Гидравлический преобразователь зенитного угла
Владельцы патента RU 2254464:
Закрытое акционерное общество Научно-производственное предприятие геофизической аппаратуры "ЛУЧ" (RU)
Изобретение относится к промысловой геофизике и технологии управления траекторией бурения скважин и может быть использовано в датчиках инклинометрической аппаратуры и в процессе роторного и турбинного бурений. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения зенитного угла за счет введения температурной компенсации. Для этого преобразователь зенитного угла содержит корпус, в котором размещены трубка, заполненная жидкостью и чувствительные элементы в виде упругих мембран, установленные на концах трубки. Дополнительно преобразователь снабжен упругими расширительными емкостями, входы которых соединены с трубкой через тройники в местах соединения трубки с мембранами. При этом емкости выполнены в виде сильфонов заданной жесткости. 2 ил.
Изобретение относится к промысловой геофизике и технологии управления траекторией бурения скважин и может быть использовано в датчиках инклинометрической аппаратуры и в процессе роторного и турбинного бурений.
Известен преобразователь зенитного угла при измерении искривления скважины согласно авторскому свидетельству СССР 933967, Е 21 В 47/02, 05.05.80 г. Преобразователь содержит корпус, в котором расположена рамка с эксцентричным грузом. В рамке размещен чувствительный элемент, состоящий из кольцевого уровня с перегородкой, цилиндрической спиральной трубки, сообщающейся с кольцевым уровнем, и электродами, установленными в кольцевом уровне с двух сторон от перегородки.
Известно устройство для определения зенитного и визирного углов в скважине согласно авторскому свидетельству СССР 1652523, Е 21 В 47/022, 12.01.89 г. Устройство содержит корпус, заполненный вязкой жидкостью, два датчика с электрическими преобразователями углов поворота, расположенные в корпусе, и расположенную выше корпуса герметичную изогнутую трубку, заполненную вязкой жидкостью, нижний конец которой соединен с корпусом, верхний расположен на оси корпуса, причем полость трубки сообщена с полостью корпуса.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является известный виброустойчивый гидравлический преобразователь зенитного и визирного углов согласно патенту RU 2178821, Е 21 В 4/02, 06.01.1998. Преобразователь содержит корпус, в котором размещены трубка с успокоительным замкнутым контуром жидкости и чувствительные элементы в виде упругих мембран, установленные на концах трубки.
Недостатками известных устройств является отсутствие температурной компенсации погрешности измерения зенитного угла. Предлагаемое в патенте RU 2178821, Е 21 В 4/02, 06.01.1998 устранение влияния температурных расширений за счет измерения разности сигналов с нижней и верхней мембран правомерно лишь в узком диапазоне температур. Так как жидкость, находящаяся в трубке преобразователя практически несжимаема, то нагрев жидкости может привести к резкому росту давления в замкнутой гидравлической системе преобразователя и к значительному увеличению давления на мембраны. Предлагаемые к использованию в данном изобретении компенсационные электронные схемы не могут скомпенсировать значительные деформации мембраны, вызванные температурным расширением жидкости из-за малых усилий, развиваемых катушкой следящего электромагнитного привода съемного устройства. Кроме того, недостатком такого преобразователя является то, что при его использовании не учитывается значительное изменение плотности жидкости с изменением температуры. Поскольку сила воздействия на мембрану пропорциональна объемной массе (или плотности) жидкости, то изменение температуры в процессе работы приведет к изменению полезного сигнала за счет изменения плотности жидкости в трубке контура. Погрешность измерений, вызванная изменением температуры, может составлять от 2% до 10% при изменении температуры на 100°С.
Технической задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является повышение точности измерения зенитного угла за счет введения температурной компенсации.
Решение задачи достигается за счет того, что в известный гидравлический преобразователь зенитного угла, содержащий корпус, в котором размещены трубка, заполненная жидкостью, и чувствительные элементы в виде упругих мембран, установленные на концах трубки, дополнительно введены упругие расширительные емкости, входы которых соединены с трубкой через тройники в местах соединения трубки с мембранами, при этом емкости выполнены в виде сильфонов заданной жесткости.
Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых показано: на фиг.1 - конструкция преобразователя, на фиг.2 - схема, поясняющая принцип работы преобразователя.
Гидравлический преобразователь зенитного угла, приведенный на фиг.1, содержит корпус 1, внутри корпуса размещена жесткая металлическая трубка 2, заполненная жидкостью, на торцах корпуса на противоположных концах трубки установлены чувствительные элементы в виде мембран 3, в местах соединения трубки 2 с мембранами 3 через тройники подсоединены упругие расширительные емкости 4, выполненные в виде сильфонов заданной жесткости. Конструкция преобразователя зенитного угла симметрична относительно продольной и поперечной оси, что позволяет использовать его при роторном бурении. В качестве рабочей жидкости может быть использована любая незамерзающая высококипящая жидкость, например глицерин.
Принцип работы гидравлического преобразователя зенитного угла основан на измерении разности гидростатических давлений двумя датчиками давления, расположенными на концах трубки 2, заполненной жидкостью, и поясняется схемой, приведенной на фиг.2.
При отклонении корпуса 1 преобразователя от вертикали на зенитный угол Θ (происходит изменение гидростатического давления на концах трубки 2, вызывающее деформации мембран 3. Эти деформации преобразуются в электрический сигнал датчиками давления (на фигурах не показано), например электромагнитными компенсационными схемами или тензометрическими преобразователями.
При повышении рабочей температуры происходит нагрев жидкости в замкнутой гидравлической системе преобразователя. Избыток объема жидкости, вызванный нагревом, выводится в упругие расширительные емкости 4, выполненные в виде сильфонов. Используемые расширительные емкости 4 имеют определенную ненулевую жесткость, поэтому при заполнении их вытесненной жидкостью происходит рост давления в гидравлической системе преобразователя. Жесткость упругих расширительных емкостей 4 выбирают так, чтобы давление в системе при максимально возможной рабочей температуре не превысило предела измерения используемых датчиков давления.
Значение зенитного угла Θ (зависит от разности ΔР измеренных значений давлений Р1 и Р2 на концах трубки.
Значение ΔР определяют по формуле:
где ρ - плотность жидкости;
g - ускорение силы тяжести;
Δh - разность высот, на которых расположены мембраны датчиков давления.
Косинус зенитного угла cos Θ = Δh/L, где
L - расстояние между мембранами.
Учитывая (1) cos Θ = ΔРL/ρg,
искомый зенитный угол Θ = arccos(ΔPL/ρg) (2).
Отсюда следует, что температурная погрешность измерения зенитного угла связана с зависимостью плотности жидкости ρ от температуры. Для вычисления температурной поправки проводят калибровку преобразователя. Для этого с помощью датчиков давления при нескольких определенных значениях температуры и фиксированном значении зенитного угла измеряют рост давления в системе преобразователя, вызванный температурным расширением жидкости.
Под воздействием нагрева на Δt° объем жидкости увеличивается на ΔV. Этот дополнительный объем вытесняется в сильфон, увеличивая его длину на Δх. Контролируя увеличение давления P(t°), вызванное повышением температуры, можно определить степень увеличения объема жидкости, так как сильфон является линейным упругим элементом.
Увеличение давления в системе можно выразить формулой;
где ΔF - увеличение силы давления;
S - эффективная площадь торца сильфона.
В свою очередь по закону Гука
где k - жесткость сильфона.
Учитывая, что Δх=ΔV/S, P(t°)=kΔV/S2
Поскольку величина k/S2 постоянна, увеличение давления P(t°) линейно зависит от увеличения объема ΔV. В свою очередь рост объема ΔV напрямую связан с уменьшением плотности ρ. Суммируя показания P1 и Р2 датчиков давления на концах трубки, определяют рост давления P(t°), зависящий от температурного расширения, связанного с уменьшением плотности.
Зенитный угол определяется по разности ΔР измеренных значений давлений P1 и Р2 на концах трубки (формула 2). При этом влияние избыточного давления P(t°) вычитается, а полезный сигнал, связанный с зенитным углом, удваивается. В свою очередь при сложении сигналов с датчиков давления сигнал, зависящий от температурного расширения, удваивается, а сигналы, связанные с изменением зенитного угла, вычитаются, так как они имеют противоположные знаки.
Пусть E(P1) и Е(Р2) электрические сигналы с датчиков давления, расположенных на концах трубки, тогда полезный сигнал Е, определяющий величину зенитного угла при температуре t° при линейном приближении определяют по формуле
где β - коэффициент поправки, который вычисляется при калибровке преобразователя для двух значений температуры, например, при 20°С и 150°С.
В случае нелинейной зависимости плотности рабочей жидкости от температуры калибровку производят при нескольких значениях температуры и аппроксимируют эту зависимость, например полиномом n-го порядка.
Таким образом решается задача повышения точности измерения зенитного угла за счет введения температурной компенсации.
Гидравлический преобразователь зенитного угла, содержащий корпус, в котором размещены трубка, заполненная жидкостью, и чувствительные элементы в виде упругих мембран, установленные на концах трубки, отличающийся тем, что содержит дополнительно упругие расширительные емкости, выполненные в виде сильфонов, входы которых соединены с трубкой через тройники в местах соединения трубки с мембранами.
