Пьезоэлектрический датчик давления

 

Использование: в аппаратуре для выявления заколонных перетоков флюидов в обсаженных скважинах. Сущность изобретения: датчик содержит корпус 1 переходника с отверстиями под электровыводы 2 и пьезоэлемент 3. Последний выполнен в виде тонкостенного радиально-поляризованного цилиндра из керамики. Токопроводящие поверхности 4 пьезоэлемента соединены с электровыводами. Пьезоэлемент размещен внутри оболочки 5 из компаунда с наполнителем и имеет сквозной паз 6 по образующей цилиндра. Свойства компаунда и керамики подобраны так, что их коэффициенты температурного расширения равны, а модуль упругости компаунда, по крайней мере, на два порядка меньше модуля упругости керамики. Датчик позволяет повысить чувствительность, расширить частотный диапазон и упростить конструкцию по сравнению с известными устройствами того же назначения. 2 ил.

Изобретение относится к области скважинной сейсмометрии и может быть использовано в аппаратуре для выявления заколонных перетоков флюидов в обсаженных скважинах.

Известен пьезоэлектрический сейсмоприемник давления для морской сейсморазведки [1] содержащий тонкостенный радиально-поляризованный цилиндрический пьезоэлемент, полый изнутри и армированный с торцов крышками. Верхняя крышка имеет отверстие для сальникового уплотнителя, через который выводится коаксиальный кабель. Внутренняя и наружная токопроводящие поверхности пьезоэлемента соединены, соответственно, с центральной жилой кабеля и с экраном.

Недостатками рассмотренного устройства являются низкая чувствительность и небольшая механическая прочность.

Поскольку пьезоэлемент выполнен в виде сплошного (без разрывов поверхности) цилиндра, при внешнем воздействии акустической волны он будет работать подобно жесткой пружине. Величина возникающей при этом упругой деформации, определяющая чувствительность устройства, будет весьма незначительной.

Наличие полости внутри цилиндрического стакана и непосредственный контакт наружной поверхности пьезоэлемента с окружающей средой делают конструкцию незащищенной от действия гидростатического давления и внешних механических воздействий, что снижает механическую прочность устройства.

Известен скважинный сейсмоприемник давления [2] содержащий тонкостенный радиально-поляризованный цилиндрический пьезоэлемент. Токопроводящие поверхности пьезоэлемента соединены с электровыводами, расположенными в корпусе. Пьезоэлемент крепится к корпусу с помощью изоляционных втулок и осевого винта. Корпус вместе с защитным кожухом и резиновой мембраной, закрепленной в нижнем торце защитного кожуха, образуют камеру, заполненную маслом. Для заливки масла в кожухе имеются специальные отверстия.

В этом устройстве давление на пьезоэлемент передается через мембрану и масло, окружающее пьезоэлемент снаружи.

Защитный кожух предохраняет пьезоэлемент от механических повреждений, что несколько улучшает конструкцию. Однако, поскольку пьезоэлемент выполнен в виде полого цилиндра, сейсмоприемник имеет те же недостатки, что и рассмотренный выше аналог, а именно, низкую чувствительность и незащищенность конструкции от действия гидростатического давления. Кроме того, наличие целого ряда дополнительных деталей существенно усложняет конструкцию и приводит к тому, что устройство в целом значительно превосходит по размерам собственно датчик, что ухудшает частотную характеристику, ограничивая частотный диапазон как снизу, так и сверху.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство [3] которое содержит корпус с электровыводами, защитный резиновый кожух и заглушку. Внутри кожуха между корпусом и заглушкой размещены два направляющих металлических стержня, между которыми неподвижно закреплен пьезоэлемент, выполненный в виде тонкостенного цилиндра с радиальной поляризацией. Пьезоэлемент закрыт с торцов изоляционными крышками. В верхней крышке имеется отверстие, в которое вставляется шток плунжера. Головка плунжера с помощью диска устанавливается с возможностью перемещения плунжера вдоль направляющих стержней. Через отверстие в заглушке в камеру, образованную корпусом, заглушкой и защитным кожухом, во внутреннюю полость пьезоэлемента (при поднятом плунжере) заливается масло.

В положении равновесия давление на стенку пьезоэлемента снаружи уравновешивается давлением масла внутри пьезоэлемента. При изменении давления окружающей среды изменяется давление масла внутри защитного кожуха. Поскольку головка плунжера и основание штока имеют различную площадь, плунжер при этом перемещается, изменяя давление масла на внутреннюю стенку пьезоэлемента. Таким образом происходит автоматическая компенсация изменения наружного давления, что позволяет разгрузить стенку пьезоэлемента от нежелательных радиальных нагрузок. Это повышает механическую прочность конструкции по сравнению с рассмотренными выше аналогами, однако, при этом конструкция еще больше усложняется, а такие недостатки, как низкая чувствительность и ограниченный частотный диапазон остаются.

Цель предлагаемого технического решения состоит в повышении чувствительности, расширении частотного диапазона и упрощении конструкции пьезоэлектрического датчика давления.

Эта цель достигается тем, что пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус переходника с отверстиями под электровыводы и пьезоэлемент в виде тонкостенного цилиндра из керамики с радиальной поляризацией, токопроводящие поверхности которого соединены с электровыводами, снабжен электроизоляционной герметизирующей оболочкой из компаунда с наполнителем, внутри которой размещен пьезоэлемент, причем последний имеет сквозной паз по образующей цилиндра, а свойства компаунда и керамики подобраны так, что их коэффициенты температурного расширения равны, а модуль упругости компаунда, по крайней мере, на два порядка меньше модуля упругости керамики.

На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого устройства, на фиг. 2 поперечный разрез по линии А А.

Пьезоэлектрический датчик давления содержит корпус 1 переходника с отверстиями под электровыводы 2 и пьезоэлемент 3. Токопроводящие поверхности 4 пьезоэлемента соединены с электровыводами. Пьезоэлемент размещен внутри оболочки 5 из компаунда с наполнителем и имеет сквозной паз 6 по образующей цилиндра.

Датчик работает следующим образом. Акустическая волна, распространяясь в окружающей среде, проходит через оболочку 5 и воздействует на стенку пьезоэлемента 3, вызывая упругие деформации сжатия, сдвига и изгиба. На внутренней и наружной токопроводящих поверхностях 4 пьезоэлемента возникают заряды противоположного знака, плотность которых пропорциональна величине деформации. В цепи пьезоэлемента развивается электродвижущая сила, которая через электровыводы 2 в корпусе 1 переходника подается на измерительный преобразователь.

Наличие сквозного паза в стенке пьезоэлемента резко усиливает деформацию изгиба, что повышает чувствительность датчика. Поскольку модуль упругости компаунда много меньше модуля упругости керамики, акустическая волна проходит оболочку и достигает стенки пьезоэлемента практически без потери энергии, что также повышает чувствительность.

Оболочка из компаунда с наполнителем надежно защищает пьезоэлемент от действия гидростатического давления и исключает возможность механических повреждений. Прочностные свойства конструкции сохраняются при изменении температуры в широких пределах, чему способствует равенство коэффициентов температурного расширения компаунда и керамики пьезоэлемента.

Оболочка также выполняет функции целого ряда элементов конструкции устройства, принятого за прототип. Заливка компаундом позволяет исключить такие элементы конструкции, как защитный резиновый кожух, плунжер, направляющие стержни, крепежные установочные элементы, а также необходимость заливки внутренних полостей маслом, что существенно упрощает конструкцию.

Кроме того, каждый из перечисленных элементов имеет собственную частотную характеристику, которая влияет на частотную характеристику датчика в целом, ограничивая частотный диапазон. Поэтому замена их оболочкой из компаунда расширяет частотный диапазон датчика.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус переходника с отверстиями под электровыводы и пьезоэлемент в виде тонкостенного радиально-поляризованного цилиндра из керамики, токопроводящие поверхности которого соединены с электровыводами, отличающийся тем, что он снабжен электроизоляционной герметизирующей оболочкой из компаунда с наполнителем, внутри которой размещен пьезоэлемент, причем последний имеет сквозной паз по образующей цилиндра, а свойства компаунда и керамики подобраны так, что их коэффициенты температурного расширения равны, а модуль упругости компаунда по крайней мере на два порядка меньше модуля упругости керамики.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2