Os Efeitos de Climas Frios sobre os Transmissores de Pressão

O ambiente operacional desempenha um papel importante na operação contínua e na precisão dos transmissores de pressão. Se não forem especificados adequadamente para lidar com condições ambientais, como locais subárticos e líquidos congelantes, os transmissores de pressão podem falhar prematuramente e causar falhas catastróficas no equipamento. Embora as folhas de especificações do transmissor de pressão forneçam informações sobre o desempenho do sensor em condições ambientais, leituras esperadas em uma determinada faixa de temperatura, bem como vários termos e acrônimos que esclarecem como o transmissor de pressão funcionará em diferentes condições, uma compreensão mais profunda da construção do transmissor ajudam a definir como o sensor funcionará em ambientes extremos, principalmente em temperaturas frias.

Os transmissores de pressão normalmente usam algum tipo de extensômetros de tensão montados em um diafragma para medir a pressão. Esses medidores podem ser aplicados usando cola, deposição de película fina, encapsulados em óleo ou montados usando um processo de queima do vidro. À medida que o diafragma deflete, os valores de resistência mudam. Em todos os casos, os efeitos da temperatura também podem alterar a resistência deste sinal de saída, causando erros no sensor.

A capacidade de sobrevivência do sensor pode ser testada em climas frios. Temperaturas abaixo de -20 °C (-4 °F) podem fazer com que os sensores cheios de óleo gelifiquem e endureçam. Com a tecnologia cerâmica, o anel de vedação O-ring entre a porta usinada e o diafragma pode endurecer e tornar-se quebradiço. Isso compromete a integridade do elemento sensor e cria um caminho de vazamento potencial. Para evitar que o sensor fique abaixo de sua faixa de temperatura de operação, sua localização e ambiente devem ser alterados. Caixas ou salas aquecidas podem ser usadas para proteger o sensor, bem como evitar que a temperatura no sensor atinja temperaturas de congelamento. Em locais remotos, a energia pode não estar prontamente disponível para instrumentação operando a partir de energia solar. Assim, a capacidade de aquecer o sensor é limitada ou indisponível. Por exemplo, equipamentos de poços no Alasca, Alberta, Colúmbia Britânica, Saskatchewan e Dakota do Norte podem experimentar temperaturas tão baixas quanto -50 °C (-60 °F) onde os sensores são instalados ao ar livre diretamente na tubulação para monitorar a pressão hidráulica, do revestimento e da tubulação a partir da cabeça do poço.

A formação de gelo dos meios de processo é um resultado indireto de climas frios. Em certas aplicações de perfuração de gás natural, a água pode ser encontrada nos mesmos canos que o gás. Quando o sistema é desligado e a temperatura cai abaixo de zero, a água dentro da tubulação pode congelar e expandir, causando uma sobrecarga no sensor de pressão por um período prolongado de tempo. A expansão pode refletir um pico de pressão de 500 PSI (35 bar) a 1.000 PSI (70 bar) de pressão. Para um sistema de 100 PSI, a pressão pode aumentar para 1.500 PSI (100 bar). Para muitas tecnologias de sensores, esta tensão em um diafragma de pressão mais baixa causará uma falha do extensômetro de tensão ou ruptura do diafragma. Para proteger contra falha do sensor, o aumento de pressão deve ser sustentado pelo elemento sensor por um período de tempo sem afetar a precisão do sensor após o descongelamento. O design especial da cavidade, bem como a capacidade e calibração de pressão de prova especial, são as melhores maneiras de garantir que o sensor não falhe devido ao congelamento da mídia na cavidade.

Para compensar eletricamente as mudanças de temperatura, o transmissor de pressão fabrica sensores de teste sobre pressão e temperatura para ajustar os efeitos da temperatura. Como cada sensor e extensômetro de tensão é único, é uma boa prática testar cada sensor individual quanto às suas propriedades específicas. O método tradicional é cortar ou reduzir o sinal de saída bruto usando resistores para otimizar o desempenho na faixa de temperatura testada. O sensor usaria, então, um conjunto de placa de circuito que amplifica o sinal de milivolts para o sinal de saída necessário (por exemplo, 4-20 mA). Certos transmissores de pressão oferecem ajuste de zero e span. Esta função é normalmente necessária para sinais de saída derivados após a fadiga do diafragma. À medida que o custo e o tamanho da eletrônica digital diminuíram, houve um aumento no uso da compensação digital através do uso de um ASIC (Application-Specific Integrated Circuit, Circuito integrado específico de aplicações). Em casos de baixa temperatura, o ASIC é programado à medida que o sensor de pressão é testado em relação à temperatura, com alguns projetos corrigindo a não linearidade ou desvios do sinal de saída ideal. A temperatura do ASIC pode ser compensada nos medidores, usando um sensor de temperatura como um termistor ou no próprio ASIC. A principal diferença é a temperatura da mídia. Se compensada com base na temperatura ASIC, a leitura da temperatura não é tão precisa devido à sua proximidade com a mídia. Em climas frios, o ASIC pode estar lendo próximo à temperatura ambiente, enquanto a mídia pode ser um líquido ou gás quente. Medir a temperatura dos medidores produz a resposta mais rápida e compensação dinâmica, otimizando o desempenho.

Outro avanço de fabricação relacionado aos transmissores de pressão é a capacidade de oferecer um sinal de saída de temperatura independente. Os integradores de sistemas agora podem monitorar de perto as mudanças na temperatura da mídia a partir de um único dispositivo, reduzindo o custo de instalação e o custo do sensor adicional. Na imagem à esquerda abaixo, você observará um elemento sensor de uma peça de aço inoxidável que é usinado para que não haja soldas ou anéis de vedação O-rings internos. Como não há soldas ou juntas neste projeto, o valor de fadiga é muito menor em uma ampla temperatura de operação. Construídos com diafragmas muito espessos e extensômetros de tensão de silício de última geração, esses transmissores de pressão à prova de explosão oferecem resultados repetíveis mesmo em ambientes hostis de perfuração de poços profundos, conforme mostrado na imagem à direita abaixo. A adição de peças molhadas de liga 718, 17-4 PH, liga C-276 e 316 L SS, amplia ainda mais o uso desses transmissores de pressão no processamento de óleo pesado e alta sulfidação.