专利名称：用于检测地下环境中的压力的系统和方法
技术领域：
本发明涉及对地下环境中的压力尤其是井孔中的压力的检测。
背景技术：
在资源回收方面，在远离观察者的位置监测不同的情况是有用的。特别地，提供已经钻好的井孔的底部或其附近的监测情况对于勘探或生产用途来说可能是有用的。因为这样的井孔可能延伸几英里，实际上并不总是设置有用于这样监测的有线通信系统。
美国专利N0.6，766，141 (Briles，等)公开了用于对井下环境进行远程的遥感勘测的系统。遥感勘测通信用于设置在气或油回收管底部处或管底部附近的油井监测和记录仪器。在该专利中描述了用于监测井下状况的调制反射。
如在美国专利N0.6，766，141中所描述的，射频(RF)发生器/接收器基站与管道电通信。所描述的射频频率为在3Hz至30GHz之间的电磁辐射。井下的电子设备模块具有反射天线，其接收来自射频发生器/接收器的放射载波信号。在电子设备模块上的天线可具有抛物线形的或其他的聚焦的形状。放射载波信号然后以调谐方式被反射，该调谐对应于由电子设备�？橹葱械牟饬�。经反射的、调制的信号由管道传输到井的表面，所述信号在此处可由射频发生器/接收器检测到。发明内容
本发明的一方面涉及一种系统，其构造为检测在地下环境中的压力。在一个实施例中，该系统包括信号发生器、传感器探针，接收器和一个或更多个处理器。所述信号发生器构造为产生电磁信号。所述传感器探针构造为安置在地下环境的区域内。该传感器探针包括具有电容元件的谐振电路部分，该谐振电路部分构造为接收来自电磁信号的能量并且响应所述电磁信号而产生谐振信号。传感器探针的电容元件对地下环境区域中的压力情况做出响应，以依据所述压力状况来调制所述谐振信号。所述电容元件包括:可变形元件、定子、转子和第一电容器。该可变形元件构造为响应地下环境区域中的压力变化而经受物理性变形。所述转子与可变形元件机械地连接，并且构造为响应可变形元件的变形而相对于定子旋转。所述第一电容器具有由转子和定子承载的部分，从而使得第一电容器的电容量基于转子相对于定子的旋转方位而变化，由此使得第一电容器的电容量指示出在地下环境区域内的压力。一接收器构造为接收经调制的谐振信号。一个或更多个处理器构造为对经调制的谐振信号进行处理以获得所述压力情况的测量值。
本发明的另一方面涉及利用一种系统在地下环境中测量压力的方法，该系统具有(i)定子和转子，该定子和转子构造为使得转子相对于定子的旋转方位随着地下环境内的压力而变化，和(ii)第一电容器，该第一电容器具有由转子和定子中的每一个承载的部分，从而使得第一电容器的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而变化。在一个实施例中，该方法包括:产生具有预定频谱的信号；并且根据转子相对于定子的旋转方位对所产生的信号的频谱进行调制，这样的调制指示出在地下环境中的压力。
本发明的又一个方面涉及一种压力传感器。在一个实施例中，该压力传感器包括压力接口部分、可变形元件、定子、转子和第一电容器。所述压力接口部分具有对待检测的环境开放的压力接口部。所述可变形元件与所述压力接口部流体连通，该可变形元件构造为响应压力的变化而经受物理性变形。所述转子与可变形元件机械地连接，并且构造为响应可变形元件的变形而相对于定子旋转。所述第一电容器具有由转子和定子承载的部分，从而使得第一电容器的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而变化，由此使得第一电容器的电容量指示出在压力接口部处的压力。
本发明的这些和其他目标、特征和特点，以及操作方法和机构的相关元件的功能、部件的组合和制造的经济性，将在考虑到下列结合附图的附带的权利要求和说明书的基础上变得更加显而易见，这些都形成本说明书的一部分，其中相同的附图标记在不同的附图中指示相应的部件。然而，应当清楚地理解，附图仅仅是用于举例和说明的目的，并不是意味着限定本发明的范围。如在说明书和权利要求中所使用的，单数的形式术语"一"、“一个”以及"所述"包括复数的对象，除非在上下文中有另外的清楚指示。
图1显示了根据本发明的一个或更多个实施例的传感器的分解图。
图2显示了根据本发明的一个或更多个实施例的装配的传感器的视图。
图3显示了根据本发明的一个或更多个实施例的传感器回路的示意图。
图4显示了根据本发明的一个或更多个实施例的构造为检测在地下环境中的压力的系统。
图5显示了根据本发明的一个或更多个实施例的对地下环境中的压力进行检测的方法。
具体实施方式
图1显示了传感器10的分解图，图2显示了装配的传感器10的视图。传感器10构造为产生输出信号，该输出信号传送有关压力的信息。特别地，传感器10构造为充当电容器，其带有根据压力变化的电容量。传感器10具有坚固的设计，其带有最少的活动部件，并且其中任何确实活动的部件不会通过直接的导电部(例如通过导线)而进行电通讯。相反，在作为电容器的传感器10的运行中参与的活动部件仅通过非传导性流体(例如在传感器内的气体和液体)接收和分配电荷。相对于随压力变化的电容器结构设计(在这种结构设计中，配线直接连接活动部件)来说，这可减少磁滞(hysterysis)、滞后和/或摩擦。如可在图1中看出的，传感器10包括压力接收部12、电容部14和终端部16。
传感器10的压力接收部12构造为接收其压力待测量的流体(例如气体或液体)，并且构造为将压力的变化转化为生成的机械力。压力接收部12包括压力接口部18、可变形元件20、旋转接口部22、间隔套24和/或其他部件。
压力接口部18具有大体上细长的形状。压力接口部18的横截面基本为圆形，从而使得压力接口部18基本为圆柱状。压力接口部18具有第一端26和第二端28。当传感器10装配好时，第一端26暴露于周围环境流体(例如液体、气体等等)。压力接口部18构造为在第一端26形成周围环境流体开口 30和在第二端28形成元件接口部32。压力接口部18可在周围环境流体开口 30和所述元件接口部32之间形成流动路径，使得在周围环境流体开口 30处接纳在压力接口部18中的周围环境流体通过所述流动路径与元件接口部32连通。流动路径可以是相对直的(例如，从周围环境流体开口 30直接到元件接口部32是直的)或相对蜿蜒的。
压力接口部18可由具有较高热稳定性和抗腐蚀及抗疲劳特性的一种或更多种刚性或半刚性材料组成。如在下文中进一步讨论的，传感器10可构造为能够承受存在于用于矿物燃料抽取的地下井孔内的工作条件。
这样的工作条件可包括在大约20度至大约550度(华氏温度)之间的温度，和高达大约15000磅/平方英寸的工作压力。用于形成压力接口部18的材料能够承受这样的条件。这样的材料可包括不锈钢、高镍合金、陶瓷和/或其他的材料中的一种或更多种。
可变形元件20构造为响应压力变化而经历物理性变形。因而，可变形元件20可形成中空体。该中空体形成有与该中空体的内部连通的开口。当传感器10装配好时，由可变形元件20的中空体形成的开口与压力接口部18的元件接口部32相连以允许在压力接口部18和可变形元件20之间进行流体交换。这种相连的结构可以是密封的，或大体上密封，以防止接纳在压力接口部18中的流体漏到传感器10的其余部分中。这样，所述中空体内的流体通过周围环境流体开口 30和穿过压力接口部18形成的流动路径而与周围环境流体相连通。可变形元件20构造为响应保持在可变形元件20的中空体中的流体的压力变化而产生变形。作为非限制性的实施例，可变形元件20可包括布尔登管(Bourdon tube,即弹性管)。
在一个实施例中，由可变形元件20形成的、用于接收来自压力接口部18的流体的开口形成在可变形元件20的第一端。在该可变形元件20的与所述第一端相对的第二端处，可变形元件20包括力输出部34和/或与力输出部34连接。力输出部34构造为将由所述可变形元件20响应压力变化而产生的变形所产生的作用力施加到一个或更多个其他元件。例如，在一个实施例中，可变形元件20具有弧形的或螺旋形的形状，力输出部34构造为响应可变形元件20的变形将旋转力输出到一个或更多个其他元件(如将在本文中进一步描述的)。弧形的或螺旋形的形状可以是中空的螺旋状、平坦的管卷和/或其他的形状。
在操作中，环境压力的变化导致由可变形元件20形成的中空体内的压力变化。这是因为环境压力通过由可变形元件20形成的开口、元件接口部32以及所述周围环境流体开口 30而与可变形元件20内的气体连通。环境压力的变化导致可变形元件20内的压力变化，从而导致可变形元件20的变形。如果可变形元件20具有弧形的或螺旋形的形状，这样的变形可包括可变形元件20的矫直(用于压力增加)和/或可变形元件20的卷绕或松弛(用于压力减少)二者中的一种或两种。可变形元件20响应压力变化所产生的卷绕和矫直会导致力输出部34的旋转偏移。力输出部34的这种旋转偏移可围绕与传感器10的总体上的纵向轴线相一致的旋转轴线进行。
可变形元件20可被形成为用以在用于矿物燃料抽取的地下井孔中存在的条件下适当地操作。用于形成可变形元件20的材料还可抵抗由于可变形元件20响应压力变化所经历的变形而导致的疲劳。作为非限制性的实施例，可变形元件20可由铬镍铁合金、铍、高镍超合金和/或其他的材料组成。
旋转接口部22可构造为接收来自力输出部34输出的作用力并且使电容部14内的传感器10的一个或更多个其他元件旋转。在一个实施例中，旋转接口部22为具有阶梯式轮廓的大体上圆柱状元件，从而使得在旋转接口部22的、朝向所述可变形元件20的那一端的横截面比在旋转接口部22的、背离所述可变形元件20的那一端的横截面大。旋转接口部22的朝向可变形元件20的那一端构造为机械地啮合可变形元件20的力输出部34，使得力输出部34的旋转导致通过旋转接口部22的相应的旋转。在一个实施例中，旋转接口部22包括狭槽36，该狭槽构造为在其中接纳力输出部34。
间隔套24可构造为容纳压力接收部12的其他部件。因此，间隔套24可具有大体上中空的圆筒形的形状，其构造为在其中容纳旋转接口部22、可变形元件20以及压力接口部18的至少一部分。在间隔套24的第一端38处，间隔套24可形成有一开口，压力接口部18安置在该开口中。在间隔套24的第二端40，间隔套24可构造为与电容部14相连。间隔套24可构造为在其中保持可变形元件20的大体上纵向和/或径向的校准。
间隔套24可由一种或更多种能够承受用于矿物燃料抽取的地下井孔内的工作条件的材料形成。这样的材料可包括钢、陶瓷、塑料和/或其他的材料中的一种或更多种。
电容部14构造为起到电容器的作用，其电容量根据压力变化。为了以这样的方式起作用，电容部14构造为使得电容量根据可变形元件20的变形而变化。电容部14可包括一个或更多个第一端件42、转子44、轴杆46、定子48、第二端件50和/或其他部件。
第一端件42构造为与压力接收部12相接，以相对于压力接收部12将电容部14保持就位。例如，第一端件42可构造为用于安装到压力接收部12 (例如，在间隔套24处)。第一端件42可通过焊接、粘合、胶粘、紧固件、摩擦、磁力和/或其他的用于将部件固定在一起的机构连接到压力接收部12。
第一端件42的形状大体上可与压力接收部12的外部横截面对应。第一端件42形成有穿过其中的中心开口 52。中心开口 52形成为使得所述力输出部34与电容部14内的一个或更多个部件连通。例如，力输出部34可安置在中心开口 52中，并且可与电容部14内的一个或更多个部件机械地耦联。中心开口 52还可设置用于轴承54的座。轴承54可保持所述力输出部34 (或一些与所述力输出部连接的部件)，并且可使得力输出部34 (或与其连接的部件)相对于第一端件42自由地旋转(例如，几乎不具有摩擦)。
第一端件42可由能够承受用于矿物燃料抽取的地下井孔内的工作条件的一种或更多种材料形成。这样的材料可包括聚苯并咪唑(celazole)、陶瓷、聚醚酮醚和/或其他材料中的一种或更多种。
转子44构造为绕纵向地穿过电容部14的轴杆46旋转。在转子44的朝向压力接收部12的一端处，转子44构造为机械地连接所述力输出部34的贯穿中心开口 52延伸的部分。由于该机械连接，由可变形元件20的变形所导致的力输出部34的旋转使得转子44绕轴杆46旋转。转子44可纵向地延伸过电容部14的长度。转子44可包括第一组传导元件56,第二组传导兀件58和中央兀件60。
第一组传导元件56可具有基本平坦的形状，其垂直于旋转轴线而从所述中央构件60径向向外延伸。第一组传导元件56的远端部分可为弧形的形状。第一组传导元件56可跨越大约60°至大约80°的角度。在一个实施例中，第一组传导元件56跨越大约72°的角度。第一组传导元件56可包括叶片。各个传导元件56之间的间隔可以是规则的或不规则的。在一个实施例中，各个传导元件可以以大约0.030英寸至大约0.080英寸的规则的间隙间隔开。第一组传导元件56可与中央构件60整体地形成，或者第一组传导元件56可与中央构件60分别地形成，并且与中央构件60连接。第一组传导元件56可由电传导性材料例如铝、涂层陶瓷、电路板材料、钢和/或其他的材料形成。
第二组传导元件58可具有基本平坦的形状，其垂直于旋转轴线而从所述中央构件60径向向外延伸。第二组传导元件58的远端部分可为弧形的形状。第二组传导元件58可跨越大约60°至大约80°的角度。在一个实施例中，第一组传导元件56跨越大约72°的角度。第二组传导元件58可包括叶片。在各个传导元件58之间的间隔可以是规则的或不规则的。在一个实施例中，各个传导元件可以以大约0.030英寸至大约0.080英寸的规则的间隙间隔开。第二组传导元件58可与所述中央构件60整体地形成，或者第二组传导元件58可与中央构件60分别地形成，并且与中央构件60连接。第二组传导元件58可由电传导性材料例如铝、涂层陶瓷、电路板材料、钢和/或其他的材料形成。如图1中可看出，在一个实施例中，第二组传导元件58可与第一组传导元件56相对地配置，使得第二组传导元件58为以旋转轴为镜的第一组传导元件56的镜像。
如上所述，轴承54设置为使得转子44在第一端件42处绕轴杆46进行相对无摩擦的旋转。一轴承62设置为使得转子44在与所述轴承54相对的转子端部处绕轴杆46进行相对无摩擦的旋转。
轴杆定子48构造为连接到第一端件42或者与第一端件42整体地形成，从而使得转子44相对于第一端件42的旋转导致转子44相对于定子48的旋转。定子48可包括一个或更多个部分，包括第一定子部分64和第二定子部分66。第一定子部分64承载第三组传导元件68。第三组传导元件68实质上是基本平坦的。第三组传导元件68大体上垂直于转子44的旋转轴线定位。第三组传导元件68沿着传感器10的纵向成列配置，使得它们形成一组凹槽，该组凹槽在空间上对应于由转子44承载的第一组传导元件56。借助于这些凹槽，在组装传感器10时，第三组传导元件68与由转子44承载的第一组传导元件56相交错，而不直接接触第一组传导元件56。
第一定子部分64由电传导材料组成。这样的材料提供为在第三组传导兀件68之间导电。例如，第一定子部分64可由铝、涂层陶瓷、电路板材料、钢和/或其他的材料形成。第三组传导元件68可与第一定子部分64整体地形成，和/或第三组传导元件68可连接到第一定子部分64。
借助于第三组传导元件68和第一组传导元件56之间的交错布置关系，第三组传导兀件68和第一组传导兀件56形成第一电容器70。第一电容器70在第一定子部分64和转子44之间提供第一电容量。当转子44相对于第一定子部分64的旋转方位变化时，第一电容量也借助于第一组传导元件56的、移动到由第三组传导元件68形成的凹槽之外的部分而变化。因为转子44的旋转方位由可变形元件20的变形支配，所以第一电容量也通过外部信息源20支配。因为可变形元件20的变形相应于在压力接口部18处的压力，因此第一电容量也相应于在压力接口部18处的压力。
第二定子部分66承载第四组传导元件72。第四组传导元件72实际上是基本平坦的。第四组传导元件72大体上垂直于转子44的旋转轴线定位。第四组传导元件72沿着传感器10的纵向成列配置，使得它们形成一组凹槽，该组凹槽在空间上对应于由转子44承载的第二组传导元件58。借助于这些凹槽，在组装传感器10时，第四组传导元件72与由转子44承载的第二组传导元件58相交错，而不直接接触第二组传导元件58。
第二定子部分66由电传导材料形成。这样的材料提供为在第四组传导元件72之间导电。例如，第二定子部分66可由铝、涂层陶瓷、电路板材料、钢和/或其他材料组成。第四组传导元件72可与第二定子部分66整体地形成，和/或第四组传导第二件72可连接到第二定子部分66。
在该例子中，第一组传导兀件56和第三组传导兀件68、第二组传导兀件58和第四组传导元件72形成第二电容器74。第二电容器74在转子44和第二定子部分66之间提供第二电容量。由于如上基于第一电容器70所述的原因，第二电容器74的第二电容量根据压力接口部18处的压力而变化。
转子44形成为使得第一组传导元件56和第二组传导元件58电连通。例如，中央构件60可由电传导材料形成和/或可承载电传导材料，该电传导材料将第一组传导兀件56与第二组传导元件58相连。转子44可不直接与任何其他电源、负载和/或换能器连接。因而，转子44可不存在任何直接的线连接。对转子44不存在线连接则可减少磁滞、滞后、不需要的摩擦和/或其他的噪声、人为的影响、和/或与将传导线连接到活动部件相关联的现象。
借助于第一电容器70和第二电容器74之间的电连通,第一电容器70和第二电容器74可形成串联的电容器对。假定第一电容器70和第二电容器74具有相同的最大电容量，这样所形成的电容器对的电容量是最大电容量的一半。此外，由于第一电容量和第二电容量依赖于压力接口部18处的压力，由转子44和定子48形成的电容器对的电容量也基于压力接口部18处的压力而变化。
在一个实施例中，转子44的运动范围是大约72度。在该实施例中，第一组传导元件56、第二组传导元件58、第三组传导元件68和第四组传导元件72中的各个独立元件均形成于其上的转子44的旋转角度为大约36度。该结构将在第一组传导元件56和第三组传导元件68之间以及在第二组传导元件58和第四组传导元件72之间提供一些交错的设置。该运动的范围可由可变形元件20调节(例如，可变形元件的运动范围可超过其灵敏度范围，而该灵敏度范围则可对应于转子44的72度的旋转角度)。
在一个实施例中，第一电容器70和第二电容器74的传导元件构造为使得与压力接口部18处的压力变化相应的电容量的变化是线性的。在另一个实施例中，第一电容器70和第二电容器74的传导元件可形成为使得所述电容量响应是非线性的。这可为一些预定的压力范围(例如，对于相对更高的压力，对于相对更低的压力，等等)提供更高的灵敏度水平。
第二端件50可构造为与第一端件42 —起保持定子48。第一定子部分64和第二定子部分66通过一个或更多个紧固件、粘结、胶粘、焊接和/或用于连接部件的其他机构连接到第一端件42和第二端件50。第二端件50形成有中心开口 76。中心开口 76构造为允许轴杆46与贯穿中心开口 76延伸的可旋转元件78连接。可旋转元件78借助于安置在中心开口 76中的轴承62而在中心开口 76内旋转。
第二端件50可由能够承受用于矿物燃料抽取的地下井孔的工作条件的一种或更多种非传导性材料组成。这样的材料可包括聚苯并咪唑、陶瓷、聚醚酮醚、塑料和/或其他材料中的一种或更多种。
终端部16构造为提供传感器10的输出。终端部16包括第一终端80和第二终端82。第一终端80与第一定子部分64电连通，第二终端82与第二定子部分66电连通。因而，第一终端80和第二终端82充当跨串联的第一电容器70和第二电容器74的端子。第一终端80和第二终端82延伸穿过第二端件50，并且沿着远离传感器10的其余部分的方向从第二端件50延伸。第一终端80和第二终端82可分别与第一定子部分64和第二定子部分66整体地形成，或者第一终端80和第二终端82可连接到第一定子部分64和第二定子部分66。
图3显示了被连接以作为压力传感器操作的传感器10的示意图。如图3中可看出，第一电容器70和第二电容器74串联连接，并且提供随压力接口部18处的压力变化的、系列的电容量。第一电容器70和第二电容器74包括在传感器回路84中。传感器回路84包括传感器10、振荡电路86、感应器88和/或其他的部件。
振荡电路86构造为以预定频率响应电激励(例如，电磁脉冲或其他的激励)。振荡电路86例如可包括振荡晶体，L-C储能电路和/或其他的振荡电路部件。振荡晶体可以是压电晶体(例如镓磷酸盐晶体)和/或其他的振荡晶体。
感应器88构造为使传感器回路84和收集压力信息的整体式系统(例如相对于图4在本文中的描述)感应性地相连。在一个实施例中，感应器88包括铁酸盐环或圆环面。在一个实施例中，感应器88可由电阻器或其他的网状物替代。
操作中，信号通过感应器88提供给传感器回路84。信号可包括例如电磁脉冲，其感应通过传感器回路84的电流。对该电流做出响应，振荡电路86将以其预定的自然频率"产生回响〃。该响应可由输出感应器88在传感器回路84之外检测到。通过传感器10提供给传感器回路84的电容量将促使振荡电路86离开其预定的自然频率。因为传感器10的电容量随着压力接口部18处的压力变化而改变，传感器回路84的、被拖离振荡电路86的预定自然频率的回响量也将随着压力接口部18处的压力的变化而改变。
图4显示了构造为监测在地下井孔中的压力的系统90的实施例。系统90包括电磁传送介质，例如传导线路92，用于通过井孔传导电磁能。本领域普通技术人员将领会到的是，传导线路92可采用不同的形式或实施例，这取决于井孔的状况。这样，例如，传导线路92可包括在完成的井孔中的生产管柱或在建造中的井孔内的钻柱。靠近传导线路92的顶部设置有变压器94以将传导管连接到电磁能量源。对于变压器94的也可采用其他的连接方法。例如，传导线路可直接与同轴电缆或任何其他的适合的电缆连接。
在显示的示例性实施例中，变压器94包括堆叠的铁酸盐环96和围绕该铁酸盐环缠绕的导线98。导线98包括引线100，该引线可与信号发生器102连接，信号发生器可构造为根据需要或期望而产生脉冲信号或连续的波信号。导线98还可与接收器104连接。接收器104可采用计算机的形式，其包括总线以接收来自系统90的信号，从而用于储存、处理或显示。在这点上，计算机104可设置有显示器108，其可包括例如图形用户界面。
计算机104可包括构造为执行计算机程序�？榈囊桓龌蚋喔龃砥鳎黾扑慊？楣乖斐纱淼髦破德剩蕴峁└胁獾奶卣鞯牟饬恐�。计算机104可执行对检测到的信号的任何期望的处理，包括但是不限于:数据记录；调制的振动频率的统计(例如傅里叶)分析；信号的消卷积；与另一个信号的关联处理等。可容易地利用并为本领域技术人员所熟知的商用产品可被用于执行任何适合的频率检测。可选地，计算机可在内存或可存取的存储器中设置有检查表，其将所接收的调制频率与检测的声能相关联。
在典型的钻探应用中，井孔将采用钻孔套管110加衬，该钻孔衬套用于为井孔提供结构支撑。所述套管110通常由传导材料例如钢制造，在这样的情况下，所述套管与线路92配合以形成同轴传导线路，并且它不需要提供任何辅助的传导介质。在套管110是非传导性的情况下，可在套管110内设置一传导套筒(未显示)以形成同轴的结构。为了保持在线路92和套管110之间的空间，系统90可包括沿着传导线路92间歇地配置的非传导性环112。
间隔件112例如可配置为绝缘的定心器，其可为由任何适合的材料形成的盘件，所述材料包括当不限于尼龙或聚四氟乙烯(PTFE)。尽管图示的实施例利用同轴传导线路，但可想到:可采用传导线路的替换的实施例，例如单传导线路，成对的传导线路或波导。例如，套管可单独作为一定电磁波频率的波导。此外，同轴电缆段可用于线路92的全部或者一部分。这样的同轴电缆可以是特别有用的，如当在套管110中不能使用非传导性流体时(例如，当在套管110中存在盐水或其他导电流体时)，或者当在封隔器之下传递/传导信号或者将信号传入井的下部区域时。
探针部分114靠近系统90的远端布置。原则上，探针部分可沿传导线路的长度的任何位置布置。实际上，可沿着所述长度以一定的间隔布置多个所述探针部分，尽管这将倾向于产生额外的信号处理负担，以从多个探针区分信号。从原理上来说，在不同频率配置每个探针的自然谐振频率将在共轴线路上实现波长倍增，这样将简化处理。
探针部分114包括孔口 116，其构造为将存在于井孔中的流体的环境压力传送到探针114，在此处，所述流体的环境压力可由传感器感测(例如，如在图1-3所示和本文中描述的那样，流体可被引入传感器10的压力接口部18)。在探针114之下图示的是封隔器118和封隔器齿120。
使用中，信号发生器102产生电磁脉冲，该电磁脉冲通过传导线路传输到探针114。在可选的配置方式中，脉冲可在局部产生，如在美国专利申请N0.11/898,066中所描述的那样，该申请作为参考而结合在本申请中。
探针114包括传感器，传感器包括谐振电路部分，在接收脉冲时，所述谐振电路部分调整和再发射或反射脉冲而使其返回所述传导线路。谐振电路可以是例如包括感应部件和电容部件的储能电路。在一个实施例中，在探针114中所包含的传感器包括传感器10和传感器回路84，如图1-3所示和如上文所述。
图5显示了在地下环境中测量压力的方法122。下文中介绍的方法122的操作过程是说明性的。在一些实施例中，方法122可由一个或更多个未描述的辅助操作方式完成，和/或不带有所描述的一个或更多个操作方式。另外，在图5中显示的和在下文中描述的方法122的操作过程的顺序并不具有限制性。在一个实施例中，方法122通过一种系统执行，该系统具有(i )定子和转子，该定子和转子构造成使得转子相对于定子的旋转方位随着地下环境内的压力而改变，和(ii )第一电容器，该第一电容器具有由转子和定子的每一个承载的部分，从而使得第一电容器的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而改变。该系统可包括与(如图1-3所示和如上文的描述的)传感器10类似的或相同的压力传感器。
在操作步骤124，电磁信号向下传输到地下井孔。电磁信号可以是电磁脉冲。在一个实施例中，操作步骤124可由与(如图4中所示的和如上文所描述的)信号发生器102类似的或相同的信号发生器执行。
在操作步骤126，利用包括所述定子和转子的传感器反射所述电磁信号，该传感器还包括传感器回路，其具有根据压力变化而改变的谐振频率。在一个实施例中，操作步骤126可由与(如图3中所示的和如上文所描述的)传感器回路84类似的或相同的传感器回路执行。
在操作步骤128，响应地下环境内的压力而对所述电磁信号进行调制。该调制可包括响应在地下环境中的压力变化而产生机械力，该机械力使得所述转子相对于所述定子进行旋转。在一个实施例中，操作步骤128可由与(如图3中所示的和如上文所描述的)传感器回路84类似的或相同的传感器回路执行。
在操作步骤130中，接收调制信号。该接收可包括由在地上的一个或更多个部件接收。在一个实施例中，操作步骤130可由与(如图4中所示的和如上文所描述的)信号发生器102类似的或相同的信号发生器执行。
在操作步骤132，根据所述调制信号确定地下环境中的压力。在一个实施例中，操作步骤132可由与(如图4中所示的和如上文所描述的)计算机104类似的或相同的计算机(或其他的处理器)执行。
尽管已经根据目前认为是最实际和最优选的实施方式出于解释的目的描述了本发明，应当理解的是，这样的描述仅仅是作为说明性的目的，并且本发明并不限于公开的实施方式，而且相反地，其意味着覆盖了在附带的权利要求的精神和范围内的修改方式和同等的配置方式。例如，应当理解的是，本发明这样构思，即:在可能的范围内，任何实施方式的一个或更多个特征可与任何其他实施方式的一个或更多个特征组合。
权利要求
1.一种构造为用于对地下环境中的压力进行检测的系统，该系统包括: 信号发生器，该信号发生器构造为产生电磁信号； 传感器探针，其构造为安置在地下环境的区域内，该传感器探针包括具有电容元件的谐振电路部分，该谐振电路部分还构造为接收来自电磁信号的能量并且响应所述电磁信号而产生谐振信号，其中传感器探针的电容元件对地下环境区域中的压力情况做出响应，以依据所述压力状况来调制所述谐振信号； 电容元件包括: 可变形元件，该可变形元件构造为响应地下环境区域中的压力变化而经受物理性变形； 定子; 转子，该转子与可变形元件机械地连接，并且构造为响应可变形元件的变形而相对于定子旋转；和 第一电容器，该第一电容器具有由转子和定子承载的部分，从而使得第一电容器的电容量基于转子相对于定子的旋转方位而变化，由此使得第一电容器的电容量指示出在地下环境区域内的压力； 接收器，该接收器构造为接收经调制的谐振信号；以及 一个或更多个处理器，所述处理器构造为对经调制的谐振信号进行处理以获得所述压力情况的测量值。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述可变形元件是布尔登管。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，第一电容器包括: 由转子承载的第一组传导元件；和 由定子承载的第二组传导元件， 其中，在第一组传导元件和第二组传导元件之间的电容量根据转子相对于定子的旋转方位而变化。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，第一组传导元件包括横向于转子的旋转轴线而从转子延伸的一组叶片，其中，由定子承载的第二组传导元件形成与该组叶片对应的一组凹槽，并且其中，该组叶片和该组凹槽相交错配置。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，电容元件还包括与第一电容器串联的第二电容器，第二电容器具有由转子和定子承载的部分，从而使得第二电容器的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而变 化，由此使第二电容器的电容量指示出地下环境区域内的压力。
6.根据权利要求5所述的系统,其中，由第一电容器和第二电容器形成的串联的电容器还包括: 由第一电容器和第二电容器所形成的串联的电容器的第一终端，该第一终端与第一电容器的由定子承载的部分结合； 由第一电容器和第二电容器所形成的串联的电容器的第二终端，该第二终端与第二电容器的由定子承载的部分结合；和 其中，第一电容器和第二电容器通过由转子承载的电接头串联连接。
7.一种利用一种系统测量地下环境中的压力的方法，该系统具有(i)定子和转子，该定子和转子构造为使得转子相对于定子的旋转方位随着地下环境内的压力而变化，和(ii )第一电容器，该第一电容器具有由转子和定子中的每一个承载的部分，从而使得第一电容器的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而变化，该方法包括: 产生具有预定频谱的信号；并且 根据转子相对于定子的旋转方位对所产生的信号的频谱进行调制，这样的调制指示出在地下环境中的压力。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述调制包括响应地下环境中的压力变化而产生使得转子相对于定子旋转的机械力。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，机械力的产生由构造为响应压力的变化而变形的可变形元件执行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，可变形元件是布尔登管。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述系统还包括第二电容器，该第二电容器具有由转子和定子 中的每一个承载的部分，从而使得第二电容器的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而变化。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，第二电容器与第一电容器串联连接。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，第一电容器和第二电容器通过由转子承载的电接头串联连接。
14.一种压力传感器，该压力传感器包括: 压力接口部分，该压力接口部分具有对待检测的环境开放的压力接口部； 与所述压力接口部流体连通的可变形元件，该可变形元件构造为响应压力的变化而经受物理性变形； 定子; 转子，该转子与可变形元件机械地连接，并且构造为响应可变形元件的变形而相对于定子旋转；和 第一电容器，该第一电容器具有由转子和定子承载的部分，从而使得第一电容器的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而变化，由此使得第一电容器的电容量指示出在压力接口部处的压力。
15.根据权利要求14所述的传感器，其中可变形元件是布尔登管。
16.根据权利要求14所述的传感器，其中，第一电容器包括: 由转子承载的第一组传导元件；以及 由定子承载的第二组传导元件， 其中，在第一组传导元件和第二组传导元件之间的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而变化。
17.根据权利要求16所述的传感器，其中，第一组传导元件包括横向于转子的旋转轴线而从转子延伸的一组叶片，其中，由定子承载的第二组传导元件形成与该组叶片对应的一组凹槽，并且其中，该组叶片和该组凹槽相交错配置。
18.根据权利要求14所述的传感器，还包括与第一电容器串联的第二电容器，第二电容器具有由转子和定子承载的部分，从而使得第二电容器的电容量依据转子相对于定子的旋转方位而变化，由此使第二电容器的电容量指示出所述压力接口部的压力。
19.根据权利要求18所述的传感器，进一步包括:由第一电容器和第二电容器所形成的串联的电容器的第一终端，该第一终端与第一电容器的由定子承载的部分结合； 由第一电容器和第二电容器所形成的串联的电容器的第二终端，该第二终端与第二电容器的由定子承载的部分结合；和 其中，第一电容器和第二电容器通过由转子承载的电接头串联连接。
20.根据权利要求14所述的传感器，其中，所述传感器构造为在高达大约550 T的使用温度下运 行。
全文摘要
一种传感器，其构造为检测在隔离的或地下环境中的压力。该传感器构造为充当电容器，其带有根据压力变化的电容量。传感器具有坚固的设计，其带有最少的活动部件，并且其中任何确实活动的部件不会通过直接的导电部(例如通过导线)而进行电通讯。相反，在作为电容器的传感器的运行中参与的活动部件仅通过非传导性流体(例如在传感器内的气体和液体)接收和分配电荷。相对于随压力变化的电容器结构设计(在这种结构设计中，配线直接连接活动部件)来说，这可减少磁滞、滞后和/或摩擦。
文档编号G01L9/00GK103180706SQ201180050387
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月18日 优先权日2010年10月20日
发明者D·W·贝克 申请人:雪佛龙美国公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
