Измеритель осевой нагрузки

 

ИЗМЕРИТЕЛЬ ОСЕБОЙ НАГРУЗКИ, содержащий возбуждающую систему, измеритель магнитной индукции и силопередающий элемент, вьтолненный из немагнитного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения пределов измерения, в него введены стабилизирован .ый источник тока, источник регулируемого тока, время-импульсный модулятор , регистр кода индукции, анализатор регистра кода индукции, регистр пределов измерения, арифметический блок, блок тарировочных коэффициентов , блок начального кода, блок цифровой индикации и вспомогательный электромагнит, ось которого расположена вдоль действия нагрузки, а оси электромагнита возбуждающей системы и измерителя магнитной индукции расположены перпендикзлярио оси действия нагрузки, причем обмотка возбуждающей системы подключена к стабилизированному источнику тока, обмотка вспомогательного электромагнита подключена к источнику регулируемого тока, обмотка измерителя магнитной индукции подключена к время-импульсному модулятору, выход которого соединен с входом регистра кода индук (Л ции, первый выход последнего через анализатор регистра кода индукции соединен с входами регистра пределов измерения, один из выходов которого подключен к источнику регулируемого тока, а другой - через блок тарировочных коэффициентов подклю чен к одному из входов арифметического блока, связанного с блоком начального кода, при этом другой вход арифметического блока соединен с вторым выходом регистра кода индукции, а .выход арифметического блока соединен с блоком цифровой индикации.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИН зш С 01 Ь 1/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,::

ГООУДАРстВенный HOMHTET cccP

ПО делАм изОБРетений и ОтнРытий

К ABTQPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3327943/24 — 10 (22) 13.08.81 (46) 23.11.84. Бюл. Ф 43 (72) Б.И. Миренский, А.И. Бару, В.И. Лагутин, В.А. Надтбчий, В.Г. Чепелев и К.В. Шепель (71) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро по погружному электрооборудованию для бурения скважин и добычи нефти Всесоюзного научно-производственного объединения "Потенциал" (53) 531.781(088.8) (56) 1 Авторское свидетельство СССР

Ф 539229, кл. G 01 L 1/04, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 640151,. кл. С Oi Ь 1/12, 1977

° ° прототип).

54)(57) ИЗМЕРИТЕЛЬ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ, содержащий возбуждающую систему, измеритель магнитной индукции и силопередающий элемент, выполненный из немагнитного материала, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности и расширения пределов измерения, в него введены стабилизирован ый источник тока, источник регулируемого тока, время-импульсный модулятор, регистр кода индукции, анализатор регистра кода индукции, регистр пределов измерения, арифметический блок, блок тарировочных коэффициентов, блок начального кода, блок цифровой индикации и вспомогательный электромагнит, ось которого расположена вдоль действия нагрузки, а оси электромагнита возбуждающей системы и измерителя магнитной индукции расположены перпендикулярно оси действия нагрузки, причем обмотка возбуждающей системы подключена к стабилизированному источнику тока, обмотка вспомогательного электромагнита под-! ключена к источнику регулируемого тока, обмотка измерителя магнитной индукции подключена к время-импульсному модулятору, выход которого соединен с входом регистра кода индукции, первый выход последнего через анализатор регистра кода индукции соединен с входами регистра пределов измерения, один из выходов которого подключен к источнику регулируе-. мого тока, а другой — через блок тарировочных коэффициентов подклю,чен к одному из входов арифметического блока, связанного с блоком начального кода, при этом другой вход арифметического блока соединен с вторым выходом регистра кода индукции, а .выход арифметического блока соединен с блоком цифровой индикации.

1125

481

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформаций, давле.I ний, механически с усилий, в частности для измерения осевой нагрузки на долото при бурении скважин.

Известны устройства цифрового типа для измерения усилий, содержащие арифметические блоки, цифровые индикаторы и преобразователи усилия в 10 код 1).

Эти устройства требуют сложную . схему преобразователя усилий, источник образцового усилия, имеют сложную конструкцию и поэтому не пригодны для использования в глубинном блоке для измерения нагрузки на долото при бурении скважин.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является изме- .-О ритель осевой нагрузки, в котором использован преобразователь механических усилий в электрический сигнал, содержащий силопередающий элемент, выполненный из немагнитного матери- 25 ала, измеритель индукции магнитного поля феррозондового типа и возбуждающую систему 21 .

Недостатками известного преобра30 зователя являются ограниченные пре" делы измерения, аналоговая форма вы- . ходной информации, необходимость симметрирования магнитной системы для получения нулевого сигнала при отсутствии нагрузки, большое число элементов конструкции. Симметрия магнитной системы нарушается в условиях ударных нагрузок, вибраций и большого перепада температур при бурении.

Пределы измегэния преобразователя ограничены линейным участком преобразования магнитоупругого элемента.

Цель изобретения - повышение точ ности и расширение пределов измерения.:

Поставленная цель достигается тем, 5 что в измеритель осевой нагрузки, содержащий возбуждающую систему, измеритель магнитной индукции и силапере-, дающий элемент, выполненный из немаг; нитного материала, введены стабилизированный источник тока, источник регулируемого тока, время-импульсный модулятор, регистр кода индукции, анализатор регистра кода индукции, регистр пределов измерения, арифмети- ческий блок, блок тарирозочных коэффициентов, блок начального кода, блоз цифровой индикации и вспомогательный электромагнит, ось которого расположена вдоль действия нагрузки, а оси электромагнита возбуждающей системы и измерителя магнитной индукции — перпендикулярно оси действия нагрузки, причем обмотка возбуждающей системы подключена к стабилизированному источнику тока, обмотка вспомогательного электромагнита — к источнику регулируемого тока, обмотка измерителя магнитйой индукции - к время-импульсному модулятору, выход которого соединен с входом регистра кода индукции, первый выход .последнего через анали= затор регистра кода индукции соединен с входами регистра пределов измерения, один из выходов которого подключен к источнику регулируемого тока, а другой — через блок тарировочных коэффициентов подключен к одному из входов арифметического блока, связанного с блоком начального кода, при этом другой вход арифметического блока соединен с вторым выходом регистра кода индукции, à выход арифметического блока — с блоком цифровой индикации.

В процессе углубления скважины изменяются температурные условия работы первичного преобразователя, изменяются сопротивления обмоток электромагнитов и феррозонда, магнитная проницаемость магнитопроводов, а изменения геометрических размеров элементов соизмеримы с величиной деформации упругого элемента от нагрузки.

Чтобы исключить погрешности измерения, вызванные перечисленньпж фактоI рами, предлагаемая схема измерения предусматривает в наземном пульте блок начального кода, в .который пери-. одически заносится цифровой код, имеюшнй место без нагрузки. При нагружении долота из текущих измерений вычитается величина этого кода и тем самым учитывается изменение нулевых параметров первичного преобразователя.

Расширение пределов измерения достигается тем, что система работает на одном и том же„ с принятым допущением, линейном участке зависимости между нагрузкой и индукцией, так как по мере увеличения нагрузки и приближения электромагнита вспомогательного поля к осн измерителя магнитной инндукции, например феррозонда, ток возбуждения этого электромагнита ступенчато уменьшается, переводя систему

11254

Регистр 7 представляет ный двоичный составленный

3 на нижний уровень индукции. Таким образом, диапазон измерения зависит теперь только от предела пройорциональности упругого тела в соответствии с его диаграммой нагружения.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 — принципиальная электрическая схема регистра кода индикации, анализатора регистра индук- 10 ции и регистра пределов измерения.

Измеритель осевой нагрузки (фиг. 1) содержит силоперадающий элемент 1, который представляет собой полый цилиндр из титана. Перпендикулярно оси действия нагрузки расположены сопряженные соосно электромагнит 2 возбуждающей системы и измеритель магнитной индукции, например дифференциальный феррозонд 3. Обмотка возбуждения феррозонда не показана. По оси действия нагрузки расположен вспомогательный электромагнит 4, Обмотка электромагнита 2. питается от стабильного источника 5 тока. Выходная обмотка 25 феррозонда 3 соединена с входом время-импульсного модулятора 6. Выход время-импульсного модулятора соединен с входом регистра кода индукции 7.

Регистр кода индукции соединен с входом арифметического блока 8, размещенного в наземном пульте. Выход арифметического блока соединен с входом блока цифровой индикации. К второму выходу арифметического блока подсоеди35 нен блок 10 начального кода, а его вы-. ход соединен с вторым входом арифметического блока. К третьему входу арифметического блока подсоединен блок 11 тарировочных коэффициентов, 40 содержимое которого заносится при тарировке и не зависит от наличия или отсутствия энергии.

Второй выход регистра 7 кода индукции соединен с входом анализатора

12 регистра кода индукции. Оба выхода анализатора соединены с входами регистра 13 пределов измерения. Первый выход регистра 13 пределов измерения соединен с блоком 11 тариро50 вочных коэффициентов, а второй выход — с источником 14 регулированного тока, который соединен с обмоткой электромагнита. кода индукции (фиг. 2). 55 собой двенадцатиразрядсчетчик с емкостью 4095, из трех четырехразряд81 4 ных счетчиков 15-17. Четыре младших разряда регистра соединены с четырьмя входами схемы 18 совпадения аналн" затора 12 регистра кода индукции.

Остальные восемь старших разрядов регистра соединены с входами схемы 19 совпадений анализатора 12. Через инверторы 20 и 21 обе схемы совпадений соединены со счетными входами триггеров

22 и 23. На D-входы обоих триггеров через сопротивления от источника +5В поданы уровни логической единицы (лог. "1"), Нулевые выходы обоих триггеров соединены с входами схемы

24 совпадений, а единичные выходы триггеров — с входами схемы 25 совпадений. На третьи входы схем 24 и 25 поступают. стробирующие импульсы из время-импульсного модулятора 6. Вы- ходы схем 24 и 25 через инверторы 26 и 27 соединены с суммирующим и вычитающим входами регистра 13 пределов измерений, представляющего собой двоичный реверсивный четырехразрядный счетчик 28. Его емкость позволяет получить шестнадцать диапазонов измерений. Входы триггеров 22 и 23 соединены с цепью сброса анали" затора 12 через инвертор 29.

Цифровой измеритель осевой наI грузки работает следующим образом.

Между электромагнитом 2 и феррозондом 3 установлен оптимальный зазор, а ток возбуждения электромагнита 2 выбран таким, чтобы выходной сигнал феррозонда был близок к максимальному. Это сделано для того, чтобы свести к минимуму влияние переменных магнитных полей, имеющих место при электробурении.

Обмотка электромагнита 4 подключена так, чтобы его поле вычиталось из поля электромагнита 2. По мере увеличения нагрузки и приближения сердечника электромагнита 4 к феррозонду уровень выходного сигнала последнего (в виде синусоиды второй гармоники частоты возбуждения)уменьшается по амплитуде. Это приводит к уменьшению временного интервала посылки время-импульсного модулятора Ь, . и в результате в регистре 7 кода индукции записываемое в каждом цикле ,число импульсов уменьшается. В ариф метическом блоке 8 тарировочный коэффициент делится на число импульсов из регистра 7 кода индукции. Чем это число меньше, тем частное от де1125481

S ления больше, и на блоке цифровой индикации величина усилия в ганнах будет больше. Для обеспечения линейности преобразования и автоматического переключения пределов измерения служит цифровая схема, в состав которой входит анализатор 12 регист" ра кода индукции, регистр 13 предела измерения, источник 14 регулированного тока и электромагнит 4. Раба- 1О та цифровой схемы основана на определении анализатором 12 регистра кода индукции верхней или нижней границы текущего предела измерения.

В каждом цикле измерения из время-15 импульсного модулятора б в регистр 7 кода индукции поступает серия импульсов, число которых зависит от величины индукции.

В каждом цикле измерения при за- 26 полнении регистра кода индукции наступает момент, когда на всех вьгходах счетчика 15 устанавливаются уровни лог. "1". Срабатывает схема l8 совпадений анализатора 12 регистра кода ин — 25 дукции, и на выходе инвертара 20 устанавливается уровень лог. "1". Триггер 22 становится в единичное состояние, т.е. на его единичном выходе находится уровень лаг."1".

При малых значениях индукции, близких к нижней границе диапазона, триггер 22 анализатора 12 регистра кода индукции останется в нулевом состоя-нии °

При больших значениях индукции, láëèçêHõ к верхней: границе диапазона, может наступать момент, когда на всех восьми выходах старших разрядов регистра 7 кода индукции уста- О навится уровень лог. " 1". Срабатывает схема 19 совпадения. На выходе игГвертора 21 устанавливается уровень лаг. " 1", и триггер 23 становится в единичное состояние. Это бы-, вает, когда в регистР записывается число 4080 или более, Тогда оба триггера будут в единичном состоянии.

При рабочих значениях индукции (средняя часть диапазона) триггер 22 становится в единичное состояние, а триггер 23 остается в нулевом состоянии.

Па окончании счета приходит страбирующий импульс на входы схем 24 и 25 совпадения и анализируется состояние триггеров 22 и 23.

Если аба триггера в нулевом состоянии (т.е. индукция мала и следует уменьшить вспомогательное поле) схема 24 совпадений пропускает стробирующий импульс на вычитающий вход счетчика 28 регистра 13 диапазона и уменьшает его содержимое на единицу. Так через электромагнит вспомогательного поля уменьшается.

Если оба триггера в единичном состоянии (т.е. индукция велика и следует увеличить вспомогательное поле), та схема 24 не пропускает строб..рующий импульс, а схема 25 — пропускает.

Стробирующий иггпульс через инвертар

27 поступает на суммирующих вход счетчика 28 регистра диапазона и увеличивает ега содержимое на единицу.

Ток через электромагнит вспомогатель— наго паля увеличивается.

Если триггер 22 в единичнагл состоянии, а триггер 23 — в нулевом (рабата на участке, отдаленном ат границ диапазона), та ни схема 24, ни схема 25 не пропустят страбирующего импульса. Состояние счетчика регистра диапазона останется неизменным, и так через электромагнит вспомогательного поля не изменится.

После прихода страбирующега импульса приходит импульс сброса, счетчики 15-17 регистра кода индукции и триггера 22 и 23 анализатора возвращаются в состояние нуля. Схема гатова к новому измерению. Измерения можно производить с частотой выходного сигнала ферразонда (100 кГц) .

Измеритель осевой нагрузки позволяет: исключить погрешности измерения от изменения теплового режима в буровом забое, чем повышается достоверность измерения, что особенно важно при равновесном бурении; расгггиригь пределы измерения, чта создает возможность более точно регулировать осевую нагрузку и точнее выдерживать режим бурения...1125481

l l 25481

ВНИИПИ Заказ 8529/30 Тираж 822 Подписное

Филиал ППП Патеит r. Уииород, ул.Проектны,4