Измеритель осевой нагрузки Советский патент 1984 года по МПК G01L1/12 

Изобретение относится к измер11тел ной технике и может быть использовано для измерения деформаций, давлений, механических 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 код tl } Эти устройства требуют сложную схему преобразователя усилий, источник образцового усилия, имеют сложную конструкцию и поэтому не пригодны для использования в глубинном бло ке для измерения нагрузки на долото при буревши скважин, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является изме ритель осевой нагрузки, в котором использован преобразователь механических усилий в злектрический сигнал содержащий силопередающий элемент, выполненный из немагнитного материала,измеритель индукции магнитного поля феррозондового типа и возбуждаю щую систему 2 J. Недостатками известного преобразователя являются ограниченные пределы измерения, аналоговая форма выходнрй информации, необходимость сим метрирования- магнитной системы для получения нулевого сигнала при отсут ствии нагрузки, большое число элементов конструкции. Симметрия магнит ной системь нарушается в условиях ударных нагрузок, вибраций и большого перепада температур при бурении. Пределы измерения преобразователя ограничены линейным участком преобра зования магнитоупругого элемента. Цель изобретения - повьшение точности и расширение пределов измерения, Поставленная цель достигается тем что в измеритель осевой нагрузки, со держащий возбуждающую систему, измеритель магнитной индукции и силопере дакмций 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 измееения, арифмети-1 ческий блок, блок тарировочных коэффициентов, блок начального кода, бло 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-иьтульсному 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 ВЫХОДОЕ1 которого подключен к источнику регулируемого тока, а другой - через блок тарировочных коэффициентов подключен к одному из входов арифметического бл.ока, связанного с блоком начального кода, при этом другой вход арифметического блока соединен с вторым выходом регистра кода индукции, а выход арифметического блока - о блоком цифровой иьздикахщи. 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 перечисленными факторами, предлагаемая схема измерения предусматривает в наземном пульте блок начального кода, в которьй пери-. одически заносится цифровой код, имеющий 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 коси измерителя магнитной индукции, например феррозонда, ток возбуждения этого электромагнита ступенчато уменьшается, переводя систему на нижний уровень индукции. Таким образом, диапазон измерения зависит теперь только от предела пропорциональности упругого тела в соответствии с его диаграммой нагружения. На фиг. 1 представлена структурн,ая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема регистра кода индикации, анализатора регистра индук-ции и регистра пределов измерения. Измеритель осевой нагрузки {фиг.1 содержит силоперадающий элемент t, который представляет собой полый цилиндр из титана. Перпендикулярно оси действия нагрузки расположены сопряженные соосно электромагнит 2 возбуждающей системы и измеритель магни ной индукции, например дифференциаль ный феррозонд 3. Обмотка возбуждения феррозонда не показана. По оси действия нагрузки расположен вспомогательный электромагнит 4. Обмотка эле тромагнита 2, питается от стабильного источника 5 тока. Выходная обмотка феррозонда 3 соединена с входом время-импульсного модулятора 6. Выход время-импульсного модулятора соедине с входом регистра кода индукции 7. Регистр кода индукции соединен с вхо дом арифметического блока 8, размешр.нного в наземном пульте. Выход арифме тического блока соединен с входом бл ка цифровой индикации. К второму выходу арифметического блока подсоединен блок 10 начального кода, а его выход соединен с вторым входом арифметического блока. К третьему входу арифметического блока подсоединен блок 11 тарировочных коэффициентов, содержимое которого -заносится при тарировке и не зависит от наличия или отсутствия энергии. Второй выход регистра 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 11тарировочных коэффициентов, а второй выход - с источником 14 регулированного тока, который соединен с обмоткой электромагнита. Регистр 7кода индукции (фиг.2). представляетсобой двенадцатиразрядный двоичныйсчетчик с емкостью 4095 составленныйиз трех четырехразряд181 счетчиков 15-17. Четыре младших ных разряда регистра соединены с четырьмя входами схемы 18 совпадения анализатора 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 cxeNibi 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. Выходы схем 24 и 25 через инверторы 26 и 27 соединены с суммирующим и вычитающим входами регистра 13 пределов измерений, представляющего собой двоичный реверсивный четьфехразрядный 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 нагрузки работает следующим образом. Между электромагнитом 2 и феррозондом 3 установлен оптимальньй зазор, а ток возбуждения электромагнита 2 выбран таким, чтобы выходной сигнал феррОЗонда бьш 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 6, 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 деления больше, и на блоке цифровой индикации величина усилия в гоннах будет больше. Для обеспечения линейности преобразования и автоматического переключения пределов измерения служит цифровая схема, в состав которой входит анализатор 12 регистра кода индукции, регистр 13 предела измерения, источник 14 регулированного тока и электромагнит 4. Рабо-10 та цифровой схемы основана .на определении анализатором 12 регистра кода индукции верхней или нижней границы текущего предела измерения. В каждом цикле измерения из время импульсного модулятора 6 в регистр 7 кода индукции поступает серия импуль сов, число которых зависит от величины индукции. в каждом цикле измерения при заполнении регистра кода индукции наступает момент, когда на всех: выхода счетчика 15 устанавливаются уровни лог. 1. Срабатывает схема 18 совпа дений анализатора 12 регистра кода нидукции, и на выходе инвертора 20 устанавливается уровень лог. 1. Триггер 22 становится в единичное состоя ние, т.е. на его единичном выходе находится уровень лог.1. При малых значениях индукции, -бли ких к нижней границе диапазона, триг гер 22 анализатора 12 регистра кода индукции останется в нулевом состоянии . При больших значениях индукции, Iблизких к верхней- границе диапазона - может наступать моме«т, когда на всех восьми выходах старших разрядов регистра 7 кода.индукции установится уровень лог, 1. Срабатывает схема 19 совпадения. На выходе инвертора 21 устанавлйваетск уровень лог. 1, и триггер 23 становится в единичное со,стряние. Это бывает, когда в регистр записывается чис ло 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 состоя нии. 11 16 По окончании счета приходит стробирукмций импульс на входы схем 24 и 25 совпадения и анализируется состояние триггеров 22 и 23. Если оба 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. Ток через электромагнит вспомогательного поля уменьшается. Если оба триггера в единичном состоянии (т.е. индукция велика и следует увеличить вспомогательное поле), то схема 24 не пропускает стробтгрующий импульс, а схема 25 - пропускает. Стробируюш 1Й И шульс через инвертор 27 поступает на суммирующих вход счетуика 28 регистра- диапазона и увеличивает его содержимое на единицу. Ток через электромагнит вспомогательного поля увеличивается. Если триггер 22 в единичном состоянии, а триггер 23 - в нулевом (работа на участке, отдаленном от границ диапазона), то ни схема 24, ни схема 25 не пропустят стробирующего импульса. Состояние счетчика регистра диапазона-останется -неизменным,- и ток через электромагнит вспомогательного поля не изменится. После прихода стробирующего импульса приходит импульс сброса, счетчики 15-17 регистра кода индукции и триггера 22 и 23 анализатора возвраШ1аются в состояние нуля. Схема готова к новому измерению. Измерения можно производить с частотой выходного сигнала феррозонда (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 расширить пределы измерения, что создает возможность более точно регулировать осевую нагрузку и точнее выдерживать режим бурения..

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.