ДАТЧИК ТЕРМОМАНОМЕТРИЧЕСКИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01D3/28 H02H7/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах диагностики погружных электронасосов, применяемых для добычи нефти.

Наиболее близким техническим решением является датчик термоманометрический, входящий в состав системы термоманометрической СКАД-2И производства Научно-внедренческого предприятия "СКАД-Нефть" [Система термоманометрическая "СКАД-2И". Техническое описание и инструкция по эксплуатации ДМФ 1.000.004 ТО, 1998 г., Оборудование для добычи нефти и газа. В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев и др. - М.: Российский Государственный Университет нефти и газа им. Губкина, 2002 г., с.535-540]. Датчик термоманометрический содержит датчик давления, датчик температуры, конденсатор, дроссель, трансформатор питания, выпрямитель, стабилизатор напряжения, выходной усилитель мощности, преобразователи давления и температуры, содержащие в своем составе преобразователь напряжение-частота, масштабирующий усилитель и выходной делитель частоты.

Недостаточная надежность датчика обусловлена непосредственным подключением выхода датчика, выполненного с применением активных элементов (транзисторов и микросхем), к кабелю, питающему погружной электродвигатель. Кроме того, питание датчика осуществляется от отпайки обмотки электродвигателя, и при выключенном электродвигателе датчик не работоспособен.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, выражается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается тем, что датчик термоманометрический, содержащий конденсатор, дроссель, датчик давления, включающий измерительный преобразователь давления, и датчик температуры, дополнительно содержит полупроводниковый диод, электромагнитное реле и пороговый элемент, причем дроссель первым выводом подключен к входу датчика термоманометрического, а вторым выводом - к аноду полупроводникового диода, к которому также присоединен первый вывод конденсатора, соединенного вторым выводом с общим проводом, катод полупроводникового диода подключен к переключающему контакту электромагнитного реле, нормально замкнутый контакт которого присоединен к первому выводу измерительного преобразователя давления, а нормально разомкнутый - к первому выводу обмотки электромагнитного реле, вторые выводы обмотки электромагнитного реле и измерительного преобразователя давления подключены к общему проводу, первый вывод порогового элемента присоединен к катоду полупроводникового диода, второй подключен к первому выводу обмотки электромагнитного реле, а обмотки дросселя и электромагнитного реле представляют собой датчик температуры.

Для расширения температурного диапазона измерения и повышения точности измерения давления в первом варианте исполнения датчика последовательно между нормально замкнутым контактом электромагнитного реле и измерительным преобразователем давления дополнительно может быть подключен терморезистор. Датчик в первом варианте исполнения измеряет температуру нижнего фланца двигателя.

Во втором варианте исполнения датчик термоманометрический, содержащий конденсатор, дроссель, датчик температуры и датчик давления, включающий измерительный преобразователь давления, дополнительно содержит полупроводниковый диод, электромагнитное реле, два терморезистора и пороговый элемент, причем дроссель первым выводом подключен к входу датчика термоманометрического, а вторым выводом - к аноду полупроводникового диода, к которому также присоединен первый вывод конденсатора, соединенного вторым выводом с общим проводом, катод полупроводникового диода подключен к переключающему контакту электромагнитного реле, нормально замкнутый контакт которого присоединен к первому выводу первого терморезистора, вторым выводом подключенного к первому выводу измерительного преобразователя давления, а нормально разомкнутый - к первому выводу обмотки электромагнитного реле, присоединенной вторым выводом к первому выводу второго терморезистора, второй вывод второго терморезистора подключен к первому выводу датчика температуры, вторые выводы датчика температуры и измерительного преобразователя давления подключены к общему проводу, первый вывод порогового элемента соединен с катодом полупроводникового диода, а второй - с первым выводом обмотки электромагнитного реле.

Датчик термоманометрический в обоих вариантах исполнения может содержать предохранитель, подключенный последовательно между первым выводом дросселя и входом датчика, и варистор, первый вывод которого присоединен к первому выводу дросселя, а второй вывод - к общему проводу.

Использование обмоток дросселя и электромагнитного реле в качестве датчика температуры позволяет измерять температуру нижнего фланца погружного электродвигателя за счет высокой стабильности зависимости сопротивления медного провода, из которого выполнены обмотки, от температуры.

Расширение функциональных возможностей в обоих вариантах исполнения датчика термоманометрического достигается за счет обеспечения возможности функционирования как при включенном, так и при отключенном погружном электродвигателе, так как датчик для своей работы не требует постоянно включенного источника питания, что обеспечивает возможность автоматического включения и отключения погружного электродвигателя при достижении определенных значений температуры и давления.

Повышение надежности в обоих вариантах исполнения датчика термоманометрического достигается за счет использования устройства защиты, содержащего LC-фильтр, предохранитель и варистор, а также за счет отсутствия в датчике активных элементов (микросхем и транзисторов).

На фиг.1 приведена схема электрическая принципиальная датчика (вариант 1); на фиг.2 - схема электрическая принципиальная датчика (вариант 2); на фиг.3 - временная диаграмма работы датчика.

Заявляемый датчик термоманометрический (вариант 1) состоит (см. фиг.1) из устройства защиты 1, содержащего предохранитель 2, варистор 3, дроссель 4 и конденсатор 5, образующие LC-фильтр; полупроводникового диода 6; терморезистора 7; измерительного преобразователя давления 8; электромагнитного реле с контактами 9 и обмоткой 10, порогового элемента 11, выполненного, например, в виде стабилитрона. Датчиком температуры в первом варианте исполнения являются медные обмотки дросселя 4 и электромагнитного реле 10. Вход устройства защиты 1 является входом датчика термоманометрического, а выход устройства защиты 1 присоединен к аноду полупроводникового диода 6, катод которого соединен с переключающим контактом 9 электромагнитного реле, нормально замкнутый контакт которого присоединен к первому выводу терморезистора 7, подключенного вторым выводом к первому выводу измерительного преобразователя давления 8, второй вывод которого подключен к общему проводу. Устройство защиты 1 представляет собой предохранитель 2 первым выводом присоединенный к входу, а вторым - к первому выводу дросселя 4, второй вывод которого является выходом устройства защиты 1 и подключен к первому выводу конденсатора 5, соединенного вторым выводом с общим проводом. При этом второй вывод предохранителя 2 соединен с первым выводом варистора 3, второй вывод которого присоединен к общему проводу. Первый вывод обмотки 10 электромагнитного реле подключен к нормально разомкнутому контакту 9 электромагнитного реле и первому выводу порогового элемента 11 (аноду стабилитрона), присоединенного вторым выводом (катодом стабилитрона) к катоду полупроводникового диода 6, а второй вывод обмотки 10 электромагнитного реле соединен с общим проводом.

Устройство защиты 1 предназначено для защиты датчика термоманометрического от перенапряжений, возникающих при однофазном коротком замыкании статорной обмотки на корпус электродвигателя, при этом напряжение на предохранителе превышает напряжение открывания варистора 3, предохранитель 2 "перегорает" и, тем самым, защищает датчик. От перенапряжений, обусловленных дисбалансом питающего электродвигатель трехфазного напряжения, датчик защищает сглаживающий LC-фильтр. Полупроводниковый диод 6 предназначен для подачи на датчик тока только положительной полярности. Терморезистор 7 предназначен для термокомпенсации изменения сопротивления обмотки дросселя 4 и прямого сопротивления полупроводникового диода 6 от температуры при измерении давления измерительным преобразователем давления 9.

Датчик термоманометрический подключается между нулевым проводом статорной обмотки погружного электродвигателя и заземленной оплеткой погружного кабеля.

Устройство измерения и регистрации, расположенное в станции управления погружным электродвигателем, формирует ток положительной или отрицательной полярности. В течение времени t₁-t₂ (cм. фиг.3) протекает ток положительной полярности с амплитудой I₁ по цепи: предохранитель 2 - дроссель 4 - полупроводниковый диод 6 - нормально замкнутый контакт 9 электромагнитного реле - терморезистор 7 - резистор измерительного преобразователя давления 8 - общий провод, и создает на указанной цепи падение напряжения, пропорциональное измеряемому давлению внутри полости погружного электродвигателя. В момент времени t₂ по этой же цепи протекает ток положительной полярности с амплитудой I₂, который увеличивает напряжение на последовательно включенных терморезисторе 7 и резисторе измерительного преобразователя давления 8 до уровня, при котором срабатывает пороговый элемент 11 и пропускает ток через обмотку 10 электромагнитного реле. Электромагнитное реле срабатывает, при этом его нормально замкнутый контакт размыкается, а нормально разомкнутый - замыкается, шунтирует пороговый элемент и исключает тем самым влияние изменения его сопротивления от температуры на результат измерения датчиком температуры. Ток I₂ протекает в течение времени t₂-t₃ по цепи: предохранитель 2 - дроссель 4 - полупроводниковый диод 6 - нормально разомкнутый контакт 9 электромагнитного реле - обмотка 10 электромагнитного реле - общий провод. При этом на сопротивлении обмоток дросселя 4 и электромагнитного реле 10 создается падение напряжения, пропорциональное температуре обмоток этих элементов и соответствующее температуре нижнего фланца погружного электродвигателя. Использование обмотки 10 электромагнитного реле и дросселя 4 в качестве датчика температуры обусловлено высокой линейностью зависимости сопротивления медного провода, из которого выполнены обмотки реле и дросселя, от температуры.

Датчик термоманометрический (вариант 2) состоит (см. фиг.2) из устройства защиты 1, содержащего предохранитель 2, варистор 3, дроссель 4 и конденсатор 5, образующие LC-фильтр; полупроводникового диода 6, терморезисторов 7 и 12, измерительного преобразователя давления 8, электромагнитного реле с контактами 9 и обмоткой 10, порогового элемента 11 и датчика температуры 13. Дополнительные терморезисторы 7 и 12 предназначены для увеличения точности измерения температуры и давления за счет термокомпенсации изменения сопротивления полупроводникового диода 6, обмоток дросселя 4 и электромагнитного реле 10 от температуры.

Электрические связи во втором варианте исполнения элементов датчика (см. фиг.2) в основном совпадают с электрическими связями датчика, выполненного в соответствии с первым вариантом (см. фиг.1). Отличие заключается лишь в том, что второй вывод обмотки 10 электромагнитного реле соединен с первым выводом терморезистора 12, второй вывод которого присоединен к первому выводу датчика температуры 13, подключенного вторым выводом к общему проводу.

Измерение давления производится так же, как и в датчике, выполненном в соответствии с первым вариантом.

При измерении температуры в зоне установки датчика температуры на погружном электродвигателе датчиком термоманометрическим, выполненным в соответствии со вторым вариантом, ток положительной полярности (см. фиг.3) I₂, формируемый устройством измерения и регистрации, в момент времени t₂ увеличивает напряжение на последовательно включенных терморезисторе 7 и резисторе измерительного преобразователя давления 8 до уровня, при котором пороговый элемент 11 срабатывает и пропускает ток через обмотку 10 электромагнитного реле. Электромагнитного реле 10 срабатывает, при этом его нормально замкнутый контакт размыкается, а нормально разомкнутый -замыкается, шунтирует пороговый элемент 11 и исключает тем самым влияние изменения его сопротивления от температуры на результат измерения температуры датчиком. Ток I₂ протекает в течение времени t₂-t₃ по цепи: предохранитель 2 - дроссель 4 - полупроводниковый диод 6 - нормально разомкнутый контакт 9 электромагнитного реле - обмотка 10 электромагнитного реле - терморезистор 12 - датчик температуры 13 - общий провод, и создает на датчике температуры 13 падение напряжения, пропорциональное температуре той зоны погружного электродвигателя, в которой установлен датчик температуры 13. При этом изменение прямого сопротивления полупроводникового диода 6, сопротивления обмоток дросселя 4 и электромагнитного реле 10 от температуры нижнего фланца погружного электродвигателя компенсируется изменением сопротивления терморезистора 12.

Для обоих вариантов исполнения электрический сигнал, пропорциональный давлению внутри объема электродвигателя и равный давлению в затрубном пространстве или температуре внутри двигателя, передается с датчика термоманометрического на устройство измерения и регистрации по трехпроводному погружному кабелю.

Для обоих вариантов исполнения датчик термоманометрический конструктивно выполнен в герметичном корпусе, имеющем клеммы для подключения. Чувствительный элемент датчика давления сообщается с внутренним объемом погружного двигателя через отверстие, выполненное в корпусе датчика термоманометрического.

В качестве датчика давления может быть применен любой серийно выпускаемый датчик давления, имеющий измерительный преобразователь давления в виде переменного резистора.

Заявляемое техническое решение датчика термоманометрического может изготавливаться в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования и технологий.

Отсутствие активных элементов (микросхем и транзисторов), требующих для своей работы наличия напряжения питания и подключенных непосредственно к входу датчика, повышает надежность датчика и расширяет его функциональные возможности, поскольку достигается возможность функционирования как при включенном, так и при отключенном погружном электродвигателе.

Повышение надежности достигается также за счет защиты датчика как от однофазного короткого замыкания на корпус статорной обмотки погружного электродвигателя, так и от перенапряжений, обусловленных дисбалансом питающих напряжений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах диагностики погружных электронасосов. Датчик включает устройство защиты, вход которого является входом датчика, полупроводниковый диод, терморезистор, измерительный преобразователь давления, электромагнитное реле и пороговый элемент. Устройство защиты состоит из предохранителя, варистора и LC-фильтра, включающего дроссель и конденсатор. Функции датчика температуры выполняют обмотки электромагнитного реле и дросселя. Датчик по второму варианту выполнения включает отдельно выполненный датчик температуры. Изобретение позволяет повысить надежность датчика и расширить его функциональные возможности, также достигается возможность функционирования датчика как при включенном, так и при отключенном погружном электродвигателе. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик термоманометрический, содержащий конденсатор, дроссель, датчик давления, включающий измерительный преобразователь давления и датчик температуры, отличающийся тем, что он содержит полупроводниковый диод, электромагнитное реле и пороговый элемент, причем дроссель первым выводом подключен к входу датчика термоманометрического, а вторым выводом - к аноду полупроводникового диода, к которому также присоединен первый вывод конденсатора, соединенного вторым выводом с общим проводом, катод полупроводникового диода подключен к переключающему контакту электромагнитного реле, нормально замкнутый контакт которого присоединен к первому выводу измерительного преобразователя давления, а нормально разомкнутый - к первому выводу обмотки электромагнитного реле, вторые выводы обмотки электромагнитного реле и измерительного преобразователя давления подключены к общему проводу, первый вывод порогового элемента присоединен к катоду полупроводникового диода, второй подключен к первому выводу обмотки электромагнитного реле, а обмотки дросселя и электромагнитного реле представляют собой датчик температуры.2. Датчик термоманометрический по п.1, отличающийся тем, что он содержит предохранитель, подключенный последовательно между первым выводом дросселя и входом датчика, и варистор, первый вывод которого присоединен к первому выводу дросселя, а второй вывод - к общему проводу.3. Датчик термоманометрический по п.1, отличающийся тем, что он содержит терморезистор, подключенный последовательно между нормально замкнутым контактом электромагнитного реле и измерительным преобразователем давления.4. Датчик термоманометрический, содержащий конденсатор, дроссель, датчик температуры и датчик давления, включающий измерительный преобразователь давления, отличающийся тем, что он содержит полупроводниковый диод, электромагнитное реле, два терморезистора и пороговый элемент, причем дроссель первым выводом подключен к входу датчика термоманометрического, а вторым выводом - к аноду полупроводникового диода, к которому также присоединен первый вывод конденсатора, соединенного вторым выводом с общим проводом, катод полупроводникового диода подключен к переключающему контакту электромагнитного реле, нормально замкнутый контакт которого присоединен к первому выводу первого терморезистора, вторым выводом подключенного к первому выводу измерительного преобразователя давления, а нормально разомкнутый - к первому выводу обмотки электромагнитного реле, присоединенной вторым выводом к первому выводу второго терморезистора, второй вывод второго терморезистора подключен к первому выводу датчика температуры, вторые выводы датчика температуры и измерительного преобразователя давления подключены к общему проводу, первый вывод порогового элемента соединен с катодом полупроводникового диода, а второй - с первым выводом обмотки электромагнитного реле.5. Датчик термоманометрический по п.4, отличающийся тем, что в него дополнительно введены предохранитель, подключенный последовательно между входом датчика и первым выводом дросселя, и варистор, первый вывод которого присоединен к первому выводу дросселя, а второй вывод – к общему проводу.