Датчики давления используются во многих отраслях. В нефтегазовом комплексе к средствам измерения предъявляются особые требования. За последние десятилетия практика мирового приборостроения установила высокий уровень требований к техническим характеристикам промышленных датчиков давления.
Среди компаний-разработчиков и производителей наблюдалась устойчивая тенденция к обеспечению высокой надежности, точности и долговременной стабильности метрологических характеристик, обеспечению работоспособности датчиков в заданных границах температуры окружающего воздуха, величины статического давления рабочей среды, защиты от разрушения чувствительного элемента при перегрузках
Помимо основного стандартного набора характеристик, предъявляемых нефтегазовыми компаниями к датчикам давления и другим средствам измерения, таких как метрологическая точность, виброустойчивость, электромагнитная совместимость, безопасность эксплуатации, можно выделить некоторые направления, которые приобретают наибольшую актуальность для нефтегазового сектора промышленного комплекса РФ на сегодняшний день, а именно:
- Эксплуатация приборов в условиях экстремально низких температур и морского климата — это Север и Арктика, освоение арктического шельфа. Это требует решений в части применения специальных материалов и сплавов, внедрения решений по обогреву импульсных линий и применения обогреваемых шкафов и чехлов для приборов и функционального оборудования, проведения работ по повышению ресурса эксплуатации в условиях морского климата;
- Разработка месторождений с повышенным содержанием сероводорода, где со временем на поздних этапах разработки агрессивность продукции скважин возрастает и, как следствие, наблюдается скоротечное разрушение и систем скважин, и трубопроводов, и используемого оборудования. Это месторождения Урало-Поволжской и Прикаспийской нефтегазоносной провинции, Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение, Астраханское, месторождения Казахстана. Здесь также стоит задача использования в оборудовании более стойких материалов, антикоррозионных покрытий, нейтрализаторов-поглотителей сероводорода;
- Добыча трудноизвлекаемых углеводородов. Здесь необходимо применение и совершенствование технологий разрыва пластов, бурение сложных горизонтальных скважин
и т. д. Применительно к полевому оборудованию, такому как датчики давления, предъявляются требования работы с высокими давлениями до 150 МПа и поисках вариантов защиты датчиков от гидроудара. При этом датчик эксплуатируется в средах, которые содержат газовую фазу, жидкую фазу, песчано-абразивные включения.
«Сердцем» датчика давления является чувствительный элемент, он может быть реализован на различных принципах измерения, рассмотрим эти принципы
Чувствительный элемент, определенно, является важнейшем элементом современных датчиков давления. Наиболее широкое применение получили тензорезистивный, пьезорезистивный, емкостной и частотно-резонансный принципы преобразования физической величины давления. Надо отметить, что пьезорезистивный и емкостной принципы измерения активно развиваются с 60-х годов прошлого века, чуть позже, в результате массового развития полупроводниковых МЭМС технологий, в 80-х годах появился частотно-резонансный метод измерения.
В СССР, а в дальнейшем и в современной России, наибольшее распространение получили тензорезистивный и пьезорезистивный принципы. Эти два принципа похожи по принципу действия, разница в применяемых материалах. Оба они основаны на явлении тензо-, пьезоэффекта в материалах,
Чувствительным элементом датчика на тензорезистивном эффекте служит мембрана с нанесенными на нее тензорезисторами, выполненными из очень тонкого провода/металлической фольги, сформированными в виде змейки.
Чувствительный элемент датчика на пьезоэффекте — мембрана из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами.
Тензо- или пьезорезисторы соединены в мостовую схему (мост Уитстона). Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, резисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов, и от приложенного давления.
Одними из первых описанные принципы измерения начали внедрять американские компании Honeywell и Kulite, в СССР — московский Теплоприбор и ряд предприятий ВПК. Датчики давления производства ИТеК ББМВ так же построены на данном принципе.
Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости, которая имеет линейный закон от приложенной нагрузки. Емкостные преобразователи применяются для изготовления датчиков перепада давления, являясь довольно дорогим решением для датчиков избыточного давления. Наиболее известная компания, развивающая данную технологию, Rosemount, США.
Резонансный принцип измерения давления основан на преобразовании деформации резонатора в частоту колебаний. Современный резонансный сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой сформирован резонатор. В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления. Датчик давления японской компании YokogawaElectric построен на этом принципе.
Пытаться выделить достоинства и недостатки трех этих принципов на данный момент не имеет смысла. Все данные методы преобразования доведены до своего логического совершенства технологии изготовления. С появлением микропроцессорной электроники и возможности корректировать множество погрешностей с помощью математических моделей и алгоритмов, принцип измерения датчика отошел на второй план. Если подробно рассмотреть характеристики датчика давления отечественных и иностранных компаний, то мы не увидим принципиальной разницы, а именно: точность прибора достигает 0,03−0,04%, долговременная стабильность 0,1% в течении пяти и более лет, большая глубина перенастройки датчика, одного порядка температурная погрешность, сопоставимые требования к условиям эксплуатации
Наиболее широкое распространение в мире и в России имеют датчики давления на пьезорезистивном принципе. Этот принцип позволяет изготавливать как дешевые приборы для ЖКХ, так и дорогие многофункциональные промышленные датчики, а также малогабаритные и надежные преобразователи для аэрокосмической и медицинской отраслей.
Изменение ситуации на российском рынке датчиков давления после введения санкций 2022 года
До февраля 2022 года доля импорта на рынке датчиков давления была достаточна высока. Это было связано с довольно-таки агрессивной политикой крупных зарубежных компаний, которые в течение 20 лет заходили на российский рынок со своими широкими линейками продукции. Молодым российским компаниям-производителям было довольно сложно конкурировать с такими гигантами. Однако, это дало и определенный толчок в развитии, возможность для роста, новых разработок, улучшения технических характеристик. В 2022 г., после ухода иностранных компаний с рынка, ниша датчиков давления освободилась. В результате заказчик, заинтересованный в стабильности поставок и надежности оборудования, развернулся в сторону российских производителей.
Что касается китайских производителей датчиков давления, то массового замещения готовым китайским продуктом не наблюдается, заказчики больше доверяют российским производителям датчиков.
Специалисты компании ИТеК ББМВ изучили некоторые датчики давления китайских производителей, и пришли к выводу, что в качестве чувствительных элементов используются емкостные ячейки предыдущих поколений (на которые перестали действовать патенты) или пьезорезистивные элементы западного производства. Это не обеспечивает новизну технических решений, но дает главное конкурентное преимущество китайской продукции — низкую цену.
Как упоминалось ранее, в 2000-х годах иностранные американские и европейские приборостроительные компании активно завоевывали российский рынок своими решениями по АСУ ТП. Нужно признать, что полевое оборудование, в особенности датчики давления, имело превосходные метрологические и эксплуатационные характеристики: высокие стандарты точности измерения, хорошую долговременную стабильность, высокую скорость отклика, расширенные функции диагностики, функциональную безопасность уровней SIL 2/3, высокую эксплуатационную надежность, в том числе в нештатных ситуациях, простоту интеграции в существующий процесс
Отечественные приборостроительные компании попали в ситуацию догоняющих, и единственным способом конкуренции стала низкая цена прибора, что привело к низкой рентабельности производства. Активное импортозамещение продукции началось с 2014 года, и стало одним из основных приоритетов государства.
За это время пройден немалый путь развития направления отечественных датчиков давления, в том числе и датчика ЭнИ-100 компании ИТеК ББМВ, выведенного на рынок средств измерения в 2013 году. Компанией проведено переоснащение производства, приобретено и введено в эксплуатацию современное обрабатывающее и сборочное оборудование, высокоточные и производительные калибраторы и эталоны давления, приборы электрических измерений, климатическое и другое испытательное оборудование. Также выполнен ряд НИОКР по внедрению конструкторских и технологических решений, алгоритмов обработки сигналов, совершенствованию математической модели обработки результатов измерения. Все это позволяют нам говорить, что на сегодняшний день отечественные датчики давления соответствуют мировым стандартом по точности, стабильности, надежности и функциональности. Процесс планомерного развития и требования скорейшего импортозамещения привел к высококачественным изменениям полевых приборов.
Тем не менее, ряд функциональных возможностей датчиков компании пока еще находится на стадии внедрения и вывода на рынок:
- Использование измерительных преобразователей с выносными мембранами различных конструкций для особых сфер применения, таких как измерение высоковязких, абразивных, химически активных сред;
- Расширенная функциональная диагностика параметров технологического процесса. Здесь речь идет о таких функциях диагностики, как указатель закупорки или застывания среды в импульсных линиях, фиксации и запоминание воздействия превышающего давления, отображение дополнительных рабочих показателей — температура рабочей и окружающей среды, статическое давление;
- Разработка многопараметрического датчика давления, способного работать в режиме отображения измеряемых параметров: дифференциального давления, статического давления и температуры или в режиме вычисления значений массового или объемного расхода протекающей среды, расчетные значения при измерении уровня.
Новые задачи, стоящие перед отечественными производителями датчиков давления. Факторы, способствующие и препятствующие развитию рынка
Дальнейшее развитие российского датчика давления необходимо проводить в плотном сотрудничестве с заказчиками. Условия эксплуатации и дополнительные требования рождаются при работе прибора на конкретных объектах.
Основные направления предстоящей работы российских производителей датчиков давления:
Внедрение современных коррозионностойких сталей, сплавов и покрытий для изготовления деталей и комплектующих датчиков давления и выносных разделителей сред для химической и нефтехимической промышленности. Основной проблематикой внедрения новых материалов является отсутствие их на отечественном рынке.
Изготовление отечественных пьезорезистивных чувствительных элементов. Надо признать, что передовые разработки, которые позволяют выпускать стабильные высокоточные датчики принадлежат иностранным компаниям из недружественных стран. Но в России есть компании, которые работают в направлении развития микроэлектроники.
Импортозамещение электронной базы и внедрение аналогов зарубежных комплектующих. Электронные компоненты, микроконтроллеры и функциональные микросхемы, используемые в датчиках, в большинстве своем изготавливаются зарубежными компаниями. В режиме жестких санкций закупка либо невозможна, либо возможна только через параллельный импорт, что является абсолютно нестабильным процессом. Работа по новым разработкам активно ведется, появляются отечественные микросхемы, проектируется электронный преобразователь.
Развитие направления беспроводных решений в полевых приборах, в том числе модное маркетинговое направление «индустриальный интернет вещей». Беспроводные решения очень востребованы на труднодоступных месторождениях нефти и газа на севере. В скором времени произойдет переход от унифицированного аналогового сигнала, передаваемого по проводам, к полностью цифровому, и тогда наиболее рациональным решением передачи информации от прибора будет использование самоорганизующейся распределенной беспроводной сети.
Необходимость разработки отечественного цифрового протокола передачи данных. На данный момент — это наиболее популярный HART-протокол, а также Profibus, Fieldbus
В заключение: если какое-то время назад можно было сказать, что лидерами и законодателями в разработке и производстве датчиков давления были иностранные компании, то на сегодняшний день ситуация значительно изменилась: российские производители готовы предложить нефтегазовой и другим отраслям промышленности оборудование, не уступающее, а где‑то и превышающее технические характеристики зарубежных аналогов.
Заместитель директора по коммерческим вопросам компании «ИТеК ББМВ» Анастасия Бакунова