ВОДООТБОРНИК Российский патент 1996 года по МПК G01N1/10 

Изобретение относится к геологоразведке и может быть использовано для отбора проб воды из различных глубин скважин или открытых водоемов при проведении инженерно-изыскательских работ.

Известен водоотборник, содержащий корпус с подпружиненными водяным и воздушным клапанами, снабженный кольцевым упором и подпружиненным относительно него поршнем с выведенным наружу штоком, уплотненным относительно корпуса и снабженным тягами, имеющими на концах шарнирные захваты, установлены с возможностью зацепления с кольцевым упором и имеющие хвостовики, установленные с возможностью кинематического взаимодействия с водяным клапаном [1]
Однако, в известном водоотборнике благодаря поршневой пружине удаляется только воздух, находящийся над поршнем, тогда как воздух под поршнем, занимающий объем, соответствующий высоте поршневой пружины остается, тем самым уменьшая полезный объем водоотборника.

Уплотнение поршня в одной манжете не гарантирует прямолинейность пути перемещающегося поршня. Возможны перекосы, что снижает надежность зацепления захватов с кольцевым упором.

Кроме того, отсутствует средство для извлечения из водоотборника взятой пробы. Это снижает удобство обслуживания и приводит к неизбежной потере части взятой пробы при ее извлечении из водоотборника, что снижает точность исследований.

Известен также водоотборник, содержащий полый корпус со смонтированным в нем, подпружиненным и уплотненным относительно него поршнем, выполненным с центральным сквозным отверстием, в котором размещен патрубок с крышкой, и снабженным в нижней своей части опорами, на которых закреплены захваты с хвостовиками, водяной клапан, имеющий седло с фигурным буртом для зацепления с захватами поршня, верхний шток для взаимодействия с хвостовиками захватов, обечайку в нижней части, в которой размещен нижний шток с резьбовым концом, выходящим за пределы обечайки, и натяжной гайкой для перемещения диска, смонтированного в обечайке с возможностью перемещения относительно нижнего штока водяного клапана и подпружиненного относительно седла водяного клапана [2]
Однако, в известном пробоотборнике с помощью резьбового соединения сила затяжки пружины противостоит гидростатическому давлению, пока водоотборник не опустится до требуемой глубины отбора пробы.

На заданной глубине гидростатическое давление окажется выше силы затянутой пружины, в результате диск поднимется, сжимая пружину, а вместе с диском поднимается водяной клапан, и проба воды будет поступать в водоотборник. Однако, данное устройство имеет чисто конструктивный недостаток, заключающийся в том, что диаметр диска, на который рассчитано гидростатическое давление, равен диаметру корпуса. Это приводит к тому, что на большой глубине, например 50 м, сила гидростатического давления на площадь диска обычных размеров водоотборника составит сотни килограммов. При этом диаметр пружины в данном случае принят равным внутреннему диаметру корпуса. Как показали ориентировочные расчеты, проволока пружины должна быть диаметром 8-9 мм, что для такого прибора выполнить просто невозможно.

Технический результат изобретения состоит в повышении работоспособности и надежности устройства, упрощении конструкции и уменьшении габаритов и автоматизации процесса отбора пробы воды.

Для достижения указанного технического результата водоотборник, содержащий полый корпус со смонтированным в нем, подпружиненным и уплотненным относительно него поршнем, выполненным с центральным сквозным отверстием, в котором размещен патрубок с крышкой, и снабженным в нижней своей части опорами, на которых закреплены захваты с хвостовиками, водяной клапан, седло для него с фигурным буртом для зацепления с захватами поршня, верхний шток для взаимодействия с хвостовиками захватов, обечайку в нижней части, в которой размещен нижний шток с резьбовым концом, выходящим за пределы обечайки, и натяжной гайкой для перемещения диска, смонтированного в обечайке с возможностью перемещения относительно нижнего штока водяного клапана и подпружиненного относительно седла водяного клапана, согласно изобретению, он снабжен крышкой, закрепленной в верхней части внутренней поверхности корпуса и уплотненной относительно нее, а водяной клапан выполнен в виде снабженного уплотнением поршня, связанного с верхним и нижним штоками, при этом в седле водяного клапана выполнена полость для размещения поршня, причем в водяном клапане выполнены глухое сверление в аксиальном направлении и соединенное с ним радиальное отверстие, а в седле водяного клапана выполнен сквозной радиальный канал для совмещения с радиальным отверстием, при этом поршень выполнен с диаметром, превышающим диаметр диска, снабженного уплотнением.

Кроме того, обечайка выполнена из прозрачного материала и снабжена шкалой глубины отбора проб воды, при этом диск снабжен указателем.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен продольный разрез устройства.

Водоотборник состоит из полого корпуса 1, обечайки 2, седла 3 водяного клапана 4, соединенных фланцами. В корпусе смонтирован подпружиненный поршень 5, уплотненный относительно корпуса двухъярусными манжетами 6 и 7. Поршень выполнен с центральным сквозным отверстием, в котором закреплен полый патрубок 8, который выведен из корпуса наружу через крышку 9.

Наружный верхний торец патрубка 8 закрыт глухой гайкой 10, а нижний торец сообщен с водяной полостью корпуса 1.

Крышка 9, уплотненная относительно верхней части внутренней поверхности корпуса, опирается на внутреннее пружинное кольцо 11 и прижата к нему верхним пружинным кольцом 12. Крышка снабжена воздушным клапаном 13.

Поршень 5 состоит из полой втулки 14 с сухарем 15 внутри, соединенными общей накладкой 16 с винтами 17. В кольцевом зазоре между втулкой 14 и сухарем 125 размещена цилиндрическая пружина сжатия 18, упирающаяся наверху в накладку 16, а внизу в горизонтальный участок 19 у седла 3 водяного клапана 4.

К нижнему свободному торцу сухаря 15 закреплены опоры 20, поддерживающие оси 21 и свободно посаженные на них захваты 22 с хвостовиками 23. Захваты своей 5 кромкой могут взаимодействовать с заостренной поверхностью фигурного бурта 24, а затылочной частью с наклонной поверхностью 25 фигурного бурта 24.

Хвостовики 23 расположены горизонтально и направлены радиально к центру.

Опоры 20 установлены таким образом, что в момент взаимодействия захватов 22 с фигурным буртом 24 заостренная поверхность фигурного бурта 24 оказывается между положением оси 21 и центром тяжести 26 захватов 22, примерно на середине их проекции на горизонтальную плоскость.

В седле водяного клапана выполнена полость, а водяной клапан 4 выполнен в виде поршня, уплотненного относительно выполненной в седле 3 полости и связанного с верхним штоком 27 и нижним штоком 28. Между верхним штоком и хвостовиками 23 предусмотрен зазор в пределах 2-3 мм.

В поршне 4 выполнено центральное аксиальное глухое сверление 29 и соединенное с ним радиальное отверстие 30 с возможностью совмещения с сквозным радиальным каналом 31 в седле 3.

Нижний шток 28 выходит за пределы обечайки 2 и выходит наружу своим резьбовым концом с натяжной гайкой 32.

Обечайка 2 содержит уплотненный относительно ее диск 33, свободно насаженный на нижний шток 28, подпружиненный размещенной над диском пружиной 34 с возможностью перемещения натяжной гайкой 32.

Обечайка 2 выполнена из прозрачного материала, например, из оргстекла. Вдоль наружной поверхности нанесена шкала с рисками 35, соответствующими в масштабе глубине отбора пробы воды. Диск 33 снабжен указателем 36.

Корпус 1 в верхней части снабжен кольцами 37 для крепления тросика (не показан).

Перед подходом водоотборника к глубине заданного отбора пробы воды тросик прибора подвешивается к пружинным весам (не показано).

Водоотборник работает следующим образом.

Вращая гайку 32 и наблюдая за указателем 36 и шкалой 35, следует установить указатель на риске, соответствующей в масштабе глубине, на которой необходимо взять пробу воды. При этом пружина 34 будет сжата до силы несколько менее, чем гидростатическое давление на глубине отбора пробы. Во время вращения гайки 32 и сжатия пружины 34 будет соответственно перемещаться вверх диск 33, но нижний шток 28 и водяной клапан-поршень 4 будут оставаться на месте, так как диск 33 насажен на шток 28 свободно с зазором.

Затем необходимо затянуть пружину 18 путем нажатия на глухую гайку 10 до тех пор, пока захваты 22 на войдут во взаимодействие с кромкой фигурного бурта 24 и тем самым сжатая пружина окажется застопоренной.

По мере приближения захватов к фигурному бурту 24 (окончание затяжки) они будут скользить затылочной частью по наклонной плоскости 25 фигурного бурта 24 и поворачиваться вокруг оси 21. При этом центр тяжести 26 выйдет из общей с осью вертикали и в результате между ними будет возникать крутящий момент, стремящийся прижимать захваты к фигурному бурту. Это обеспечит надежность сцепления захватов 22 и с кромкой фигурного бурта 24.

Когда водоотборник опустится до заданной глубины, гидростатическое давление на торец нижнего штока 28 и на диск 33 будет несколько больше, чем противодействующее этой силе давление пружины 34, сжатой вращением гайки 32. Избыточная сила поднимет нижний шток 28, поршень 4 и верхний шток 27, который поднимет хвостовик 23, и выведет из зацепления захваты 22 с фигурным буртом 24. Пружина 18 расстопорится и, расширяясь, пошлет поршень 5 вверх, освобождая подпоршневую полость для пробы воды. В результате подъема водяного клапана-поршня 5, радиальное отверстие 30 совместится со сквозным радиальным каналом 31 седла 3.

При подъеме нижнего штока 28 и диска 33 пружина 34 соответственно сожмется. Характеристика пружины 34 подобрана так, что в результате дополнительного сжатия сила пружины увеличится и станет равной силе гидростатического давления. Наступит равновесие и дальнейший подъем штока 28 прекратится.

Вода будет поступать в водоотборник через аксиальное глухое сверление 29 и заполнять объем под поршнем 5.

Когда водоотборник заполнится водой, давление в нем сравняется с наружным гидростатическим давлением.

Диаметр поршня 4 больше диаметра диска 33, поэтому при равенстве давлений внутри и снаружи водоотборника, сила этого давления от поршня 4 будет больше, чем сила от гидростатического давления, действующая на торец нижнего штока 28 и диска 33. Эта избыточная сила опустит шток 28 в первоначальное положение, при котором радиальное отверстие 30 удалено от сквозного радиального канала 31. Таким образом, взятая проба воды окажется запертой и водоотборник можно поднимать из воды.

Сигналом к подъему водоотборника служат показания пружинных весов, на которых подвешивается трос прибора при подходе его к заданной глубине. Начало поступления воды в водоотборник фиксируют по увеличению веса, окончание когда увеличение веса устройства прекратится. По мере подъема водоотборника гидростатическое давление будет уменьшаться, и тогда сработает воздушный клапан 13 и сжатый воздух в надпоршневой полости будет стравливаться в воду.

Забор воды из водоотборника производится после снятия глухой гайки 10 с патрубка 8.

По сравнению с известными средствами предлагаемое решение имеет следующие преимущества:
надежность работы за счет улучшенной конструкции, при которой регулировка натяжения пружины диска не влияет на положение водяного клапана;
уменьшение габаритов и веса за счет уменьшения размеров обечайки по сравнению с корпусом, размеры которого диктуются количеством воды, необходимой для пробы;
начало отбора пробы воды, заполнение водоотборника взятой пробой и закрытие прибора после окончания отбора происходит автоматически в требуемой последовательности;
неограниченная глубина отбора пробы воды.

Использование: для отбора проб воды из различных глубин скважин или открытых водоемов при проведении инженерно-изыскательских работ. Сущность изобретения: водоотборник снабжен крышкой, которая закреплена в верхней части внутренней поверхности корпуса и уплотнена относительно нее. Водяной клапан выполнен в виде снабженного уплотнением поршня. Поршень связан с верхним и нижним штоками. В седле водяного клапана выполнена полость для размещения поршня. В водяном клапане выполнены глухое сверление в аксиальном направлении и соединенное с ним радиальное отверстие. В седле водяного клапана выполнен сквозной радиальный канал для совмещения с радиальным отверстием. Поршень выполнен с диаметром, превышающим диаметр диска. Диск снабжен уплотнением. Обечайка выполнена из прозрачного материала и снабжена шкалой глубины отбора проб воды. Диск снабжен указателем. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Водоотборник, содержащий полый корпус со смонтированным в нем подпружиненным и уплотненным относительно него поршнем, выполненным с центральным сквозным отверстием, в котором размещен патрубок с крышкой, и снабженным в нижней своей части опорами, на которых закреплены захваты с хвостовиками, водяной клапан, седло для него с фигурным буртом для зацепления с захватами поршня, верхний шток для взаимодействия с хвостовиками захватов, обечайку в нижней части, в которой размещен нижний шток с резьбовым концом, выходящим за пределы обечайки, и натяжной гайкой для перемещения диска, смонтированного в обечайке с возможностью перемещения относительно нижнего штока водяного клапана и подпружиненного относительно седла водяного клапана, отличающийся тем, что он снабжен крышкой, закрепленной в верхней части внутренней поверхности корпуса и уплотненной относительно нее, а водяной клапан выполнен в виде снабженного уплотнением поршня, связанного с верхним и нижним штоками, при этом в седле водяного клапана выполнена полость для размещения поршня, причем в водяном клапане выполнены глухое сверление в аксиальном направлении и соединенное с ним радиальное отверстие, а в седле водяного клапана выполнен сквозной радиальный канал для совмещения с радиальным отверстием, при этом поршень выполнен диаметром, превышающим диаметр диска, снабженного уплотнением. 2. Водоотборник по п.1, отличающийся тем, что обечайка выполнена из прозрачного материала и снабжена шкалой глубины отбора проб воды, при этом диск снабжен указателем.