турбинный расходомер

Формула изобретения

Турбинный расходомер, содержащий корпус с калиброванным каналом, в котором размещена турбинка и подключенный к телеметрической системе датчик, расположенный в пазу корпуса параллельно оси канала и выполненный из магнитопровода с намотанными на него в один ряд каждая сигнальной обмоткой, состоящей из двух встречно включенных полуобмоток, и обмоткой возбуждения, отличающийся тем, что в калиброванном канале с направлением потока сверху вниз установлены нижняя опора турбинки типа подпятник и спрямляющий аппарат, в котором закреплена верхняя опора типа радиальный подшипник, причем турбинка изготовлена из немагнитного пресс-материала, с закрепленной в торцевой части звездочкой, четыре луча которой идентичны по форме и моменту инерции относительно оси вращения и представляют собой магнитные метки четырех различных уровней намагниченности, причем к плоскости вращения меток приближен нижний полюс датчика, состоящего из двух идентичных полуэлементов, верхний из которых удален от плоскости вращения меток, а полуобмотки возбуждения обеих включены согласно и выполнены бифилярно с сигнальными полуобмотками, четыре уровня ЭДС которых образованы в заданную последовательность с периодом, обратно пропорциональным расходу при правильном направлении вращения турбинки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизическим приборам для исследования газоносных скважин и измерения объемных расходов в газопроводных сетях.

Известно устройство для исследования скважин, содержащее корпус с калиброванным каналом протока, турбинку с обтекателем, магнитомодуляционный преобразователь с обмотками возбуждения и съема сигнала, которые выполнены в виде полой катушки на магнитопроводящем каркасе с выступами для замыкания магнитного потока через лопасти турбинки [А. С. СССР, 883367, Е 21 В 47/00, 1981].

Основными недостатками данного устройства являются:

1) Невысокая точность измерения из-за тормозящего действия магнитного потока, замыкающегося через турбинку.

2) Невысокая достоверность измерения скорости протока, так как в положениях совпадения выступов магнитопровода с межлопастными воздушными зазорами турбинки датчик имеет разомкнутую магнитную систему, то есть не обладает достаточной помехоустойчивостью.

3) Большие размеры датчика, с чем связано уменьшение канала протока.

4) Сложность совмещения датчика с многолопастными (более 4-х лопастей) турбинками из-за сокращения воздушного зазора между лопастями с увеличением их количества.

Известно устройство с эксцентричным грузом, содержащее узел поворота, центр тяжести которого расположен выше точки подвеса, подшипник, установленный на верхнем конце маятника с возможностью перемещения по направляющей, причем нижняя часть полуоси, расположенная соосно в корпусе, закреплена в подшипнике типа подпятник, а верхняя типа радиальный подшипник [А.С. СССР, 1346772, Е 21 В 47/02, 1987].

Недостатками данного устройства являются:

1) Наличие дополнительной опоры, смещенной с оси вращения.

2) Использование опор одного типа - "радиальный подшипник".

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является устройство скважинный расходомер, содержащее корпус с калиброванным каналом протока, в котором размещена четырехлопастная турбинка и подключенный к телеметрической системе вторичный преобразователь, состоящий из сердечника (магнитопровода) с намотанными на него сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения, расположенный в пазу корпуса, параллельном его оси, причем обмотки возбуждения и сигнальная намотаны в один ряд каждая, причем сигнальная обмотка расположена поверх обмотки возбуждения и состоит из двух встречно включенных полуобмоток, центры симметрии сердечника с обмотками и турбинки лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси турбинки, а угол наклона лопастей турбинки составляет 45^o [А.С. СССР, 1578479, G 01 F 1/075 Е 21 В 47/02, 1990]. Основными недостатками данного устройства являются:

1) Необходимость идентификации турбинок по уровню намагниченности лопастей.

2) Сложность стабилизации уровня намагниченности каждой из четырех лопастей турбинки в процессе эксплуатации.

3) Большой вес металлической турбинки.

4) Необходимость балансировочных операций и приспособлений для уменьшения момента трогания турбинки.

5) Применение идентичных опор для подвеса турбинки в корпусе, что снижает точность измерений при вертикальном расположении канала протока.

6) Сложность совмещения датчика с многолопастными турбинками.

7) Повышенный уровень "нуля" схемы преобразователя из-за неидентичности полуэлементов датчика: реверс сигнальной обмотки препятствует укладке ее половины "виток к витку" по отношению к обмотке возбуждения.

Задача изобретения - повышение точности и достоверности измерения малых расходов жидкостей и газов, обеспеченной выявлением противохода турбинки.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус с калиброванным каналом, в котором размещена турбинка и подключенный к телеметрической системе датчик, расположенный в пазу корпуса параллельно оси канала и выполненный из магнитопровода с намотанными на него в один ряд каждая сигнальной обмоткой, состоящей из двух встречно включенных полуобмоток, и обмоткой возбуждения, в отличие от прототипа в калиброванном канале с направлением потока сверху вниз установлены нижняя опора турбинки типа подпятник и спрямляющий аппарат, в котором закреплена верхняя опора типа радиальный подшипник, причем турбинка изготовлена из немагнитного пресс-материала, с закрепленной в торцевой части звездочкой, четыре луча которой идентичны по форме и моменту инерции относительно оси вращения и представляют собой магнитные метки четырех различных уровней намагниченности, причем к плоскости вращения меток приближен нижний полюс датчика, состоящего из двух идентичных полуэлементов, верхний из которых удален от плоскости вращения меток, а полуобмотки возбуждения обоих включены согласно и выполнены бифилярно с сигнальными полуобмотками, четыре уровня ЭДС которых образованы в заданную последовательность с периодом, обратно пропорциональным расходу при правильном направлении вращения турбинки.

Использование феррозондового преобразователя исключает тормозящий момент потокосцепления, вследствие чего повышается точность измерения малых скоростей протока. Вместе с тем, в условиях эксплуатации, такого рода преобразование частоты вращения крыльчатки в цифровой электрический сигнал осложняется рядом факторов, а именно:

1) различным характером распределения магнитного потенциала по поверхности каждой из лопастей турбинки;

2) уровнем одного порядка измеряемого магнитного поля (лопасти) и помех (поля Земли, полей эксплуатационного оборудования и т.д.);

3) нестабильностью уровня магнитной насыщенности турбинок в процессе эксплуатации;

4) сложностью использования многолопастных турбинок;

5) повышенным запасом устойчивости вращению турбинки из-за ее массивности, горизонтального подвеса в идентичных опорах, а также необходимости применения балансировочных приспособлений.

В связи с этим при многообразии конструкций турбинных расходомеров по схеме "крыльчатка - магнитометрический датчик углового положения" в научно-технической литературе не приводится, по мнению авторов, такой, в которой без существенных ее изменений была бы реализована заявляемая совокупность взаимосвязанных отличительных признаков:

1) полное отсутствие тормозящего воздействия датчика на малоинерционную турбинку;

2) повышенное отношение "сигнал - фон", что обусловлено:

а) идентичностью обмоток полуэлементов;

б) удалением верхнего полуэлемента из зоны действия поля магнитной метки;

в) исключением полей малого градиента (помех) из числа измеряемых величин;

3) уменьшенная масса и повышенная технологичность изготовления турбинки;

4) исключение приспособлений и операций по балансировке турбинки;

5) уменьшение момента трогания турбинки вследствие вертикального ее подвеса в опорах различного типа (нижняя - подпятник, верхняя - радиальный подшипник).

6) повышение точности измерения малых расходов за счет преобразования "расход - угловое положение турбинки" вместо преобразования "расход - частота вращения турбинки";

7) исключение при малых расходах погрешностей измерений, вызванных противоходом турбинки.

Существо устройства поясняется чертежами: фиг.1 - общий вид устройства, фиг. 2 - структурная схема устройства, фиг.3 - кинематическая схема, обосновывающая минимизацию момента трогания.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства. Устройство содержит корпус прибора 1 с калиброванным каналом переменного сечения 2-3, спрямляющим аппаратом 4 и пазом 5, в котором параллельно оси канала установлен соединенный с телесистемой кабелем 6 датчик 7, состоящий из двух разделенных зазором 8 полуэлементов, нижний из которых приближен к плоскости вращения звездочки 9, закрепленной в торцевой части турбинки 10, подвешенной в различного типа опорах: верхняя 11 - радиальный подшипник, нижняя 12 - подпятник. Звездочка 9 закреплена в торцевой части турбинки 10, лучи 13, 14, 15, 16 которой имеют различную намагниченность.

На фиг.2 представлена структурная схема устройства. Устройство содержит датчик 7, выполненный, из магнитопровода 17 с намотанными на него обмоткой возбуждения 18 и сигнальной обмоткой 19, 20 и телесистемы, где 21 - усилитель мощности, 22 - высокочастотный генератор, 23 - полосовой фильтр, 24 - масштабирующий усилитель, 25 - амплитудный детектор, 26 - фильтр низких частот, 27 - блок компараторов, 28 - логическое устройство, 29 - блок индикации.

Устройство работает следующим образом. Магнитные поля малого градиента, в том числе поле Земли, воздействует на магнитную систему преобразователя так, что устанавливается неизменный по длине каждого из сердечников датчика 7 уровень магнитной проницаемости. В момент сближения немагнитного луча звездочки 13 с нижним полуэлементом датчика 7 магнитные метки лучей 14, 15, 16 не оказывают возмущающего воздействия на преобразователь, так как удалены от него и ЭДС сигнальной обмотки равна нулю вследствие встречного включения ее полуобмоток и согласного - полуобмоток возбуждения, подключенных через кабель 6 к высокочастотному генератору телесистемы. Бифилярный способ намотки обмотки возбуждения и сигнальной обмотки обеспечивает полную идентичность электромагнитных параметров полуэлементов - увеличивается отношение "сигнал - фон" преобразователя, повышается достоверность измерений.

Моменты сближения магнитных меток 14, 15, 16 с нижним полуэлементом датчика 7 характеризуются асимметричным изменением проницаемости магнитной системы преобразователя относительно центра его магнитной оси (верхний полуэлемент удален от источника возмущающего воздействия 14, 15, 16 на величину зазора 8) и, следовательно, сопровождаются импульсами ЭДС сигнальной обмотки различных уровней, поступающими в телесистему по кабелю 6.

В телесистеме имеется блок компараторов, с помощью которого последовательность импульсов ЭДС сигнальной обмотки различных уровней преобразуется в цифровой код.

В случае горизонтального расположения турбинки ее момент трогания определяется суммой: момента трения в опорах и ориентирующего момента гравитационной силы, обусловленной смещением центра масс с оси вращения (вектор силы лежит в плоскости вращения). При вертикальном подвесе турбинки (фиг. 3) вектор данной гравитационной силы ортогонален плоскости вращения и не создает ориентирующего момента - запас устойчивости определяется лишь трением в опорах.

Проведенный в [А.С. СССР, 1346772, Е 21 В 47/02, 1987] анализ позволяет сделать вывод о нецелесообразности применения идентичных опор в схемах с вертикальной осью вращения.

Для пары идентичных опор типа "радиальный подшипник" данный вывод очевиден и не приводится. На фиг.3 изображена схема, опорные элементы которой O₁ и О₂ характеризуются связями различного типа. Направления их действия обусловливают минимальные коэффициенты трения подвижных частей - радиальный подшипник О₂ имеет лишь нормально направленную подпятника O₁ уравновешивает



Решение 1: F_x=R; F_y=P; R=P l/L (2)

Система статически определена, реакции не имеют общих линий действия - для данной схемы комбинация опор оптимальна, чем обеспечивается минимальный момент трогания тела вращения.

При малых расходах жидкость или газ в калиброванном канале 3 направляется спрямляющим аппаратом 4 к стенкам трубы, где лопасти турбинки 10 оказывают наибольшее сопротивление потоку (угол наклона лопастей по радиальной составляющей - 40^o). Эффективность преобразования возрастает также из-за уменьшения зазора между лопастями и стенками трубы в сечении ступенчатого увеличения диаметра канала 2.

Повышение сопротивления протоку и его ускорение у стенок канала обеспечивает усиление вращающего момента - снижается порог трогания турбинки. Вместе с тем, оптимальной комбинацией опор (нижняя - подпятник, верхняя - радиальный подшипник) определяется минимальный запас устойчивости вращения, а также устранение момента сопротивления, обусловленного смещением центра масс турбинки с оси вращения.

Таким образом, предлагаемое устройство в сравнении с прототипом обладает рядом преимуществ: повышается точность и достоверность измерения малых расходов, а также технологичность конструкции из-за устранения непроизводительных операций по балансировке турбинки.

Изготовлен макетный образец устройства, проведены лабораторные испытания. Приборы предназначены для исследования газоносных скважин и измерения объемных расходов в газопроводных сетях.