Sensores LVDT para aplicaciones de medición submarina

Los entornos submarinos son uno de los espacios más difíciles para cualquier sensor. Especialmente cuando se espera que funcione por hasta 20 años en una aplicación submarina. En entornos submarinos, las profundidades del agua de mar de 15,000 pies pueden ejercer presiones externas de aproximadamente 7500 psi en un sensor. Muchos sensores fallan con el tiempo en entornos de alta presión en aguas profundas, lo que causa gastos innecesarios relacionados con el reemplazo del sensor. A menudo, el costo del servicio de mantenimiento al reemplazar el sensor es mayor que el propio sensor. Es por eso que muchas aplicaciones requieren una vida útil prolongada del sensor como parte de las especificaciones operativas. El agua de mar también ataca los metales de los sensores a diferentes profundidades de agua. Esto resulta en una corrosión acelerada por los diferentes niveles de oxígeno, temperatura, pH, cloración, actividad biológica, conductividad eléctrica y velocidad de flujo que están presentes en el agua de mar a varias profundidades. La corrosión puede ocurrir en forma de picaduras, grietas o intergranulares que conducen a la falla del sensor.

Las aguas estancadas o contaminadas son desencadenantes adicionales que con frecuencia promueven bacterias reductoras de sulfato que pueden afectar el rendimiento de los materiales de los sensores. La alta conductividad eléctrica del agua de mar promueve la corrosión de las macro células y aumenta la corrosión galvánica, lo que también acelera el aumento de la temperatura, promoviendo aún más la corrosión. La corrosión inducida por microbios también es un problema muy grave que afecta el funcionamiento del sensor de acuerdo con las diferentes condiciones de servicio y los materiales utilizados en la construcción de sensores, especialmente los aceros inoxidables austeníticos de baja calidad. Es un proceso de corrosión que implica la degradación del material que normalmente ocurre en las juntas soldadas y conduce a la falla de la soldadura si no se verifica y se trata a tiempo. Como resultado de los efectos de la presión y el agua de mar en los sensores, las aplicaciones submarinas plantean desafíos especiales para un funcionamiento confiable. Dependiendo de la temperatura, la salinidad, los niveles de oxígeno y las profundidades del agua de mar, el LVDT (transformador diferencial de variación lineal), cuando está herméticamente sellado y construido con aleaciones especiales, es a menudo la única tecnología que puede ofrecer un rendimiento preciso y confiable en condiciones submarinas.

Un LVDT es un sensor electromecánico que convierte el movimiento rectilíneo de un objeto, al que está acoplado mecánicamente, en una señal eléctrica correspondiente.  Disponible en una variedad de rangos de medición, un sensor de posición lineal LVDT puede medir movimientos tan pequeños como unas pocas millonésimas de pulgada hasta ±20 pulgadas. La Figura A muestra los componentes de un LVDT típico. La estructura interna del transformador consiste en un devanado primario centrado entre un par de devanados secundarios idénticamente enrollados, espaciados simétricamente alrededor del primario. Las bobinas se enrollan en una forma hueca de una sola pieza de polímero reforzado con vidrio térmicamente estable, se encapsulan contra la humedad, se envuelven en una pantalla magnética de alta permeabilidad y luego se fijan a una carcasa cilíndrica de acero inoxidable. Este conjunto de bobina suele ser el elemento estacionario del sensor de posición. En funcionamiento, el devanado primario del LVDT es energizado por una corriente alterna de apropiada amplitud y frecuencia, conocida como excitación primaria. La señal de salida eléctrica del LVDT es el voltaje de CA diferencial entre dos devanados secundarios, que varía con la posición axial del núcleo dentro de la bobina LVDT. Por lo general, este voltaje de salida de CA se convierte mediante un circuito electrónico adecuado a un voltaje o corriente de CC de alto nivel que resulta más conveniente de usar.

Los sensores de posición lineal LVDT se utilizan ampliamente para sistemas de monitoreo de condición como parte de las funciones de control y seguridad para aplicaciones en plataformas marinas, sistemas de desalinización, cables de amarre, cabezas de pozo del fondo marino y sistemas de recolección de petróleo y gas. Durante la operación, los sensores se pueden sumergir en agua de mar a diferentes profundidades, según las mareas, hasta 1000 pies. La precisión del LVDT y la operación a largo plazo son especialmente necesarias para monitorear el movimiento estructural para el FEA (Análisis de elementos finitos) a largo plazo de tuberías, torres de perforación, amarres, válvulas de choque, extensómetros y otros miembros críticos de alto voltaje en plataformas petroleras en alta mar. Por ejemplo, los LVDT submarinos se pueden usar para medir la extensión de los miembros estructurales de las plataformas petroleras a una fracción de una micro tensión. Para confirmar que las plataformas petroleras no cambian, el movimiento se mide a menos de 2 mm. Los LVDT submarinos también son adecuados para proporcionar la retroalimentación de posición requerida para monitorear y controlar el estado de los choques o válvulas para proporcionar un flujo adecuado de gas o petróleo a través de los "Árboles de Navidad submarinos". Un árbol de Navidad submarino se refiere a un conjunto de válvulas, carretes y accesorios para un pozo de petróleo, que, en formación, se asemejan a un árbol decorado. Su función es evitar que el petróleo o el gas vuelvan a salir de un pozo de petróleo, mientras se dirige el flujo de fluidos desde el pozo.

Las válvulas o choques en el árbol de Navidad se utilizan para abrir y cerrar tuberías de petróleo a medida que lo traen del fondo del mar. Los actuadores hidráulicos o eléctricos los controlan de manera remota. Se requiere una retroalimentación de posición para monitorear y controlar el estado de choque como parte de un módulo de control submarino. Se utilizan LVDT simples o redundantes montados en actuadores de válvulas para confirmar que cuando los choques están casi cerrados, el flujo se cierra por completo. Si no se cierra completamente un choque, podría resultar en un desastre ambiental como el experimentado recientemente en el Golfo. Hay varios tamaños de choques marinos, pero los trazos completos típicos varían de 2 a 12 pulgadas. Los LVDT también se utilizan en torres submarinas para monitorear la extensión de los cables de seguridad, que proporciona información crítica en caso de clima severo o terremoto, lo que lleva a la evacuación de la plataforma de perforación y el cierre del pozo petrolero. Esta aplicación surgió como resultado de las políticas de seguridad y medio entorno impuestas por las compañías petroleras y de seguros.