Устройство для контроля температуры погружного электродвигателя и давления на приеме насоса Советский патент 1991 года по МПК E21B47/06 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для контроля технологических параметров в скважине и защиты погружного электродвигателя от аномальных режимов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение надежности контроля.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема блока регулирования.

Устройство содержит погружной электродвигатель (ПЭД) 1. силовой кабель 2, силовой трансформатор 3, первый разделительный конденсатор 4, второй разделительный конденсатор 5, первый разделительный трансформатор 6, дроссель 7, блок 8 питания, содержащий выпрямитель 9, конденсаторы 10 и 11 и стабилизатор 12, усилитель 13 мощности, первый генератор 14 импульсов, измерительные преобразователи 15 и 16 температуры и давления, первый и второй преобразователи 18 и 19 напряжение-частота, первый второй элементы И 20 и 21, элемент ИЛИ 22, блок 23 формирования временных интервалов, содержащий счетчик 24 импульсов, дешифратор 25 и элементы ИЛИ 26 и 27. третий разделительный конденсатор 28, четвертый разделительный конденсатор 29, питающий трансформатор 30, второй разделительный трансформатор 31. полосовой фильтр 32. пороговый элемент 33. Устройство имеет преобразователь 34 пачек импульсов в прямоугольные импульсы, второй

генератор 35 импульсов, делитель 36 частоты, триггер 37 элементы И 38 - 41. формирователи 42 и 43 импульсов, счетчики 44 и 45 импульсов, регистры 46 и 47, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 48 и 49, масштабные усилители 50 и 51, блок 52 индикации, блок 53 регулирования.

Блок 53 регулирования содержит потенциометры 54 - 57 задания установок, компараторы 58-61, триггеры 62, 63, элемент 64 ИЛИ, усилитель 65 мощности, исполнительный механизм 66, пороговый элемент 67, резистор 68, конденсатор 69. Шинами 70,71 обозначены входы регулирования.

Силовой трансформатор 3 через силовой кабель 2 соединен с обмотками погружного электродвигателя 1, нулевая точка которого соединена с конденсатором 4, второй вывод которого соединен с конденсатором 5 и с дросселем 7. Второй вывод конденсатора 5 соединен с вторичной обмоткой трансформатора 6, второй вывод которой соединен с шиной Земля, а первичная обмотка трансформатора 6 соединена с выходом усилителя 13 мощности. Выходы измерительных преобразователей 15 и 16 соединены с входами преобразователей 18 и 19 напряжение-частота, выходы которых соединены с входами элементов И

20 и 21, вторые входы которых соединены с выходами блока 23 формирования временных интервалов. Выходы элементов И 20 и 21 соединены с входами элемента ИЛИ 22, выход которого соединен с входом усилителя 13. Второй вывод дросселя 7 соединен с входом выпрямителя 9. выход которого соединен с конденсатором 10 и стабилизатором 12 напряжения, выход которого соединен с конденсатором 11. Выход генератора 14 импульсов соединен с входом блока 23 формирования временных интервалов, которым является вход счетчика 24. Выходы счетчика 24 соединены с входами дешифратора 25. Первые два выхода дешифратора 25 соединены с входами элемента ИЛИ 26. Четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы дешифратора 25 соединены с входами элемента ИЛИ 27. Выход элементов ИЛИ 25 и 27 являются выходами блока 23 формирования временных интервалов.

Нулевая точка вторичной обмотки силового трансформатора 3 соединена через конденсатор 28 с вторичной обмоткой трансформатора 30 и далее, через конденсатор 29, разделительный трансформатор 31, полосовой фильтр 32 - с входом порогового элемента 33. Выход порогового элемента 33 соединен с входом третьего элемента И 38 и первым входом преобразователя 34 пачек импульсов в прямоугольные импульсы, второй вход которого соединен с выходом делителя 36 частоты, а выход соединен с входами формирователей 42 и 43 и входом четвертого элемента И 39 Выход генератора 35 соединен с входом делителя 36 частоты, второй выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И 39. Выход первого формирователя 42 соединен с установочными входами счетчиков 44 и 45 и входом триггера 37, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И 38. Выход элемента И 38 соединен со счетным входом пер( ого счетчика 44, выходы которого соединены с входами регистров 46 и 47. Выход четвертого элемента И 39 соединен со счетным входом второго счетчика 45, первый выход которого соединен с вторым входом триггера 37 и первым входом пятого элемента И 40. Второй выход второго счетчика 45 соединен с входом шестого элемента И 41, выход которого соединен с входом записи второго регистра 47, выход второго формирователя 43 соединен с вторыми входами шестого и пятого элементов И 41 и 40. Выход элемента И 40 соединен с входом записи регистра 46, выходы которого соединены с входами первого цифроаналогового преобразователя 48) Выходы второго регистра 47 соединены с входами второго цифроаналогового преобразователя 49, выход которого через масштабный усилитель 51 соединен с входом блока 52 индикации и входом блока 53 регулирования, выход первого цифроаналогового преобразователя 48 соединен через масштабный

усилитель 50 с вторыми входами блока 52 информации и блока 53 регулирований.

Устройство работает следующим образом.

5Измерительные преобразователи 15 и

16 преобразуют значения температуры и давления в пропорциональные значения напряжения постоянного тока, поступающие на входы преобразователей 18 и 19 на0 пряжение-частота. На выходе преобразователей 18 и 19 формируются импульсы, поступающие на входы элементов И 20 и 21. Частота следования импульсов определяется следующим выражением:

5

FX - FO + К UBX.

где - Fo начальная частота;

UBX - входное напряжение преобразователей 18 и 19;

0 К - коэффициент пропорциональности. На вторые входы элементов И 20 и 21 подаются стробирующие сигналы с выходов блока 23 формирования временных интервалов. Блок 23 формирования вре5 менных интервалов работает следующим образом.

Тактовые импульсы (ТИ) с выхода генератора 14 поступают на вход трехразрядного счетчика 24 импульсов. На выходах

0 счетчика 24 формируется двоичный код, который поступает на входы дешифратора 25, имеющего восемь выходов. При каждом поступлении на вход счетчика 24 восьми импульсов на входах дешифратора 25

5 последовательно появляется логическая единица. Время нахождения каждого выхода дешифратора 25 в состоянии логической единицы равно периоду повторения ТИ. Элемент ИЛИ 27 объединяет четвертый, пя0 тый, шестой и седьмой выходы дешифратора 25. Таким образом, на выходе элемента ИЛИ 26 логическая единица существует два периода ТИ, затем наступает пауза в один период ТИ, затем логическая едини5 ца появляется на выходе элемента ИЛИ 27 и существует четыре периода ТИ, затем пауза в течение восьмого периода ТИ и далее все повторяется. Логическая единица с выходов элементов ИЛИ 26 и 27 разреша

0 ет прохождение импульсов Fx через элементы И 20 и 21. В течение двух первых периодов ТИ импульсы FX с выхода преобразователя 18 поступают через элемент И 20, элемент ИЛИ 22 на вход усилителя 13 мощности.

5 Затем наступает пауза и импульсы F не проходят на вход усилителя 13. Далее в течение четырех периодов ТИ импульсы Fx уже с выхода преобразователя 19 через элемент И 21. элемент ИЛИ 22 поступает на вход усилителя 13 Затем формируется пауза и наступает новый цикл передачи информации.

Так обеспечивается временное разделение информации, которая передается на одном диапазоне частот для разных датчиков. Это позволяет выбрать оптимальный диапазон частот с точки зрения прохождения сигнала через линию связи и дальнейший путь его фильтрации на пункте приема.

Соотношение между длительностью сигнала и паузы в принципе может быть и другим, но соотношение между длительностями стробов с выходов элементов И 26 и 27 равное 1:2 является оптимальным с точки зрения простоты определения номера канала при обработке информации на пункте приема.

Информационный сигнал усиливается усилителем 13 мощности и через разделительный трансформатор 6, разделительные конденсаторы 5 и 4, через нулевую точку ПЭД 1 поступает в линию связи (силовой кабель 2). Сьем информации осуществляется через нулевую точку вторичной обмотки силового трансформатора 3 и далее через третий и четвертый разделительные конденсаторы 28 и 29 и разделительный трансформатор 31.

Нулевую точку также можно организовать искусственно с помощью трех конденсаторов, подключенных к фазам силового кабеля и соединенных между собой. Это устранит нежелательное влияние большой индуктивности силового трансформатора 3 на прохождение сигнала.

Напряжение питания снимается с вторичной обмотки трансформатора 30 и через третий разделительный конденсатор 28, нулевую точку силового трансформатора 3, силовой кабель 2, нулевую точку ПЭД 1 первый разделительный конденсатор 4, дроссель 7, поступает на выпрямитель 9 блока 8 питания. Второй шиной служит земля. Выпрямленное напряжение поступает на стабилизатор 12 и далее на питание скважинных блоков.

Параметры цепей питания и цепей прохождения информации выбираются из следующих соображений. Частота Рх должна быть намного больше промышленной частоты 50 Гц, например в 500 раз. Емкость конденсатора 28 должна быть намного больше емкости конденсатора 29, так как напряжение питания 50 Гц должно существенно ослабляться на конденсаторе 29 и достаточно свободно проходить через конденсатор 28. Сопротивление первичной обмотки трансформатора- 31 должно быть мало для частоты Fx. Аналогично должно

быть соотношение между емкостями конденсаторов 4 и 5. Дроссель 7 служит для того, чтобы информационный сигнал не закорачивался через блок 8 питания.

Разделительные трансформаторы 31 и 6 осуществляют гальваническую развязку между силовыми цепями и цепями обработки информации, а также ослабляют действие питающего напряжения 50 Гц на

0 информационные цепи.

С разделительного трансформатора 31 информационный сигнал через полосовой фильтр 32 поступает на пороговый элемент 33. На выходе порогового элемента 33 фор5 мируются пачки прямоугольных импульсов с частотой следования Fx. Временные диаграммы сигналов на выходе элемента 33 должны повторять картину сигналов на выходе элемента ИЛИ 22.

0 Импульсы Fx поступают на вход преобразователя 34 пачек импульсов в прямоугольные импульсы. На второй вход преобразователя 34 поступают тактовые импульсы с выхода делителя 36 частоты,

5 входными импульсами которого являются импульсы генератора 35. На выходе преобразователя 34 формируются прямоугольные импульсы, которые являются огибающими для входных пачек импульсов

0 с сохранением пауз между пачками. По началу каждого огибающего импульса формирователь 42 генерирует короткий импульс, который устанавливает в исходные состояния счетчики 44 и 45 и триггер

5 37. Исходное состояние счетчика 45 нулевое. В течение текущей пачки импульсов на вход элемента И 39 поступает разрешение и тактовые импульсы с второго .выхода делителя 36 частоты поступают на

0 счетный вход счетчика 45. Исходное состояние триггера 37 единичное и импульсы Fx через элемент И 38 поступают на счетный вход счетчика 44. Исходное состояние счетчика 44 в общем случае должно быть отлич5 но от нуля для вычитания начального значения F0. Для этого импульс с выхода формирователя 42 поступает на вход предварительной записи числа (установочный вход) и в счетчик 44 записывается парал0 лельный код (не показано). Значение этого кода выбирается из следующих соображений. Для того, чтобы значение Fx было намного больше 50 Гц, нужно увеличивать значение Fo, которое затем нужно вычесть,

5 чтобы получить большой динамический диапазон выходного сигнала (из соображений точности).

Допустим, что время преобразования частоты в код равно Т. тогда Т Fx -T(F0 + Швх}1 n есть значение кода. Для вычитания F0 необходимо, чтобы TF0 S N, где N - количество состояний счетчика 44. Поскольку это требование не всегда можно выполнить, то производится запись дополнительного числа No в счетчик 44 и выражение будет иметь вид TF0+ NO N, отсюда вычисляется значение No.

Знак больше или равно означает, что за время измерения всегда должно быть переполнение счетчика 44, даже если частота Fx окажется немного меньше частоты F0 (за счет нестабильности или неисправности датчика). Если значение F0 окажется очень большим, то счетчик 44 за время измерения может переполниться несколько раз.

Через время преобразования Т на первом выходе счетчика 45 появится единичный потенциал и триггер 37 переходит в нулевое (запрещающее) состояние. Б счетчике 44 к этому моменту сформировался код, пропорциональный измеряемому параметру.

После окончания выходного импульса преобразователя 34 на входе элемента И 39 появляется запрещающий потенциал, а формирователь 43 генерирует короткий выходной импульс, поступающий на входы элементов И 40 и 41. В счетчике 45 записан код, пропорциональный длительности импульса с выхода преобразователя 34 (длительности пачки импульсов с выхода элемента 33). Если измеряемый канал был первым (коротким), то единичный потенциал останется на первом выходе счетчика 45 и импульс с выхода формирователя 43 через элемент И 40 поступит на вход записи регистра 46, В результате этого код счетчика 44 перепишется в регистр 46. На выходе ЦАП 48 появится напряжение постоянного тока, пропорциональное коду или значению измеряемого параметра первого канала.

Если измеряемый канал был вторым (широким), то единичный потенциал переместится на второй выход счетчика 45 и импульс с выхода формирователя 43 через элемент И 41 поступит на вход записи регистра 47. Код счетчика 44 запишется в регистр 47. На выходе ЦАП 49 появится напряжение, пропорциональное коду или значению второго параметра.

Масштабные усилители 50 и 51 обеспечивают соответствие своих выходных напряжений значениям измеряемых параметров температуры и давления. Далее напряжения поступают на блок 52 индикации и блок 53 регулирования. Блок 52 индикации представляет собой вольтметр со шкалой в именованных единицах давления

и температуры и может быть как цифровым,; так и стрелочным.

Блок 53 регулирования функционирует следующим образом.

Напряжение с выхода масштабного усилителя 50 через шину 70 поступает на входы двух компараторов 58 и 59. На другие входы компараторов поступают пороговые напряжения (уставки) с потенциометров

0 54 и 55. Одна уставка называется нижней, другая верхней. Аналогично компараторы 60 и 61 связаны с выходом усилителя 51 и потенциометрами 56 и 57. При уменьшении давления на приеме насоса ниже

5 нижней уставки триггер 62 переходит в единичное состояние, которое через элемент ИЛИ 64 и усилитель 65 поступает на исполнительный механизм 66, в качестве которого может использоваться электромаг0 нитное реле. Реле срабатывает и включает питание погружного электродвигателя, но питание на скважинные блоки продолжает поступать.

Далее давление в скважине начинает

5 расти за счет притока нефти и в некоторый момент времени превысит верхнюю уставку. Тогда триггер 62 перейдет в нулевое состояние и если на другом входе элемента ИЛИ 64 также будет нулевое состояние, то

0 исполнительный механизм 66 включит ПЭД 1 в работу. Алгоритм управления по температуре будет противоположный за счет того, что сигнал с триггера 63 снимается с его инверсного выхода. Поэтому, если температу5 ра статорной обмотки ПЭД превысит верхнюю уставку, то триггер 63 перейдет в нулевое состояние, на вход элемента ИЛИ 54 поступит логическая единица и реле выключит ПЭД 1.

0Применение предлагаемого устройства

позволяет повысить отношение сигнал-шум из-за наличия одного диапазона частот для передачи информации, а также увеличить надежность работы.

5

Формула изобретения Устройство для контроля температуры погружного электродвигателя и давления на приеме насоса, содержащее измеритель0 ный преобразователь температуры, первый, второй элементы И, элемент ИЛИ, блок питания, первый генератор импульсов, соединенный кабелем с силовым трансформатором, погружной электродви5 гатель, второй генератор импульсов, триггер, третий, четвертый, пятый, шестой элементы И, блок индикации, питающий трансформатор, отличающееся тем, что. с целью расширения функциональных возможностей и повышения надежности контроля, оно

снабжено измерительным преобразователем давления, первым и вторым преобразователями напряжение-частота, блоком формирования временных интервалов, первым, вторым, третьим, четвертым разделительными конденсаторами, первым, вторым разделительными трансформаторами, дросселем, усилителем мощности, полосовым фильтром, пороговым элементом, делителем частоты, преобразователем пачек импульсов в прямоугольные импульсы, первыми и вторыми формирователями импульсов, регистрами, счетчиками импульсов, цифро- аналоговыми преобразователями, масштабными усилителями и блоком регулирования, причем вход блока питания соединен через дроссель с первыми выходами первого и второго разделительного конденсатора, вторые выводы которых соответственно подключены к нулевой точке погружного электродвигателя и вторичной обмотке первого разделительного трансформатора, первичная обмотка которого соединена с выходом усилителя мощности, выходы измерительных преобразователей температуры и давления подключены соответственно через первый и второй преобразователи напряжение-частота к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых соответственно соединены с первым и вторым выходами блока формирования временных интервалов, вход которого подключен к выходу первого генератора импульсов, первый вход элемента ИЛИ соединен с выходом первого элемента И, второй вход подключен к выходу второго элемента И, выход соединен с входом усилителя мощности, при этом первый выход третьего разделительного конденсатора соединен с нулевой точкой вторичной обмотки силового трансформатора, второй вывод подключен к вторичной обмотке питающего трансформатора и к первому выводу четвертого разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с первичной обмоткой

второго разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого через полосовой фильтр подключена к входу порогового элемента, выход которого соединен с перпым входом третьего элемента И и первым входом преобразователя пачек импульсов и прямоугольные импульсы, второй вход которого соединен с первым выходом делителя частоты, а выход соединен с входами

первого, второго формирователей импульсов и первым входом четвертого элемента И, выход второго генератора импульсов соединен с входом делителя частоты, второй выход которого соединен с вторым

входом четвертого-элемента И, выход первого формирователя импульсов соединен с установочными входами первого, второго счетчиков импульсов и входом триггера, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика импульсов, выходы которого соединены с входом первого и второго регистров, выход четвертого элемента И соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, первый выход

которого соединен с вторым входом триггера и первым входом пятого элемента И, второй выход второго счетчика импульсов соединен с первым входом шестого элемента И, выход которого соединен с входом записи второго регистра, выход второго формирователя импульсов соединен с вторым входом шестого элемента И и вторым входом пятого элемента И, выход которого соединен с входом записи первого регистра, выходы которого соединены с входом первого цифроаналогового преобразователя, выходы второго регистра соединены с входами второго цифроаналогового преобразователя, выход которого через масштабный усилитель соединен с первыми входами блока индикации и блока регулирования, выход первого цифроаналогового преобразователя соединен через масштабный усилитель с вторыми входами

блока индикации и блока регулирования.

70

65

66

Фиг. г

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности. Устр-во содержит измерительный преобразователь (П) 15 температуры, блок 8 питания, генератор 14 импульсов, элементы (Э) И 20 И 21, ЗИЛ И 22, погружной электродвигатель 1, соединенный кабелем 2 с силовым трансформатором (Т) 3, питающей Т 30, Э И 38 - 41, генератор 35 импульсов, триггер 37, блок 52 индикации, Для достижения цели устр-во имеет блок 23 формирования временных ин