d = diámetro del orificio interno
∆p = diferencial de presión
ρ = densidad

Para que esta fórmula sea un poco más fácil para los usuarios, todos los valores constantes del sistema de medición y el medio de medición se pueden resumir como la constante ‘ c ‘. El resultado de un fluido, por ejemplo, ofrece la ecuación:

Q = c √Δp

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