Измеритель осевой нагрузки

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТ 1 ЧВжИХРЕСПУБЛИН ЗШ С 01 Ь 1/12 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ " ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро по погружному электрооборудованию длябурения скважин и добычи нефти Всесоюзного научно-производственногообъединения "Потенциал"(56) 1. Авторское свидетельство СССРУ 539229, кл. С 01 Ь 1/04, 1970,2. Авторское свидетельство СССР9 б 40151 кл. С О 1 Ь 1/12, 19775прототип).54)(57) ИЗМЕРИТЕЛЬ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ,содержащий возбуждающую систему, измеритель магнитной индукции и силопередающий элемент, выполненный из немагнитного материала, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения пределовизмерения, в него введены стабилизирован .ьй 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, блокцифровой индикации и вспомогательныйэлектромагнит, ось которого расположена вдоль действия нагрузки, а осиэлектромагнита возбуждающей системыи измерителя магнитной индукции расположены перпендикулярно оси действия нагрузки, причем обмотка возбуждающей системы подключена к стабилизированному источнику тока, обмоткавспомогательного электромагнита подключена к источнику регулируемоготока, обмотка измерителя магнитнойиндукции подключена к время-импульсному модулятору, выход которого соединен с входом регистра кода индукции, первый выход последнего черезанализатор регистра кода индукциисоединен с входами регистра пределов измерения, один из выходов которого подключен к источнику регулируемого тока, а другой - через блоктарировочных коэффициентов подклю,чен к одному из входов арифметического блока, связанного с блоком начального кода, при этом другой входарифметического блока соединен с вторым выходом регистра кода индукции, а выход арифметического блока соединен с блоком цифровой индикации.1125 481 1Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформаций, давлений, механическш 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 10 код 1.Эти устройства требуют сложную . схему преобразователя усилий, источник образцового усилия, имеют сложную конструкцию и поэтому не пригодны для использования в глубинном блоке для измерения нагрузки на долото при бурении скважин.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является изме ритель осевой нагрузки, в котором использован преобразователь механических усилий в электрический сигнал, содержащий силопередающий элемент, выполненный из немагнитного матери ала, измеритель индукции магнитного поля феррозондового типа и возбуждающую систему 1.2. Недостатками известного преобра 30 зователя являются ограниченные пре" делы измерения, аналоговая форма вы- . ходной информации, необходимость симметрирования магнитной системы для получения нулевого сигнала при отсутствии нагрузки, большое число эле- З 5 ментов конструкции. Симметрия магнит" ной системы нарушается в условиях ударных нагрузок, вибраций и большого перепада температур при бурении. Пределы измег ния преобразователя 4 б ограничены линейным участком преобра" зования магнитоупругого элемента.Цель изобретения - повышение точности и расширение пределов измеренияПоставленная цель достигается тем,ф 5 что в измеритель осевой нагрузки, со" держащий возбуждающую систему, измеритель магнитной индукции и силапере-, дающий 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 измерения, арифмети- ческий блок, блок тарирозочных коэффициентов, блок начального кода, блов цифровой индикации и вспомогательный электромагнит, ось которого расположена вдоль действия нагрузки, а осиэлектромагнита возбуждающей системы иизмерителя магнитной индукции - перпендикулярно оси действия нагрузки,причем обмотка возбуждающей системыподключена к стабилизированному источнику тока, обмотка вспомогательногоэлектромагнита - к источнику регулируемого тока, обмотка измерителя магнитйой индукции - к время-импульсномумодулятору, выход которого соединенс входом регистра кода индукции,первый выход .последнего через анали=затор регистра кода индукции соединен с входами регистра пределов измерения, один из выходов которогоподключен к источнику регулируемоготока, а другой - через блок тарировочных коэффициентов подключен к одному из входов арифметического блока,связанного с блоком начального кода,при этом другой вход арифметическогоблока соединен с вторым выходом регистра кода индукции, а выход арифметического блока - с блоком цифровойиндикации,В процессе углубления скважиныизменяются температурные условия работы первичного преобразователя, изменяются сопротивления обмоток электромагнитов и феррозонда, магнитнаяпроницаемость магнитопроводов, а изменения геометрических размеров элементов соизмеримы с величиной деформации упругого элемента от нагрузки.Чтобы исключить погрешности измерения, вызванные пер ечисленньпи фактоРами, предлагаемая схема измеренияпредусматривает в наземном пультеблок начального кода, в .который пери-.одически заносится цифровой код, имеюшнй место без нагрузки. При нагружении долота из текущих измерений вычитается величина этого кода и темсамым учитывается изменение нулевыхпараметров 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 инндукции, например феррозонда, ток возбуждения этого электромагнита ступенчато уменьшается, переводя систему11254 Регистр 7 представляет ный двоичный составленный3на нижний уровень индукции. Такимобразом, диапазон измерения зависиттеперь только от предела пройорциональности упругого тела в соответствии с его диаграммой нагружения.На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства,на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема регистра кода индикации, анализатора регистра индук Оции и регистра пределов измерения.Измеритель осевой нагрузки (фиг. 1)содержит силоперадающий элемент 1,который представляет собой полый ци"линдр из титана. Перпендикулярно осидействия нагрузки расположены сопряженные соосно электромагнит 2 возбуждающей системы и измеритель магнитной индукции, например дифференциальный феррозонд 3. Обмотка возбужденияферрозонда не показана. По оси действия нагрузки расположен вспомогательный электромагнит 4, Обмотка электромагнита 2, питается от стабильногоисточника 5 тока. Выходная обмотка 25феррозонда 3 соединена с входом время-импульсного модулятора 6. Выходвремя-импульсного модулятора соединенс входом регистра кода индукции 7,Регистр кода индукции соединен с входом арифметического блока 8, размещенного в наземном пульте. Выход арифметического блока соединен с входом блока цифровой индикации. К второму выходу арифметического блока подсоеди 35нен блок 10 начального кода, а его выход соединен с вторым входом арифметического блока. К третьему входуарифметического блока подсоединенблок 11 тарировочных коэффициентов,40содержимое которого заносится притарировке и не зависит от наличияили отсутствия энергии,Второй выход регистра 7 кода индукции соединен с входом анализатора4512 регистра кода индукции. Оба выхода анализатора соединены с входамирегистра 13 пределов измерения. Первый выход регистра 13 пределов измерения соединен с блоком 11 тариро 50вочных коэффициентов, а второй выход - с источником 14 регулированного тока, который соединен с обмоткойэлектромагнита. кода индукции (Фиг.2). 55 собой двенадцатиразрядсчетчик с емкостью 4095, из трех четырехразряд 81 4ных счетчиков 15-17. Четыре младшихразряда регистра соединены с четырьмя входами схемы 18 совпадения аналн"затора 12 регистра кода индукции.Остальные восемь старших разрядоврегистра соединены с входами схемы 19совпадений анализатора 12. Через инверторы 20 и 21 обе схемы совпаденийсоединены со счетными входами триггеров22 и 23. На 0-входы обоих триггеровчерез сопротивления от источника +5 Вподаны уровни логической единицы(лог. "1"), Нулевые выходы обоихтриггеров соединены с входами схемы24 совпадений, а единичные выходытриггеров - с входами схемы 25 совпадений. На третьи входы схем 24 и 25поступают. стробирующие импульсы извремя-импульсного модулятора 6. Вы-ходы схем 24 и 25 через инверторы 26и 27 соединены с суммирующим и вычитающим входами регистра 13 пределов измерений, представляющего собой двоичный реверсивный четырехразрядный счетчик 28. Его емкость позво.ляет получить шестнадцать диапазонов измерений. Входы триггеров 22и 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 оптимальный зазор, а ток возбуждения электромагнита 2 выбран таким, чтобы выходнойсигнал феррозонда был близок к максимальному. Это сделано для того,чтобы свести к минимуму влияние переменных магнитных полей, имеющихместо при электробурении.1 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 Ь, и в результате в регистре 7 кода индукции записываемое в каждом цикле ,число импульсов уменьшается. В арифметическом блоке 8 тарировочный коэффициент делится на число импульсов из регистра 7 кода индукции. Чем это число меньше, тем частное от де1125481 3ления 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 регист" ра кода индукции, регистр 13 предела измерения, источник 14 регулированного тока и электромагнит 4. Рабо О та циФровой схемы основана на определении анализатором 12 регистра кода индукции верхней или нижней границы текущего предела измерения.В каждом цикле измерения из времяимпульсного модулятора б в регистр 7 кода индукции поступает серия импульсов, число которых зависит от величины индукции.В каждом цикле измерения при за О полнении регистра кода индукции наступает момент, когда на всех выходах счетчика 15 устанавливаются уровни лог. "1". Срабатывает схема 18 совпадений анализатора 12 регистра кода ин - 25 дукции, и на выходе инвертора 20 устанавливается уровень лог. "1". Триггер 22 становится в единичное состояние, т.е. на его единичном выходе находится уровень лог."1".ЗОПри малых значениях индукции, близких к нижней границе диапазона, триггер 22 анализатора 12 регистра кода индукции останется в нулевом состоя-" нии35При больших значениях индукции, гблизких к верхней . границе диапазона, может наступать момент, когда на всех восьми выходах старших разрядов регистра 7 кода индукции установится уровень лог. " 1", Срабатывает схема 19 совпадения. На выходе игГвертора 21 устанавливается уровень лог. " 1", и триггер 23 становится в единичное состояние. Это бы-, вает, когда в регистр записывается число 4080 или более, Тогда оба тригге" ра будут в единичном состоянии.При рабочих значениях индукции (средняя часть диапазона) триггер 22 становится в единичное состояние, а триггер 23 остается в нулевом состоянии. По окончании счета приходит стробирующий импульс на входы схем 24 и 25совпадения и анализируется состояниетриггеров 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 входсчетчика 28 регистра 13 диапазонаи 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 строб .рующий импульс, а схема 25 - пропускает.Стробирующий иггпульс через инвертор27 поступает на суммирующих входсчетчика 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, гл 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 возвращаются 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, расщиригь пределы измерения, что создает возможность более точно регулировать осевую нагрузку и точнее выдерживать режим бурения.,