可用於海底測量應用的 LVDT 位移傳感器

2018-10-17 11:52:48 信為傳感器

LVDT位移傳感器|載重傳感器|油耗儀|霍爾開關|磁致伸縮液位傳感器

海底環境是條件最惡劣的區域之一,任何傳感器在其中都很難發揮正常性能。 尤其當其需要在水下應用中連續使用 20 年之久時更是如此。在海底環境中,海水深度達到 15,000 ft 時,會對傳感器產生約 7,500 psi 的外部壓力。在如此高壓的深海環境中,許多傳感器工作了一段時間後就會失效,而後更換傳感器又將帶來高昂的費用。通常情況下,更換傳感器時的維護服務成本甚至比傳感器本身的成本要高得多。正因如此,許多應用中都會將延長的傳感器使用壽命列為一項操作規格要求。另一方麵,海水也會對傳感器金屬造成侵蝕,不同深度的海水具有不同的氧氣濃度、溫度、pH 值、含氯量、生物活性、導電率和速度流量,更是加速了這種腐蝕。無論是點蝕、裂縫還是晶粒間腐蝕,都會造成傳感器故障。


根據溫度、鹽度、氧氣濃度和海水深度,LVDT 通常是唯一能夠在海底條件下提供精確可靠的性能的技術。


渾濁或受汙染的水體中,通常會滋生許多硫酸鹽還原細菌,也可能影響傳感器材料的性能。 海水的導電率很高,會促進宏電池腐蝕並增加電偶腐蝕,也會加快溫度上升,從而進一步加劇腐蝕。微生物成因腐蝕也是一個非常嚴重的問題,根據不同的使用條件和傳感器結構中所用的材料對傳感器的操作產生不同程度的影響,在低級別的奧氏體不鏽鋼中尤其顯著。這種腐蝕過程表現為材料性能退化,通常發生在焊接接頭處,如果未能及時檢查並作相應處理,可能會導致焊縫開裂。由於壓力作用和海水對傳感器的影響,海底應用對可靠操作構成了特殊挑戰。根據溫度、鹽度、氧氣濃度和海水深度,采用特殊合金構造和不透氣密封的 LVDT(線性可變差動變壓器)通常是唯一能夠在海底條件下提供精確、可靠的性能的技術。

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線性可變差動變壓器 (LVDT)


什麽是 LVDT?


LVDT 是一種機電傳感器,可將其以機械方式耦合的物體上的直線運動轉換為對應的電子信號。 LVDT 線性位移傳感器提供多個測量範圍,可以測量各種移動,小到百萬分之一英寸,大到 ±20 英寸。圖 A 顯示了典型 LVDT 的元件。變壓器的內部結構包括一個初級繞組和一對以相同方式纏繞的次級繞組,兩個次級繞組對稱分布在初級繞組的兩側。線圈纏繞在具有熱穩定性的單件式中空玻璃強化聚合物上,加上防潮層後,包裹在具有高磁導率的磁屏蔽層內,然後固定在圓柱形不鏽鋼護套中。該線圈配件通常是位移傳感器的靜止元件。運行時,適當的振幅和頻率下產生交流電流,對 LVDT 的初級繞組通電,這一過程稱為初級勵磁。LVDT 的電子輸出信號是兩個次級繞組之間的差分交流電壓,隨纖芯在 LVDT 線圈內的軸向位置而異。通常情況下,該交流輸出電壓由適當的電子電路轉換為更便於使用的高電平直流電壓或電流。

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圖 1:從這張剖視圖上,可以明顯看出幫助 LVDT 適應各種惡劣環境的特性。


LVDT 在深海的使用

密封 LVDT

如果傳感器的周圍都是腐蝕性或高壓介質,則推薦在此類應用中使用密封 LVDT 以確保外部介質不會侵入繞組,從而為設備提供防水保護並有效阻隔可能縮短傳感器使用壽命或降低可靠性的化學物質。

這些類型的 LVDT 都具有一個密封總成和一個厚壁金屬護套,以及由 316 不鏽鋼或超級鎳合金製成的整體式金屬孔芯層。這種結構使得纖芯可以自由移動,同時防止周圍介質侵入繞組。

除了重載護套之外,孔芯層和端部墊圈焊接在一起形成密封,有效避免了產生氧化作用並可能造成泄漏的故障。傳感器線圈纏繞在具有熱穩定性的單件式中空玻璃強化聚合物上,加上防潮層後,包裹在具有高磁導率的磁屏蔽層內,然後固定在圓柱形金屬護套中。在條件嚴苛的應用中,可能還會使用特殊灌膠的複合物或封裝樹脂來進一步保護線圈繞組。

引線可通過玻璃密封接頭或壓縮襯套進行密封,封裝在不鏽鋼外護套中或噴塗特氟隆塗層,以確保連接在極端環境中不會發生故障。典型的密封 LVDT 可以承受高達 3,000 psig 的工作壓力。不透氣的密封結構使纖芯可以承受高達 400°F 的溫度。


專用護套材料

304 和 316 等許多常見的不鏽鋼材料都不能用於將與海水直接接觸的傳感器中。為了適應海底環境,LVDT 的外殼必須采用特種合金(見圖表 1)製成,以增強對海水的耐化學性。這些超級合金可進一步增強 LVDT 總成的高可靠性,以確保其滿足使用壽命延長的要求,甚至在器件完全浸沒在深達 15,000 英尺的海水中並承受約 7,500 psi 的外部壓力時,也能正常工作。由於更換海底硬件的成本原因,可靠性至關重要。

水體類型

17-4PH 不鏽鋼

316L 不鏽鋼

鎳合金 625
淡水
去離子水

地下水
微鹹水
海水


在溫暖的淺水中,適合使用蒙乃爾合金,因為它的金屬成分可防禦海洋生物附著在其表麵。由不鏽鋼製成的護套和纖芯托架無法在溫暖的淺水中保持性能穩定。合金 400 是一種特殊的鎳基合金,可有效抵禦微生物的點蝕和侵襲,從而使傳感器能夠在氧含量豐富的溫暖淺水中正常運行。在深度超過 2,000 英尺、溫度在 5°C 左右的環境下,可以使用不鏽鋼材質。

在深度達到 7,500 ft. 且外部壓力超過 3,500 psi 的海底應用中,鉻鎳鐵合金可有效避免腐蝕,因為其中含有較高的鎳、鉻和鉬。

當設計采用合金 718 來提供抗壓性和耐腐蝕性時,LVDT 總成可連續多年保持可靠運行,即使完全浸沒在海水中也是如此。

雖然這些合金的成本高於不鏽鋼,但可以有效防禦局部腐蝕以及元件的氧化和還原作用。


聚焦 LVDT

SDVGZ係列潛水式 LVDT 位置變送器就是其中一種專門設計用於在外界壓力高達 7,500 psi 的深海環境下運行的 LVDT。這種 LVDT 的外殼采用專用合金製成,可在 15,000 英尺深的海水中承受約 7,500 psi 的外部壓力並保持可靠的長期運行,平均故障間隔時間超過 100 萬小時。

SDVGZ設計了一種海水防腐蝕、高壓、彈簧承載式 LVDT,可在 5,000 psi 壓力平衡式充油容器中使用。通過 316SS 和合金 718 提供抗壓性和耐腐蝕性,LVDT 總成具有較高的可靠性,可在最低要求的使用壽命內連續運行,即使器件完全浸沒在海水中也是如此。LVDT 設計的關鍵元件是零泄漏壓力密封,已經過氦質譜檢漏儀測試檢驗。


海底 LVDT 的運行環境


LVDT 線性位移傳感器廣泛應用於條件監控係統,作為海上平台、海水淡化、係泊電纜、海底井口裝置以及石油和天然氣采集係統等應用中的控製和安全性功能的一部分。 運行過程中,傳感器可浸沒在不同深度的海水中,具體與潮汐水平相關,最深可達 1,000 英尺。監控海上石油平台上的管道、吊杆、係泊、節流閥、延伸儀和其他重要的高應力組件的長期 FEA(有限元分析)的構造運動時,尤其需要精確、長時間運行的 LVDT。例如,海底 LVDT 可用於測量石油平台的結構部件延伸到零點幾微應變。為了確保石油平台不發生位移,測量的運動距離應少於 2mm。海底 LVDT 也適合於提供監控和控製扼流圈或節流閥的狀態所需的位置反饋,以便供應適量的天然氣或石油流經“海底采油樹”。海底采油樹是指閥門的一個組件、線軸和油井的接頭,形式上有點類似於裝飾樹。其功能是避免石油或天然氣從油井中泄漏,同時指引從油井中流出的液體方向。

采油樹上的閥門或扼流圈用於在油管從海床中采集石油時打開和關閉油管。 其可通過液力或電力致動器進行遠程控製。監控和控製扼流圈狀態時,需要位置反饋作為海底控製模塊的一部分。安裝在閥門致動器上的單個或冗餘 LVDT 用於確保在扼流圈幾乎關閉時,液流完全停止。如果不能完全關閉扼流圈,則可能出現環境災難,重蹈近期海灣地區的覆轍。海洋扼流圈分為多種尺寸,但典型的全衝程係列在 2-12 英寸之間。LVDT 還可用於海底塔中,監控安全電纜的延伸,從而在惡劣天氣或地震時提供重要信息,疏散鑽井平台並關閉油井。此類應用是在石油和保險強製要求的安全和環保政策下應運而生的。


總結


隨著裝載係統、海底係泊電纜、控製閥、扼流圈、海水淡化裝置和平台穩定性等應用中對接觸海水的傳感器的需求增加,在指定傳感器時務必要考慮到海水環境、位置和條件,這一點很重要。必須精心挑選能夠承受高壓和可變腐蝕屬性的材料,以確保可靠、無故障地運行。還應考慮長期擁有成本,因為某些位置(尤其在海床上)很難到達,而且更換失效的傳感器需要耗費大量的金錢,並造成很長時間的停工期。海底 LVDT 具有與標準設備相差無幾的可靠性能,同時對海水的耐化學性更強,因此越來越受到歡迎並逐步替代可靠性較差的線性位置技術,例如海底監控係統中用於測量位置的 POTS 和磁阻傳感器。