RU2726908C1

RU2726908C1 - Microelectronic well sensor of absolute pressure

Info

Publication number: RU2726908C1
Application number: RU2019141896A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Поляков; Владимир Борисович Поляков; Михаил Александрович Одинцов; Юрий Владимирович Галактионов; Алексей Анатольевич Белов
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-07-16

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, namely, to high-accuracy microelectronic well transducers and sensors operating in aggressive media at high temperatures higher than 125 °C and pressure of 10 to 150 MPa. Disclosed is a pressure sensor, an elongated cylindrical housing of which consists of a bellows pressure receptacle module, made in the form of an elastic bellows, the input of which is hermetically sealed by a rigid disc-shaped cover, and its output through adapter made in form of cylinder with axial through channel is connected to input of basic module, made in form of thick-wall cylinder, inside of which there is a sealed working cavity consisting of cavity of the bellows pressure receptacle module, which is equipped with through electrical hermetic outlets, a partition forming inside the sensor housing on the side of the bellows pressure receiver, the cavity of the through channel of the adapter and the cavity of the basic module, in which the microelectronic sensitive element (SE) is mounted, electric terminals of which are connected to electric hermetic outlets of the partition, which are brought into the cavity of the microelectronics module. Partition with electric hermetic outlets is hermetically mounted at the input of the basic module, or in the version in the adapter channel, and SE, connected to hermetic outlets, is located in filled with force-transmitting liquid of working cavity consisting only of cavity of bellows pressure receptacle module and in version from cavity of bellows pressure receptacle module and cavity of adapter channel.EFFECT: reduced volume of part of working cavity filled with force-transmitting non-aggressive liquid.10 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к высокоточным микроэлектронным скважинным преобразователям и датчикам, работающим в агрессивных средах при высоких температурах и давлении.The invention relates to measuring equipment, namely, to high-precision microelectronic downhole transducers and sensors operating in corrosive environments at high temperatures and pressures.

В состав всего разнообразия электронных датчиков давления входит чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в электрический сигнал. ЧЭ могут быть построены на различных принципах преобразования: пьезорезистивном, емкостном, индуктивном, частотно-резонансном [1]. ЧЭ располагают внутри базового корпуса, который с одной стороны соединен с жидкой, газообразной или сыпучей средой с измеряемым давлением, а с другой стороны содержит крепление ЧЭ, минимизирующее влияние на него стенок базового корпуса, а также электрические гермовыводы для соединения контактов ЧЭ через кабель или непосредственно с электронным устройством, формирующим вторичный электрический сигнал для дальнейшей передачи и обработки. Существует деление ЧЭ по виду упругой деформации, возникающей в его механическом приемнике при воздействии давления на мембранные, балочные и объемного сжатия [2]. Эти деформации передаются на ЧЭ, которые, при их подключении к электронному устройству, формируют амплитудно-токовый, частоторезонансный или цифровой электрический сигнал. В датчиках абсолютного давления ЧЭ выполняют преобразование с заявленной точностью от вакуума до верхнего предела давления, задаваемого конструктивными параметрами ЧЭ плюс значение перегрузки давлением, после снятия которой датчик сохраняет свои точностные параметры. Для измерения давления чистых неагрессивных сред могут применяться датчики с открытыми ЧЭ, работающие с ними в непосредственном контакте. Но в датчиках, предназначенных для измерения давления агрессивных сред, применяются конструкции с дополнительным коррозионностойким упругим элементом (УЭ), герметично разделяющим измеряемую агрессивную среду и внутреннюю полость базового корпуса датчика с ЧЭ, заполненную силопередающей жидкостью или гелем. Давление внешней агрессивной среды воздействует на защитный УЭ и далее передается через силопередающую жидкость или гель на ЧЭ, где и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал. Эти конструкции, так называемые «жидкостные разделители», могут быть сразу в составе датчика в рабочем положении, заправленные и откалиброванные, или могут быть присоединены к законченному датчику давления с открытым ЧЭ, при периодически возникающей необходимости работы с агрессивными средами.The whole variety of electronic pressure sensors includes a sensing element (SE), which senses the measured pressure and converts it into an electrical signal. SE can be built on various principles of transformation: piezoresistive, capacitive, inductive, frequency-resonant [1]. The SE is located inside the base case, which on the one hand is connected to a liquid, gaseous or granular medium with a measured pressure, and on the other hand contains the SE mount, which minimizes the effect of the walls of the base case on it, as well as electrical sealed leads for connecting the SE contacts through a cable or directly with an electronic device that generates a secondary electrical signal for further transmission and processing. There is a division of SE according to the type of elastic deformation that occurs in its mechanical receiver when pressure is applied to membrane, beam and volumetric compression [2]. These deformations are transmitted to the SE, which, when connected to an electronic device, form an amplitude-current, frequency-resonant or digital electrical signal. In the absolute pressure sensors SE, a conversion is performed with the declared accuracy from vacuum to the upper pressure limit set by the design parameters of the SE plus the pressure overload value, after removing which the sensor retains its accuracy parameters. To measure the pressure of clean non-aggressive media, sensors with open SEs can be used, working with them in direct contact. But in sensors designed to measure the pressure of aggressive media, constructions with an additional corrosion-resistant elastic element (RE) are used, hermetically separating the measured aggressive medium and the inner cavity of the base body of the sensor with SE, filled with a force-transmitting liquid or gel. The pressure of the external aggressive environment acts on the protective RE and is then transmitted through the force-transmitting liquid or gel to the SE, where it is converted into a proportional electrical signal. These structures, the so-called "liquid separators", can be immediately included in the sensor in the operating position, filled and calibrated, or can be connected to a complete pressure sensor with an open SE, when it is necessary to work with aggressive media from time to time.

Востребованность предлагаемого изобретения по совершенствованию скважинных датчиков давления и температуры обусловлена истощением месторождений с легко добываемыми углеводородами. Поэтому по данным публикации [3] многие геологоразведочные компании, занимаясь поиском новых источников нефти и газа, бурят скважины в экстремальных для оборудования и технологий условиях: это агрессивная среда под давлением выше 100 МПа и температуре выше 150°С. При этом, так как диаметр ствола скважины ограничен, поперечное сечение датчика тоже должно быть минимальным. А для адекватного решения задач геологоразведке необходима долговременная точность измерения давления и температуры до 0,01% от ВПИ.The demand for the proposed invention for improving downhole pressure and temperature sensors is due to the depletion of deposits with easily produced hydrocarbons. Therefore, according to publication [3], many exploration companies, looking for new sources of oil and gas, drill wells in extreme conditions for equipment and technologies: this is an aggressive environment under pressure above 100 MPa and temperatures above 150 ° C. At the same time, since the borehole diameter is limited, the sensor cross-section should also be minimal. And for an adequate solution to the problems of geological exploration, a long-term accuracy of pressure and temperature measurements is required up to 0.01% of the FS.

Известен высокоточный датчик давления серии 33 X, разработанный Швейцарской фирмой «KELLER» (Сборочное производство которой расположено в РФ г. Санкт-Петербург и выполняется ООО «Измерение и Контроль»). Датчик имеет монолитный базовый корпус из нержавеющей стали в форме цилиндра диаметром 22 мм, с одного из его торцов закреплен модуль приемника давления, выполненного в форме круглой полой коробки, основание которой образует ЧЭ «KELLER серии 10» на основе пьезорезистивных структур КНК (кремний на кремнии). А внешнюю часть образует УЭ в виде гофрированной мембраны из нержавеющей стали диаметром 18 мм. Полость коробки между кремниевым ЧЭ и гофрированной мембраной заполнена силопередающей жидкостью. Наличие гофрированной мембраны и подмембранной жидкости, необходимых для работы датчика с агрессивной средой, снижает точность преобразования. УЭ кроме функции зашиты ЧЭ от разрушительного воздействия агрессивной измеряемой среды и передачи на него измеряемого давления, выполняет роль частичного компенсатора дестабилизирующего теплового изменения давления подмембранной жидкости (так называемого «Баллонного эффекта»). Эта компенсация происходит в результате изменения объема подмембранной жидкости за счет упругой деформации УЭ. Но величина допустимой деформации УЭ ограничена его размерами и формой. Так, при всех равных условиях, равном исходном объеме подмембранной жидкости, заправленной при одной и той же температуре, гофрированная мембрана по сравнению с гладкой, при одинаковой толщине и диаметре, изготовленная из идентичного материала, будет иметь большую допустимую деформацию, а значит и возможность компенсации «Баллонного эффекта» в большем диапазоне температур. Несмотря на преимущества от выполнения в выбранном аналоге датчика защитного УЭ в виде гофрированной мембраны из нержавеющей стали диаметром 18 мм и толщиной 0,1 мм, он не обеспечивает компенсацию «Баллонного эффекта» при температуре измеряемой среды выше 80°С. Расширение температурного диапазона с сохранением высокой точности аналога возможно за счет уменьшения толщины гофрированной мембраны или за счет увеличения ее диаметра. Повышение чувствительности и точности датчика за счет уменьшения толщины мембраны требует решения технологических проблем, связанных с изготовлением и приваркой (к корпусу) тонкостенных мембран. Кроме того, чем тоньше мембрана, тем больше она подвержена механическим и химическим разрушающим воздействиям. Негерметичность гофрированной полости между мембраной и ЧЭ приводит к утечке жидкости и, в конечном счете, к отказу датчика [4]. Увеличение диаметра мембраны позволяет поднять чувствительность датчика при приемлемой толщине металла (например, 0,1 мм). Однако при этом возрастает объем подмембранной жидкости и соответствующая температурная погрешность. Растет также фронтальная нагрузка на датчик (в квадратичной зависимости по отношению к диаметру).Known high-precision pressure sensor series 33 X, developed by the Swiss company "KELLER" (Assembly production is located in the Russian Federation, St. Petersburg and is carried out by LLC "Measurement and Control"). The sensor has a monolithic base case made of stainless steel in the form of a cylinder with a diameter of 22 mm, from one of its ends a pressure receiver module is fixed, made in the form of a round hollow box, the base of which is formed by the SE "KELLER series 10" based on piezoresistive structures KNK (silicon on silicon ). And the outer part is formed by a UE in the form of a corrugated stainless steel membrane with a diameter of 18 mm. The cavity of the box between the silicon SE and the corrugated membrane is filled with a force-transmitting fluid. The presence of a corrugated diaphragm and a sub-diaphragm fluid required for the sensor to operate with an aggressive medium reduces the conversion accuracy. In addition to the function of protecting the SE from the destructive effect of an aggressive measured medium and transferring the measured pressure to it, the UE plays the role of a partial compensator for the destabilizing thermal change in the pressure of the submembrane fluid (the so-called "balloon effect"). This compensation occurs as a result of a change in the volume of the submembrane liquid due to the elastic deformation of the RE. But the magnitude of the permissible deformation of the RE is limited by its size and shape. So, under all conditions being equal, equal to the initial volume of the sub-membrane liquid charged at the same temperature, a corrugated membrane, compared to a smooth one, with the same thickness and diameter, made of an identical material, will have a large permissible deformation, and hence the possibility of compensation "Balloon effect" in a wider temperature range. Despite the advantages from the implementation of a protective UE in the selected analogue of the sensor in the form of a corrugated stainless steel membrane with a diameter of 18 mm and a thickness of 0.1 mm, it does not provide compensation for the "balloon effect" at a temperature of the measured medium above 80 ° C. Expansion of the temperature range while maintaining the high accuracy of the analog is possible by reducing the thickness of the corrugated membrane or by increasing its diameter. Increasing the sensitivity and accuracy of the sensor by reducing the membrane thickness requires solving technological problems associated with the manufacture and welding (to the body) of thin-walled membranes. In addition, the thinner the membrane, the more it is subject to mechanical and chemical destructive effects. Leakage of the corrugated cavity between the membrane and SE leads to fluid leakage and, ultimately, to sensor failure [4]. Increasing the diaphragm diameter allows you to raise the sensor sensitivity with an acceptable metal thickness (for example, 0.1 mm). However, this increases the volume of the submembrane fluid and the corresponding temperature error. The frontal load on the sensor also increases (in quadratic relation to the diameter).

Значительно большими возможностями по компенсации температурной погрешности при экстремальных условиях работы обладают датчики давления малого диаметра, у которых защитный УЭ выполнен виде сильфона. Так, взятый за прототип скважинный датчик давления и температуры фирмы Quartzdyne с сильфонным УЭ обеспечивает суммарную точность по давлению 0,03% от ВПИ в диапазоне температур от 25 до 200°С, включая старение 0,01% от ВПИ в год. Сведения о выбранном прототипе приведены в следующих публикациях: Крис Эвант и Сайфон Даунгкэу, Бангкок, Тайланд и др. Приборы для работы в экстремальных скважинных условиях, «Нефтегазовое обозрение», Сборник 1; избранные статьи из журнала - «Oilfield Review», том 24, №3 (осень 2012 г.); том 24, №4 (зима 2012-2013 гг.); том 25, №1 (весна 2013 г.) [3]; - Goutham R. Kirikera, William Patton, Suzanne M. Behr - «Modeling Thickness Shear Mode Quartz Sensors for Increased Downhole Pressure & Temperature)) - Geophysical Research Company, LLC (GRC) Tulsa, Oklahoma Goutham R. Kirikera October 7 - 2010 [4].Small-diameter pressure sensors, in which the protective UE is made in the form of a bellows, have much greater possibilities for compensating for the temperature error under extreme operating conditions. So, taken as a prototype, a downhole pressure and temperature sensor from Quartzdyne with a bellows-type UE provides a total pressure accuracy of 0.03% of the FS in the temperature range from 25 to 200 ° C, including aging of 0.01% of the FS per year. Information about the selected prototype is given in the following publications: Chris Evant and Siphon Daungkau, Bangkok, Thailand, etc. Instruments for working in extreme well conditions, "Oil and Gas Review", Collection 1; selected articles from the magazine - "Oilfield Review", vol. 24, no. 3 (fall 2012); volume 24, no.4 (winter 2012-2013); volume 25, no.1 (spring 2013) [3]; - Goutham R. Kirikera, William Patton, Suzanne M. Behr - “Modeling Thickness Shear Mode Quartz Sensors for Increased Downhole Pressure & Temperature)) - Geophysical Research Company, LLC (GRC) Tulsa, Oklahoma Goutham R. Kirikera October 7 - 2010 [ 4].

На фиг. 1 приведено, взятое из этих публикаций, продольное сечение структурной модели скважинного датчика давления фирмы Quartzdyne в варианте Тип 1 герметичного присоединения к объему с измеряемой средой с конусной герметизацией металл по металлу 18 и одним разъемным соединением.In FIG. 1 shows, taken from these publications, a longitudinal section of the structural model of a downhole pressure sensor from Quartzdyne in the Type 1 version of a hermetically sealed connection to a volume with a measured medium with a metal-to-metal conical sealing 18 and one detachable connection.

На фиг. 2 изображен вариант Тип 2 с герметичным присоединением датчика к объему с измеряемой средой с кольцевыми резиновыми уплотнениями 19. Датчик по любому из вариантов герметичного присоединения имеет удлиненный цилиндрический корпус малого диаметра (в зависимости от модификации от 12,7 до 22,2 мм), состоящий как минимум из трех модулей: модуля сильфонного приемника давления 1, базового модуля 2 и модуля микроэлектроники 3. Модуль приемника давления 1 состоит из упругого сильфона 4, вход у которого герметично закрыт жесткой крышкой 5 в форме диска. Выход сильфона через, выполненный в виде цилиндра с осевым сквозным каналом 11, переходник 6 соединен с входом базового модуля 2, выполненного в форме толстостенного цилиндра, внутри которого смонтирована перегородка 7 с электрическими гермовыводами 8. Перегородка 7 с электрическими гермовыводами 8 герметично разделяет внутренний объем корпуса датчика на полость 9 модуля микроэлектроники 3 и рабочую полость, образованную полостью 10 базового модуля 2, соединенную по каналу 11 в переходнике 6 сильфонного приемника давления 1, с полостью 12, расположенную внутри сильфона 4, герметизированного крышкой 5. В полости 10 базового модуля смонтирован частоторезонансный чувствительный элемент (ЧЭ) 13 из монокристаллического кварца, причем все пространство между ЧЭ 13 и внутренними поверхностями рабочей полости 10, 11 и 12 заполнено силопередающей жидкостью, а электрические выводы ЧЭ присоединены к заделанным в перегородке 7 электрическим гермовыводам 8, которые выведены в полость модуля микроэлектроники и подключены через кабель или непосредственно напрямую к электронному устройству 14 с возможностью формирования частотного или цифрового электрического сигнала, удобного для передачи и использования.In FIG. 2 shows variant Type 2 with a hermetic connection of the sensor to the volume with the measured medium with rubber O-rings 19. The sensor according to any of the variants of the tight connection has an elongated cylindrical body of small diameter (depending on the modification from 12.7 to 22.2 mm), consisting of At least three modules: a bellows pressure receiver module 1, a base module 2 and a microelectronics module 3. The pressure receiver module 1 consists of an elastic bellows 4, the inlet of which is hermetically sealed by a rigid disc-shaped cover 5. The outlet of the bellows through, made in the form of a cylinder with an axial through channel 11, the adapter 6 is connected to the inlet of the base module 2, made in the form of a thick-walled cylinder, inside which is mounted a partition 7 with electrical sealed leads 8. The septum 7 with electrical sealed leads 8 hermetically separates the internal volume of the housing sensor on the cavity 9 of the microelectronics module 3 and the working cavity formed by the cavity 10 of the base module 2, connected via channel 11 in the adapter 6 of the bellows pressure receiver 1, with the cavity 12 located inside the bellows 4, sealed with a cover 5. In the cavity 10 of the base module, a frequency resonance a sensitive element (SE) 13 made of monocrystalline quartz, and the entire space between the SE 13 and the inner surfaces of the working cavity 10, 11 and 12 is filled with a force-transmitting fluid, and the electric leads of the SE are connected to the electrical sealed leads 8 embedded in the partition 7, which are brought out into the cavity of the microelement module ctronics and connected via a cable or directly directly to the electronic device 14 with the possibility of generating a frequency or digital electrical signal, convenient for transmission and use.

В публикации описания варианта прототипа [3] электронное устройство модуля микроэлектроники содержит высокочастотные термочувствительный и опорный резонаторы из монокристаллического кварца (РКТ 15 и РК 16). Использование РКТ или ЧЭ температуры, основанных на других принципах, позволяет проводить двух факторную калибровку датчика давления с построением регрессионной зависимости выходного электрического сигнала от давления и температуры, а также от их взаимодействия. Подключение первичных частоторезонансных сигналов ЧЭ давления и опорного РК 16 мегагерцевого диапазона к смесителю 17 электронного устройства 14 понижает их до килогерцового диапазона. В результате снижается потребление датчиком электроэнергии и обеспечивается высокое разрешение измерений: 0,006 фунт/дюйм по давлению и 0,001°С по температуре.In the publication of the description of the prototype variant [3], the electronic device of the microelectronics module contains high-frequency thermosensitive and reference resonators made of monocrystalline quartz (RKT 15 and RK 16). The use of RKT or SE of temperature, based on other principles, allows two-factor calibration of the pressure sensor with the construction of a regression dependence of the output electrical signal on pressure and temperature, as well as on their interaction. The connection of the primary frequency-resonant signals of the SE pressure and the reference RK 16 megahertz range to the mixer 17 of the electronic device 14 lowers them to the kilohertz range. As a result, the power consumption of the sensor is reduced and the measurement resolution is high: 0.006 psi for pressure and 0.001 ° C for temperature.

Для получения точных измерений высоких давлений высокотемпературных скважин датчиком Quartzdyne, все стенки его элементов, образующих рабочую полость за исключением сильфона 4, выполнены недеформируемыми измеряемым давлением. А параметры сильфона выбраны так, чтобы они обеспечивали минимальное сопротивление изменениям измеряемого давления и тепловому расширению силопередающей жидкости в рабочей полости («Баллонного эффекта»).To obtain accurate measurements of high pressures of high-temperature wells with a Quartzdyne sensor, all the walls of its elements that form the working cavity, with the exception of bellows 4, are made non-deformable by the measured pressure. And the parameters of the bellows are chosen so that they provide minimum resistance to changes in the measured pressure and thermal expansion of the force-transmitting fluid in the working cavity ("Balloon effect").

Несмотря на реализованные в датчике Quartzdyne конструктивные решения по минимизации температурной ошибки, вызванной «Баллонным эффектом», она остается существенной из-за большого количества элементов, совокупно составляющих значительную часть объема рабочей полости, заполняемую силопередающей жидкостью. Это: пространство 12 (см. фиг. 1) внутри сильфона 4 модуля приемника давления 1, пространство в канале 11 переходника 6, а также пространство между ЧЭ 13 и внутренними поверхностями частей полости 10 базового модуля 2.Despite the structural solutions implemented in the Quartzdyne sensor to minimize the temperature error caused by the "Balloon effect", it remains significant due to the large number of elements that collectively make up a significant part of the volume of the working cavity filled with the force transfer fluid. These are: space 12 (see Fig. 1) inside the bellows 4 of the pressure receiver module 1, the space in the channel 11 of the adapter 6, as well as the space between the SE 13 and the inner surfaces of the parts of the cavity 10 of the base module 2.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - это создание конструкции скважинного датчика давления аналогичной конструкции датчика прототипа с изменениями, позволяющими существенно уменьшить температурную ошибку измерений и увеличить верхний предел рабочих температур. Технический результат решения, поставленной задачи - это уменьшение объема части рабочей полости, заполненной силопередающей неагрессивной жидкостью. Для этого в заявляемой конструкции датчика варианты Тип 1 (с герметизацией соединения с измеряемым объемом металл по металлу 18 Фиг. 3) и Тип 2 (с герметизацией через резиновые кольцевые уплотнения 19 Фиг. 4) герметичная перегородка 7 с электрическими гермовыводами 8 размещена в теле переходника 6 между входом в базовый модуль 2 и выходом модуля приемника давления 1, а микроэлектронный ЧЭ 13, подключенный к гермовыводам 8, расположен в заполненной силопередающей жидкостью рабочей полости, состоящей из полости 12 модуля сильфонного приемника давления 1 и полости 11 канала переходника.The problem solved by the proposed invention is to create a design of a downhole pressure sensor similar to the design of the prototype sensor with changes that can significantly reduce the temperature measurement error and increase the upper limit of operating temperatures. The technical result of the solution to the problem is to reduce the volume of a part of the working cavity filled with a non-aggressive force-transmitting liquid. For this, in the inventive sensor design options Type 1 (with sealing of the connection with the measured volume of metal on metal 18 Fig. 3) and Type 2 (with sealing through rubber O-rings 19 Fig. 4) a sealed partition 7 with electrical sealed leads 8 is placed in the body of the adapter 6 between the input to the base module 2 and the output of the pressure receiver module 1, and the microelectronic SE 13 connected to the sealed leads 8 is located in the working cavity filled with the force-transmitting fluid, consisting of the cavity 12 of the bellows pressure receiver module 1 and the cavity 11 of the adapter channel.

В результате нового расположения в заявляемом датчике ЧЭ 13 и перегородки 7 с гермовыводами 8, объем рабочей полости, с силопередающей жидкостью, сократится до разности объема внутри полости сильфона 12 и объема ЧЭ 13 плюс объем части длины канала переходника между местом монтажа перегородки 7 с электрическими гермовыводами 8 и выходом сильфона 4.As a result of the new arrangement in the inventive sensor CHE 13 and partitions 7 with sealed leads 8, the volume of the working cavity with the force-transmitting fluid will be reduced to the difference between the volume inside the cavity of the bellows 12 and the volume of SE 13 plus the volume of a part of the length of the channel of the adapter between the installation site of the partition 7 with electrical sealed leads 8 and bellows outlet 4.

Для обеспечения точности и исключения провалов в показаниях датчика, и в тоже время для сохранения минимального объема, заполняемого силопередающей жидкостью, в нем применен ЧЭ давления 13, габариты которого не превышают внутренний диаметр сильфона 4, а длина не превышает сумму длин сильфона 4 и канала 11 переходника модуля приемника 1 с сохранением зазора, исключающего касание и сжатие ЧЭ внутренними стенками сильфона. Наименьший объем рабочей полости можно получить при длине ЧЭ равной длине сильфона 4. В этом случае герметичную перегородку 7 с электрическими гермовыводами 8 можно разместить на выходе сильфона 4, а ЧЭ, подключенный к электрическим гермовыводам 8, целиком смонтировать в полости сильфона Фиг. 4.To ensure accuracy and exclude dips in the sensor readings, and at the same time to maintain the minimum volume filled with the force-transmitting fluid, it uses pressure SE 13, the dimensions of which do not exceed the inner diameter of bellows 4, and the length does not exceed the sum of the lengths of bellows 4 and channel 11 Receiver module adapter 1 with preservation of the gap, which excludes touching and compression of the SE by the inner walls of the bellows. The smallest volume of the working cavity can be obtained when the SE length is equal to the bellows length 4. In this case, the sealed partition 7 with electrical sealed leads 8 can be placed at the output of the bellows 4, and the SE connected to the electrical sealed leads 8 can be completely mounted in the bellows cavity Fig. 4.

На Фиг. 3 изображен вариант микроэлектронного скважинного датчика давления Тип 1, у которого длина ЧЭ больше длины сильфона, поэтому электрические гермовыводы перекрывают канал 11 переходника 6 на расстоянии от выхода сильфона 4 равным разнице длин ЧЭ и сильфона 4 плюс минимально необходимые зазоры. На Фиг. 1 и Фиг. 3 показано возможное разъемное резьбовое соединение модуля приемника давления 1 с базовым модулем 2. Возможно оснащение корпуса датчика герметичным или проницаемым наконечником 22. Проницаемые наконечники 22 используются для защиты сильфона при транспортировке и при работе датчика, погруженного в среду с механическими загрязнениями. На Фиг 1, 3 показаны герметичные наконечники 22, которые выполняют роль адаптера для соединения металл по металлу рабочей полости датчика и емкости с измеряемым давлением.FIG. 3 shows a variant of the Type 1 microelectronic downhole pressure sensor, in which the SE length is greater than the bellows length, therefore the electrical sealed leads overlap channel 11 of the adapter 6 at a distance from the bellows 4 outlet equal to the difference between the SE and bellows 4 lengths plus the minimum required clearances. FIG. 1 and FIG. 3 shows a possible detachable threaded connection of the pressure receiver module 1 with the base module 2. It is possible to equip the sensor housing with a sealed or permeable tip 22. Permeable tips 22 are used to protect the bellows during transportation and when operating the sensor immersed in a medium with mechanical impurities. Figures 1, 3 show sealed tips 22, which act as an adapter for metal-to-metal connection of the working cavity of the sensor and a container with a measured pressure.

Кроме основного технического результата, при реализации предлагаемой конструкции возможно получение дополнительных технических результатов.In addition to the main technical result, when implementing the proposed design, it is possible to obtain additional technical results.

Это увеличение прочности и надежности корпуса нового датчика за счет появившейся возможности увеличить толщину стенок базового модуля прототипа без увеличения внешнего диаметра, или уменьшить его внешний диаметр с сохранением толщины стенок, при условии применения в их составе ЧЭ с одинаковыми габаритами. Эта возможность появляется потому, что при расположении ЧЭ внутри сильфона, выполняющего роль силопередающего УЭ и компенсатора теплового расширения, толщина его стенок может быть выполнена минимальной в отличие от расположения ЧЭ внутри базового модуля прототипа, стенки которого должны не деформироваться и выдерживать с запасом измеряемое абсолютное давление.This is an increase in the strength and reliability of the case of the new sensor due to the emerging opportunity to increase the wall thickness of the base module of the prototype without increasing the outer diameter, or to reduce its outer diameter while maintaining the wall thickness, provided that SEs with the same dimensions are used in their composition. This possibility arises because when the SE is located inside the bellows, which plays the role of a force-transmitting RE and a thermal expansion compensator, the thickness of its walls can be minimal, in contrast to the location of the SE inside the base module of the prototype, the walls of which should not deform and withstand the measured absolute pressure with a margin ...

Долговременное сохранение герметичности корпуса датчика, состоящего из нескольких модулей, зависит от площади и толщины их стенок, а также от количества и качества соединений, находящихся под действием одностороннего разрывного давления. Так, при сравнении нового датчика и датчика прототипа, выполненных в варианте исполнения Тип 1 (Фиг. 1 и Фиг. 3) с герметизацией металл по металлу, видим, что в новом датчике из-за отсутствия необходимости формирования в нем герметичной полости 10 базового модуля 2 и переноса по этой причине перегородки 7 базового модуля 2 на его вход, из конструкций исключается пара проблемных кольцевых соединений перегородки 7 с корпусом на его выходе. Так как рабочая полость цилиндрического корпуса датчика прототипа заполнена силопередающей жидкостью под давлением выше атмосферного, то во время измерений на стенки и кольцевые соединения модулей корпуса будут приложены силы давления, действующие на их растяжение. В предлагаемом же датчике все полости и соединения, за исключением сильфона и гермовыводов, находятся в атмосферной среде и, в отличие от прототипа, не подвержены силам давления, действующим на растяжение.The long-term preservation of the tightness of the sensor housing, consisting of several modules, depends on the area and thickness of their walls, as well as on the number and quality of joints under the action of one-sided bursting pressure. So, when comparing the new sensor and the prototype sensor made in the Type 1 version (Fig. 1 and Fig. 3) with metal-to-metal sealing, we see that in the new sensor, due to the absence of the need to form a sealed cavity 10 of the base module 2 and for this reason transferring the partition 7 of the base module 2 to its entrance, a pair of problematic ring joints of the partition 7 with the housing at its outlet is excluded from the designs. Since the working cavity of the cylindrical body of the prototype sensor is filled with a force-transmitting fluid under a pressure higher than atmospheric pressure, then during measurements, pressure forces will be applied to the walls and ring joints of the body modules acting on their tension. In the proposed sensor, all cavities and joints, with the exception of the bellows and sealed leads, are in the atmospheric environment and, unlike the prototype, are not subject to pressure forces acting on tension.

Второй дополнительный технический результат, полученный при решении основной задачи по минимизации «Баллонного эффекта» - это значимое уменьшение величины искажения показаний и длительности переходного процесса при скачкообразном изменении измеряемой температуры и давления.The second additional technical result obtained when solving the main problem of minimizing the "balloon effect" is a significant decrease in the magnitude of the distortion of readings and the duration of the transient process with a sudden change in the measured temperature and pressure.

Этот результат обусловлен применением в новых датчиках ЧЭ давления и ЧЭ температуры ЧЭ с меньшими размерами, а также их более близкое по сравнению с ЧЭ прототипом размещение друг к другу и к измеряемой среде.This result is due to the use of the SE pressure and SE temperature in the new sensors with smaller dimensions, as well as their placement closer to each other and to the measured medium compared to the SE prototype.

В варианте для обеспечения долговременной стабильности и устойчивости датчика к перегрузкам герметичное соединение модулей, составляющих его корпус, выполнено электродуговой или электроннолучевой, или лазерной шовной сваркой.In the variant, to ensure long-term stability and resistance of the sensor to overloads, the sealed connection of the modules that make up its housing is made by electric arc or electron beam, or laser seam welding.

Как уже упоминалось, в датчиках применяют ЧЭ, построенные на различных физических принципах преобразования давления и температуры в пропорциональный аналоговый или частотный электрический сигнал [1]. Большинство из них могут быть применены в заявляемом датчике. Но по материалам публикаций в настоящее время и в перспективе большей мгновенной и долговременной точности можно достичь при применении частоторезонансного принципа преобразования. Суть этого принципа заключается в возбуждении электронной схемой резонансных механических колебаний резонатора, выполненного из упругого материала и получение частоторезонансного электрического сигнала, с частотой равной частоте механических колебаний этого резонатора. Частота и форма резонансных колебаний зависят от размеров и упругих свойств резонатора, а также от внешних воздействий, изменяющих данные упругие свойства. В технике резонаторы применяют как источники стабильной частоты, поэтому при их конструировании стремятся минимизировать влияние на резонансную частоту всех внешних и внутренних факторов. Но в ЧЭ датчиков физических величин применяются специальные резонаторы, сенсоры у которых при воздействии, выбранной для измерения физической величины селективно в большей степени, чем от воздействия остальных факторов, изменяется резонансная частота. Для обеспечения точности преобразования резонатор - сенсор должен быть высоко добротным. Добротность - это отношение запасенной в резонаторе кинетической энергии к ее потере за один период колебаний. Добротность зависит от размеров и формы резонатора, а также от материала из которого он изготовлен. Давно известны частоторезонансные датчики давления, у которых резонирующая часть резонатора выполнена в виде натянутой металлической струны. Но большими возможностями располагают датчики с резонаторами-сенсорами, изготовленными из монокристаллов в виде микроэлектромеханических систем (МЭМС). Монокристаллы обладают малым внутренним трением, вследствие этого низки и механические потери при резонансе. Наиболее изучены и освоены в производстве резонаторов - это искусственные монокристаллы кремния и кварца.As already mentioned, the sensors use SE, built on various physical principles of converting pressure and temperature into a proportional analog or frequency electrical signal [1]. Most of them can be used in the claimed sensor. But according to the materials of publications, at present and in the future, greater instantaneous and long-term accuracy can be achieved using the frequency-resonant conversion principle. The essence of this principle is the excitation by an electronic circuit of resonant mechanical vibrations of a resonator made of an elastic material and obtaining a frequency-resonant electrical signal with a frequency equal to the frequency of mechanical vibrations of this resonator. The frequency and shape of resonant vibrations depend on the dimensions and elastic properties of the resonator, as well as on external influences that change these elastic properties. In technology, resonators are used as sources of a stable frequency, therefore, when designing them, they seek to minimize the effect on the resonant frequency of all external and internal factors. But in the SE of sensors of physical quantities, special resonators are used, the sensors of which, when exposed to a physical quantity selected to measure, selectively to a greater extent than from the impact of other factors, the resonant frequency changes. To ensure conversion accuracy, the resonator - sensor must be of high quality. The quality factor is the ratio of the kinetic energy stored in the resonator to its loss during one oscillation period. The quality factor depends on the size and shape of the resonator, as well as on the material from which it is made. Frequency resonance pressure sensors have long been known in which the resonant part of the resonator is made in the form of a stretched metal string. But sensors with resonator-sensors made of single crystals in the form of microelectromechanical systems (MEMS) have great possibilities. Single crystals have low internal friction, as a result of which mechanical losses at resonance are also low. The most studied and mastered in the production of resonators are artificial single crystals of silicon and quartz.

МЭМС технология прежде всего разрабатывалась для кремния. Кремниевые мембранные ЧЭ могут быть выполнены с малыми размерами, не превышающими 4×4×3 мм, что позволяет разместить их внутри миниатюрного сильфона диаметром 6 мм с обеспечением между ними гарантированного зазора. Кремний не является пьезоэлектриком, поэтому для возбуждения в кремниевом ЧЭ резонансных колебаний приходится применять магнитоэлектрический или электростатический, или тепловой способ. На практике в основном применяется магнитоэлектрический способ. Это когда в кремниевом резонаторе, помещенном в постоянное магнитное поле, под действием силы Лоренца возникают и поддерживаются резонансные колебания и знакопеременный электрический ток с частотой равной частоте механического резонанса.MEMS technology was primarily developed for silicon. Silicon membrane SEs can be made with small dimensions not exceeding 4 × 4 × 3 mm, which allows them to be placed inside a miniature bellows with a diameter of 6 mm with a guaranteed gap between them. Silicon is not a piezoelectric, therefore, to excite resonant oscillations in a silicon SE, it is necessary to use a magnetoelectric or electrostatic, or thermal method. In practice, the magnetoelectric method is mainly used. This is when, in a silicon resonator placed in a constant magnetic field, under the action of the Lorentz force, resonant oscillations and an alternating electric current with a frequency equal to the frequency of mechanical resonance arise and are maintained.

Упругие свойства кварца совпадают с упругими свойствами кремния, а его пьезоэлектрические свойства позволяют разрабатывать и производить в промышленных масштабах малопотребляющие генераторы стабильной частоты и частотные датчики измерения различных физических величин. К тому же в последнее время наблюдается резкое уменьшение размеров кварцевых резонаторов и микроэлектронных кварцевых приборов и их производство групповыми методами технологии МЭМС. Кварцевый ЧЭ по сравнению с кремниевым ЧЭ имеет большую радиационную стойкость и лучшую долговременную стабильность при высоких температурах. Последнее послужило основанием для применения в высокотемпературных скважинных датчиках кварцевых ЧЭ.The elastic properties of quartz coincide with the elastic properties of silicon, and its piezoelectric properties make it possible to develop and produce on an industrial scale low-power generators of stable frequency and frequency sensors for measuring various physical quantities. In addition, recently there has been a sharp decrease in the size of quartz resonators and microelectronic quartz devices and their production by group methods of MEMS technology. Quartz SE, in comparison with silicon SE, has a greater radiation resistance and better long-term stability at high temperatures. The latter served as the basis for the use of quartz CHE in high-temperature downhole sensors.

В прототипе применен цилиндрический кварцевый ЧЭ с линзовым тензочувствительным резонатором с резонансной частотой семь МГц по пятой гармонике диаметром восемь мм. Данная конструкция подошла к пределу своего возможного уменьшения, поэтому в варианте нового датчика применен частоторезонансный ЧЭ объемного сжатия, который выполнен из деталей монокристаллического кварца Z-среза и содержит удлиненный кварцевый корпус, внутри которого сформирована герметичная полость с тензочувствительным резонатором, который выполнен в форме сдвоенного по длине камертона, с возможностью, при подключении к пьезоэлектрической схеме возбуждения, совершать изгибные резонансные колебания на основанной гармонике в пределах от трех до трехсот килогерц. В перспективе можно выполнить ЧЭ объемного сжатия, поперечное сечение которого впишется в окружность диаметром два миллиметра, при этом диаметр корпуса может быть уменьшен до 10-9 миллиметров. При необходимости, точных измерений для компенсации температурной погрешности микроэлектронный датчик давления наряду с ЧЭ давления оснащается ЧЭ температуры, а электронное устройство настраивается по результатам двухфакторной градуировки на компенсацию части температурной погрешности в текущих значениях модулированного измеряемым давлением и температуры электрического сигнала. Величина компенсации температурной погрешности зависит от точности поддержания значений факторов давления и температуры во время градуировки, от адекватности (ошибки аппроксимации) регрессионной функции действительной зависимости частоты датчика от температуры и давления, а также от скорости изменения их значений.The prototype uses a cylindrical quartz SE with a lens strain-sensitive resonator with a resonance frequency of seven MHz at the fifth harmonic with a diameter of eight mm. This design has approached the limit of its possible decrease, therefore, in the version of the new sensor, a frequency-resonant SE of volumetric compression is used, which is made of parts of monocrystalline Z-cut quartz and contains an elongated quartz body, inside which a sealed cavity with a strain-sensitive resonator is formed, which is made in the form of a double the length of the tuning fork, with the ability, when connected to a piezoelectric excitation circuit, to perform bending resonant vibrations at the base harmonic in the range from three to three hundred kilohertz. In the future, it is possible to perform a SE of volumetric compression, the cross-section of which will fit into a circle with a diameter of two millimeters, while the diameter of the body can be reduced to 10-9 millimeters. If necessary, accurate measurements to compensate for the temperature error, the microelectronic pressure sensor along with the pressure sensor is equipped with the temperature sensor, and the electronic device is adjusted according to the results of two-factor calibration to compensate for a part of the temperature error in the current values of the electrical signal modulated by the measured pressure and temperature. The value of the compensation for the temperature error depends on the accuracy of maintaining the values of the pressure and temperature factors during calibration, on the adequacy (approximation error) of the regression function of the actual dependence of the sensor frequency on temperature and pressure, as well as on the rate of change of their values.

В существующих конструкциях используются кварцевые термочувствительные резонаторы. Но из-за относительно больших размеров ЧЭ давления, смонтированного в базовом модуле корпуса, термочувствительный резонатор расположен в модуле электроники, где температура может существенно отличаться от температуры ЧЭ давления из-за тепла, выделяемого электронными компонентами. Для устранения этой разницы ЧЭ температуры плотно в контакте с поверхностями размещен в полости, выполненной в теле перегородки с гермовыводами. Плотный контакт корпуса ЧЭ температуры с переходником обеспечивает быструю теплопередачу между ЧЭ, а их близкое расположение между собой и измерительной средой уменьшает время переходного процесса при быстром изменении температуры и давления.Existing designs use heat-sensitive quartz resonators. But due to the relatively large size of the SE pressure, mounted in the base module of the housing, the temperature-sensitive resonator is located in the electronics module, where the temperature can differ significantly from the temperature of the SE pressure due to the heat generated by the electronic components. To eliminate this difference, the SE of the temperature is tightly in contact with the surfaces placed in a cavity made in the body of the partition with sealed leads. The tight contact of the SE body of temperature with the adapter ensures fast heat transfer between the SE, and their close location between each other and the measuring medium reduces the time of the transient process with a rapid change in temperature and pressure.

В варианте заявляемого датчика микроэлектронный ЧЭ температуры выполнен в виде термочувствительного пьезоэлектрического резонатора с вибрирующим элементом из монокристаллического кварца, в форме камертона, смонтированного в цилиндрическом корпусе диаметром, не более двух миллиметров и длиной не более шести миллиметров.In a variant of the proposed sensor, the microelectronic temperature sensor is made in the form of a thermosensitive piezoelectric resonator with a vibrating element made of monocrystalline quartz, in the form of a tuning fork, mounted in a cylindrical body with a diameter of no more than two millimeters and a length of no more than six millimeters.

Для доказательства успешного решения поставленной задачи по идентичной технологии и одинаковых комплектующих изготовлены и испытаны две группы скважинных датчиков давления с открытым сильфоном ПДТК-Р-П-Т-МС-32, соответствующих прототипу Фиг. 2 и модернизированный вариант ПДТК-Р-П-Т-МС-32М, соответствующих заявляемой конструкции Фиг. 4. У обоих вариантов габариты корпуса 18×165 мм, размер ненагруженного сильфона 11 мм × 10 гофр, применен ЧЭ давления резонатор малогабаритный кварцевый манометрический объемного сжатия РКМА-Р-ОС-21 (брусок 4×4×15 мм), а также кварцевый термочувствительный и опорный резонаторы в цилиндрических корпусах ∅2×6 мм.To prove the successful solution of the task using identical technology and identical components, two groups of downhole pressure sensors with an open bellows PDTK-R-P-T-MS-32 corresponding to the prototype of Fig. 2 and a modernized version of PDTK-R-P-T-MS-32M, corresponding to the claimed design of FIG. 4. In both versions, the dimensions of the case are 18 × 165 mm, the size of the unloaded bellows is 11 mm × 10 corrugations, the SE pressure resonator is used small-sized quartz manometric volumetric compression RKMA-R-OS-21 (bar 4 × 4 × 15 mm), as well as quartz temperature-sensitive and reference resonators in cylindrical cases корпуса2 × 6 mm.

Сравниваемые конструкции различались расположением ЧЭ давления и температуры. Прежде всего оценивался результат, полученный при решении основной задачи по уменьшению «Баллонного эффекта». За критерий степени «Баллонного эффекта» принималось верхнее значение температуры, при которой удлинение сильфона становилось предельно допустимым (величина, приведенная в ГОСТ на сильфон) из-за возникновения его пластической деформации. Последовательное измерение удлинений сильфонов испытуемых датчиков при увеличении температуры показало следующие результаты: для датчиков МС-32, Фиг. 3 в исполнении прототипа предельно допустимое удлинение получено при температуре около 150°С, а для датчиков МС-32 М, Фиг. 4 в исполнении по предлагаемому изобретению даже при температуре 180°С удлинение сильфонов еще не достигло верхнего предела. Оценка изменений динамических характеристик испытуемых датчиков производилась путем снятия изменений во времени показаний давления и температуры после воздействия на них резкого перепада температуры, с 25°С до 140°С (осуществляемым погружением датчика в жидкостной термостат с заранее установленной в нем температурой) при атмосферном давлении и воздействия перепада давления с 350 кгс/см² до атмосферного при температуре 40°С.The compared designs differed in the location of the SE pressure and temperature. First of all, the result was assessed, obtained in solving the main task of reducing the "balloon effect". For the criterion of the degree of "Balloon effect" was taken the upper value of the temperature at which the elongation of the bellows became the maximum permissible (the value given in GOST for the bellows) due to the occurrence of its plastic deformation. Sequential measurement of the elongations of the bellows of the tested sensors with increasing temperature showed the following results: for the MC-32 sensors, Fig. 3 in the prototype version, the maximum permissible elongation was obtained at a temperature of about 150 ° C, and for MS-32 M sensors, FIG. 4 in the embodiment according to the invention, even at a temperature of 180 ° C, the elongation of the bellows has not yet reached the upper limit. The assessment of changes in the dynamic characteristics of the tested sensors was carried out by taking changes in time in the pressure and temperature readings after exposure to a sharp temperature drop, from 25 ° C to 140 ° C (carried out by immersing the sensor in a liquid thermostat with a predetermined temperature in it) at atmospheric pressure and the impact of pressure drop from 350 kgf / cm ² to atmospheric at a temperature of 40 ° C.

Полученные зависимости приведены на Фиг. 5, Фиг. 6 и Фиг. 7, отсюда видно, что наибольшее различие в продолжительности и амплитуде искажения показаний канала давления и канала температуры датчиков происходит при воздействии на них температурного перепада (термоудара). Причем если переходной процесс по отработке дополнительной ошибки от термоудара у датчиков аналогов прототипу длится около трех минут, то у заявляемых датчиков температурное искажение показаний преодолевается всего за две минуты.The resulting dependences are shown in Fig. 5, Fig. 6 and FIG. 7, it can be seen that the greatest difference in the duration and amplitude of the distortion of the readings of the pressure channel and the temperature channel of the sensors occurs when they are exposed to a temperature difference (thermal shock). Moreover, if the transient process for working out an additional error from a thermal shock for analog sensors to the prototype lasts about three minutes, then for the claimed sensors the temperature distortion of the readings is overcome in just two minutes.

Список литературы:List of references:

1. Исследование емкостного датчика давления. Методические указания к лабораторной работе. // Самарский государственный аэрокосмический университет. Составители: В.Н. Конюхов, К.Е. Воронов. Самара, 2006, 23 с.1. Research of a capacitive pressure sensor. Methodical instructions for laboratory work. // Samara State Aerospace University. Compiled by V.N. Konyukhov, K.E. Voronov. Samara, 2006, 23 p.

2. В.Б. Поляков, А.В. Поляков, М.А. Одинцов. Перспективы кварцевых пьезорезонансных датчиков. Приборы. - 2011 г., - №3, - с. 39.2.V.B. Polyakov, A.V. Polyakov, M.A. Odintsov. Prospects for quartz piezoresonance sensors. Devices. - 2011, - No. 3, - p. 39.

3. Крис Эвант и Сайфон Даунгкэу, Бангкок, Тайланд и др. Приборы для работы в экстремальных скважинных условиях, «Нефтегазовое обозрение», Сборник 1; Избранные статьи из журнала «Oilfield Review», том 24, №3 (осень 2012 г.); том 24, №4 (зима 2012-2013 гг.); том 25, №1 (весна 2013 г.). Copyright 2014 ^© Schlumberger.3. Chris Evant and Siphon Daungkau, Bangkok, Thailand and others. Instruments for work in extreme well conditions, "Oil and Gas Review", Collection 1; Selected articles from Oilfield Review, Vol. 24, No. 3 (Fall 2012); volume 24, no.4 (winter 2012-2013); volume 25, no. 1 (spring 2013). Copyright 2014 ^© Schlumberger.

Данная статья является русским переводом статьи «Testing the Limits in Extreme Well Conditions, Oilfield Review, Autumn 2012:24, no. 3. Copyright 2012 ^© Schlumberger.This article is a Russian translation of the article “Testing the Limits in Extreme Well Conditions, Oilfield Review, Autumn 2012: 24, no. 3. Copyright 2012 ^© Schlumberger.

4. Goutham R. Kirikera, William Patton, Suzanne M. Behr - «Modeling Thickness Shear Mode Quartz Sensors for Increased Downhole Pressure & Temperature)) - Geophysical Research Company, LLC (GRC) Tulsa, Oklahoma Goutham R. Kirikera October 7-2010.4. Goutham R. Kirikera, William Patton, Suzanne M. Behr - “Modeling Thickness Shear Mode Quartz Sensors for Increased Downhole Pressure & Temperature)) - Geophysical Research Company, LLC (GRC) Tulsa, Oklahoma Goutham R. Kirikera October 7-2010 ...

5. Патент RU на изобретение №2623182, Пьезорезонансный чувствительный элемент абсолютного давления. МКИ: G01L 9/08; опубликован 22.06.2017 г., приоритет 17.05.2016 г., авторы: Поляков В.Б., Поляков А.В., Одинцов М.А.5. Patent RU for invention No. 2623182, Piezoresonance absolute pressure sensor. MKI: G01L 9/08; published on 22.06.2017, priority 17.05.2016, authors: Polyakov V.B., Polyakov A.V., Odintsov M.A.

Claims

1. Microelectronic downhole absolute pressure sensor containing an elongated cylindrical body consisting of a bellows pressure receiver module made in the form of an elastic bellows, the inlet of which is hermetically sealed by a rigid disk-shaped cover, and its outlet through, made in the form of a cylinder with an axial through channel, the adapter is connected to the input of the base module, made in the form of a thick-walled cylinder, inside of which a partition with electrical sealed leads is mounted, forming inside the sensor housing from the side of the bellows pressure receiver a sealed working cavity filled with a force-transmitting liquid, consisting of the cavity of the bellows pressure receiver module, the cavity of the through channel the adapter and the cavity of the base module, in which the microelectronic sensitive element (SE) is mounted, the electrical leads of which are connected to the electrical sealed leads of the partition, and are brought out into the cavity of the microelectronics module and are connected in the version to it contains an electronic device with the ability to generate an electrical signal, convenient for transmission and use, or, in the option, is connected to a cable for connection with a remote electronic device, characterized in that the partition with electrical sealed leads is hermetically mounted at the input of the base module, or in the option is located in an adapter with a hermetic overlap of the adapter channel by hermetic leads, and the SE, connected to the pressurized leads, is located in a working cavity filled with a force-transmitting fluid, which consists of a cavity of the bellows pressure receiver module and a cavity of the adapter channel.

2. Microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 1, characterized in that the tight connection of the modules that make up its body is made by electric arc or electron beam, or laser seam welding.

3. Microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 1, characterized in that it contains a microelectronic SE pressure in a form approaching cylindrical, and whose dimensions do not exceed the inner diameter of the bellows, and the length does not exceed the sum of the lengths of the bellows and the adapter channel of the receiver module with preservation of the gap, excluding the touching and compression of the SE by the inner walls of the bellows.

4. The microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 1, characterized in that it contains a microelectronic SE, made with the ability, when connected to an electronic generator, to convert the pressure of the measured medium into a frequency-resonant electrical signal.

5. Microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 4, characterized in that it contains a microelectronic frequency resonance SE, which is made of a monocrystalline material.

6. Microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 5, characterized in that it contains a microelectronic frequency resonance SE, which is made of monocrystalline silicon with the ability to connect to a magnetoelectric circuit for exciting resonant oscillations.

7. Microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 5, characterized in that it contains a microelectronic frequency resonance SE, which is made of monocrystalline quartz with the ability to connect to a piezoelectric circuit for exciting resonant oscillations.

8. The microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 7, characterized in that it contains a microelectronic frequency resonance SE of volumetric compression, which is made of parts of monocrystalline Z-cut quartz and contains an elongated quartz body, inside which a sealed cavity is formed with a strain-sensitive resonator, which is made in the form of a tuning fork doubled along the length, with the ability, when connected to a piezoelectric excitation circuit, to perform bending resonant vibrations.

9. The microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 1, characterized in that, along with the microelectronic pressure SE, it contains a microelectronic temperature SE.

10. Microelectronic downhole absolute pressure sensor according to claim 9, characterized in that the microelectronic SE of temperature is made in the form of a temperature-sensitive piezoelectric resonator with a vibrating element made of monocrystalline quartz in the form of a tuning fork, mounted in a cylindrical case with a diameter of no more than two millimeters and a length of no more than six millimeters ...