Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Преобразователи неэлектрических величин в электрические пред­ставляют собой большую группу преобразователей, применяемых при электрических измерениях неэлектрических величин. Преобразовате­

ли делят на две группы: параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

В параметрических преобразователях измеряемая величина вызы­вает изменение одного из параметров элемента электрической цепи: сопротивления, индуктивности или емкости. К этим преобразовате­лям относят реостатные, термисторные, тензометрические, индуктив­ные, емкостные преобразователи, фотосопротивления.

В генераторных преобразователях измеряемая неэлектрическая ве­личина преобразуется в ЭДС. Наиболее распространены индукцион­ные, термоэлектрические (термопары), пьезоэлектрические, гальвани­ческие преобразователи.

В буровой контрольно-измерительной аппаратуре широко исполь­зуют индуктивные и индукционные преобразователи. Часто преобра­зователи называют датчиками. Преобразователь же является частью, основным элементом датчика.

Датчиком называют устройство, предназначенное для функцио­нального преобразования поступающей на его вход информации в ви­де физической величины в другую физическую величину на выходе, удобную для использования, передачи или воздействия на последую­щие звенья.

Абсолютное большинство контролируемых величин при сооруже­нии скважин имеют неэлектрическую природу — это сила, давление, расход, крутящий момент, перемещение, линейная скорость, угол, температура и т. д.

По виду контролируемой неэлектрической величины различают дат­чики механических, тепловых и оптических величин и др.

По «связи» с измеряемой физической величиной датчики подразделя­ют на контактные и бесконтактные. В буровой контрольно-измери­тельной аппаратуре используются в основном контактные датчики.

1 ф Датчик I р, II III Рис. 14.3. Структурная схема датчика

Датчики для измерения неэлектри­ческой величины в общем случае могут содержать три звена: первичный I (пред­варительный), основной (измеритель­ный) II и выходной III преобразовате­ли (рис. 14.3).

Первичный преобразователь преоб­разует контролируемый входной пара­метр X (крутящий момент, расход жидкости и т. д.) чаще всего в пере­мещение (линейное / или угловое ср), силу Р или давление р. Входными параметрами могут быть и /, ф, р, например, входной параметр — давление р преобразуется в силу Р (Т7 = /?£).

Преобразование перемещения, силы или давления в электриче­скую величину осуществляется основным (измерительным) преобра­зователем.

Выходной преобразователь датчика выполняет функции согласова­ния выходных параметров основного преобразователя с измеритель­ной цепью.

Все три звена, конструктивно оформленные, связанные с объек­том контроля и измерительной цепью, образуют датчик.

По виду выходного сигнала первичного преобразователя датчики часто называют в общем случае датчиками перемещения, силы, дав­ления. И эти же датчики в зависимости от их конкретного функцио­нального назначения (от измеряемой величины X) получают назва­ние, определяемое их функциональным назначением: датчики углубки, осевой нагрузки, уровня и т. д. Часто в названиях датчиков БКИА со­вмещаются принципы работы первичного и вторичного преобразова­телей, измерительной схемы, вид выходного сигнала датчика и функ­циональное его назначение. Например, индуктивный датчик расхода промывочной жидкости постоянного перепада давления (РС-ТПУ), импульсный тахометрический датчик расхода жидкости. И это несет полезную поясняющую информацию.

Основные типы датчиков буровой контрольно-измерительной

аппаратуры

С помощью БКИА измеряют и контролируют многие физические величины: силу, давление (импульсы давления), перемещение, расход жидкости и сжатого воздуха, частоту оборотов вала, крутящий мо­мент, уровень жидкости, угол, температуру. Контролируемая величи­на может предварительно преобразовываться в одну из выше назван­ных, например, давление в силу.

При разработке БКИА важным моментом является выбор датчи­ка, анализ всех возможных преобразований интересующего параметра в полезные сигналы и распределение их в элементах буровой установ­ки в виде реакций на силовую загрузку при бурении и СПО.

В БКИА используют и параметрические (пассивные) и генератор­ные (активные) датчики.

Индуктивные датчики входят в состав простейших схем индуктив­ных преобразователей (рис. 14.4).

При использовании индуктивных датчиков измеряемая величина (параметр) преобразуется в перемещение / сердечника (якоря, плас­тинки) и затем уже воздействует на вторичный преобразователь, из­меняя сопротивление магнитной цепи Им путем изменения зазоров 5 (или рабочей площади зазоров) в магнитопроводе, введением ферро­магнитных материалов в индуктивную катушку. Таким образом, ин­дуктивные преобразователи служат для преобразования перемещения / в изменение индуктивности Ь катушки. Индуктивные датчики рабо­тают на переменном токе, катушка является элементом электрической измерительной схемы.

Индуктивный преобразователь (см. рис. 14.4, в) представляет собой магнитную цепь, состоящую из магнитного сердечника 1, томиате — ля 2 и катушки 3 (IV,) с магнитопроводом 4, подвижной ферромаг­нитной пластинки (сердечника) 5 и воздушных зазоров 5.

П X2

|р

а

б

Рис. 14.4. Элементы и схема индуктивного преобразователя: а — односекционная катушка; 6— двухсекционная катушка; « — принципиальная схема индуктив­ного преобразователя; / — подвижный ферромагнитный сердечник; 2 — неферромагнитный стержень; 3 — катушка (обмотка ); 4 — магнитопровод; 5 — подвижная ферромагнитная пластина (сердечник)

Ток / в нагрузке Zн определяется полным сопротивлением Z катушки IV,:

(14.7)

г = № + (х1-хс),

где Ла —активное (омическое) сопротивление катушки, оно постоянно; Х1 = соЬ — индуктивное сопротивление; ю — круговая частота питаю­щего напряжения; Ь — индуктивность катушки; Хс = —— емкостное

соС

сопротивление мало.

С допустимой погрешностью можно считать, что Z=/(L), а также /=/(£)•

Индуктивность катушки Ь может изменяться в результате изме­нения магнитного сопротивления цепи Яи, главным составляющим которого является магнитное сопротивление Я& воздушных зазоров.

Принцип работы индуктивных датчиков можно условно предста­вить в виде цепи преобразований:

где /—перемещение; 5 —зазор; Ям — магнитное сопротивление цепи; Ф — магнитный поток; Ь — индуктивность; Х1 — индуктивное сопро­тивление; Z—полное сопротивление катушки; /—ток.

Для индуктивных датчиков распространена дифференциальная схема включения двух катушек индуктивности (рис. 14.5, а). Статическая характеристика датчиков в этом случае линейная и реверсивная. В БКИА используют главным образом дифференциально-мостовую (см. рис. 14.5, б) и дифференциально-трансформаторную мостовую (см. рис. 14.5, в) схемы включения индуктивных датчиков.

Индуктивные датчики просты по конструкции и надежны в ра­боте, что важно для буровой контрольно-измерительной аппаратуры. Они предназначены для преобразования линейного или углового пере-

Рис. 14.5. Схемы включения индуктивных датчиков

мещения в изменение взаимной индукции между двумя или несколь­кими катушками. К индукционным датчикам относят тахогенерато — ры, используемые для измерения скорости вращения вала.

Рис. 14.6. Принципиаль ная схема индукционно го преобразователя

На рис. 14.6 приведена принципиальная схема индукционного преобразователя с двумя катушками. На магнитопроводе 1 расположены две катушки 2 (Ж,), 3 (¥г) и ферромагнитный сердечник. К первичной обмотке IV, подводит­ся напряжение переменного тока.

При изменении магнитного сопротивления цепи Ян, например при изменении зазора 5, из­менится и взаимоиндукция М между катушками:

IV, IV,

’ (14.8)

М =

Я.

следовательно, изменится и напряжение во вто­ричной обмотке ]¥2 — напряжение датчика 11я, т. е. £/д=/(5).

В индукционных датчиках, собранных по дифференциально-транс — форматорной схеме (рис. 14.7) и имеющих общую магнитную цепь для обмоток, измерительные обмотки Жи, и 1¥и2 включаются после­довательно и встречно, поэтому при нейтральном положении сердеч­ника С или якоря Я (измеряемый параметр равен нулю) выходной сигнал датчика 0К = 0. При смещении сердечника (или якоря) от ней­трали баланс магнитных потоков в измерительных обмотках наруша­ется, что приводит к уменьшению напряжения на выходе одной изме­рительной обмотки и увеличению напряжения на выходе второй изме­рительной обмотки. Алгебраическая их сумма, и есть напряжение ию пропорциональное смещению сердечника (или углу поворота якоря).

Схема 6 (см. рис. 14.7) является разновидностью схемы а, исполь­зуется при вращательном движении якоря и разработке тахометров, а при преобразовании линейного перемещения в угловое может быть использована и для измерителя линейных скоростей, например из­мерителя механической скорости бурения (схема в).

а о в Рис. 14.7. Схемы включения индукционных датчиков

Ща W, i

Тахогенераторами называют электрические микромашины, предна­значенные для преобразования скорости вращения вала в электриче­ский сигнал. Тахогенераторы и электрические микродвигатели, работаю­щие в режиме генератора, широко применяют в виде датчиков в бу­ровой контрольно-измерительной аппаратуре.

В состав таких датчиков часто входят преобразователи линейного перемещения во вращательное и ускоряющие редукторы.

Основное требование к тахогенераторам — требование линейности выходной характеристики:

ит-кп, (14.9)

где 11т — выходное напряжение тахогенератора; п — скорость вращения. Величину

к= 11г/п (14.10)

называют крутизной выходной характеристики. Крутизна характерне-

/мВ

тики тахогенераторов находится в пределах (3—100) ■

Тахогенераторы по роду тока подразде — т

+ *-

ляют на тахогенераторы переменного (асин­хронные, синхронные) и постоянного тока.

ив

В практике получили распространение тахо­генераторы асинхронные и постоянного тока.

Рис. 14.8. Схема тахогенера­тора постоянного тока с не­зависимым возбуждением

Асинхронные тахогенераторы по устрой­ству ротора подразделяют на тахогенераторы с полым немагнитным ротором (как и асин­хронные двигатели с полым ротором) и ко­роткозамкнутой обмоткой ротора. Тахогене­раторы постоянного тока — на тахогенераторы с постоянными магни­тами и с электромагнитным возбуждением (рис. 14.8).

Максимальные частоты вращения тахогенераторов постоянного тока лежат в пределах 1000—7000 об/мин.

Магнитоупругие датчики (изменяется магнитная проницаемость ц магнитопровода датчика) работают по принципу, представленному следующей цепью преобразований:

РТ -> цТ ФТ -> ГГ -» ZT -» иТ,

где сила сжатия; ц — магнитная проницаемость; и — напряжение.

При использовании магнитоупругих датчиков измеряемая величи­на (давление, крутящий момент, сила /") преобразуется в пропорцио­нальную измеряемой величине силу /, приложенную к магнитопро — воду датчика, и под действием этой силы изменяется магнитная прони­цаемость ц магнитопровода.

На рис. 14.9 приведены схемы включения магнитоупругих датчи­ков. На схеме а в датчике катушки попарно выполнены идентичны­ми. Усилие Р прикладывается к магнитопроводу одной пары катушек, изменяя его магнитную проницаемость. Вторичные измерительные обмотки и 1¥и2 соединены последовательно и встречно, поэтому при Р= 0 иа = 1/и1 — 11к2 = 0. При приложении усилия Р напряжение 0В перераспределяется (в силу изменения полного сопротивления Z ка­тушки, к магнитопроводу которой прикладывается сила Р) между пер­вичными обмотками, соответственно изменяются и напряжения на вторичных измерительных обмотках, разность этих напряжений и есть иа, пропорциональное усилию /г, т. е. и измеряемой величине.

В датчике по схеме б (см. рис. 14.9) при Р= 0 нет потокосцепле — ния между обмоткой возбуждения ¥я и измерительной и иа = 0. При приложении усилия Р магнитное поле деформируется, при этом пересекает витки измерительной обмотки, напряжение в которой С/д будет пропорционально усилию Р.

Датчик по схеме в (см. рис. 14.9) предназначен для бесконтакт­ного контроля передаваемого валом крутящего момента — ил=/(Мкр), включает ряд обмоток возбуждения Щ — Щ и измерительных У4 — соединенных последовательно и согласно. Вал является частью магни­топровода, изготовлен из специальной стали. При Л/кр = 0 нет потоко — сцепления между обмотками возбуждения и измерительными. При пе-

Рис. 14.9. Схемы включения магнитоупругих датчиков: а — с попарными катушками; б— без потокосиепления катушек; в —с последовательным и согласным включением обмоток

а

б

Рис. 14.10. Электрические схемы включения переменного резистора: а —схема включения как реостата; 6— схема включения как делителя напряжения (потенциометра)

редаче крутящего момента магнитное поле деформируется, при этом пересекает витки измерительных обмоток, и сигнал датчика (7Д будет пропорционален передаваемому крутящему моменту.

Потенциометрические преобразователи (потенциометры) — это пере­менные электрические резисторы, величина которых зависит от по­ложения токосъемного контакта. На рис. 14.10, а переменный резистор Я1 включен как реостат: Я=/(х), а на рис. 14.10, 6—вклю­чен как делитель напряжения — 11~/(х), где Л —выходное сопротив­ление; и — выходное напряжение потенциометра; х — перемещение щетки (линейное или угловое), которое может быть использовано при разработке измерителей.

Импульсные преобразователи имеют датчики с частотным выходом и с дискретными сигналами. Точность измерений при использовании таких датчиков намного выше.

Рассмотренные выше датчики относят к датчикам с аналоговым выходным сигналом.

б

Датчики БКИА с импульсным выходным сигналом часто строятся с использованием магнитоуправляемых герметизированных контактов (герконов ГК) (рис. 14.11).

Л

Р датчиков ЬКИА с использованием гер-

ГК

конов:

а — принципиальная схема получения им­пульсного сигнала; б — схема тахометриче-

ского датчика скважинного расходомера

Измеряемый параметр (расход О, частота вращения п и др.) пре­образуется в частоту (или количество) импульсов. Герконы могут быть применены для счета числа ходов поршней насоса (счетчики количе­ства расхода жидкости), определения уровня жидкости (в основе дат­чика ряд герконов по высоте и поплавок с пластинкой постоянного магнита), определения углубки и скорости углубки, высоты подъема элеватора и др. Конструкция датчика в зависимости от характера отно­сительного перемещения элементов, являющихся точками съема сигна­ла, может строиться с использованием следующих сочетаний: один гер­кон — одна пластина постоянного магнита, ряд герконов — одна плас­тинка, один геркон — ряд пластинок.

Комментарии запрещены.