Патент на изобретение №2272996

(54) УСТРОЙСТВО ПОГРУЖНОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике дистанционного измерения, в частности для контроля состояния погружных электронасосов. Технический результат – повышение точности измерения и расширение диапазона области применимости. Для достижения данного результата датчик давления и датчик температуры выполнены в виде трехполюсников. К второму выводу полупроводникового диода подключен вход токового делителя. Первый выход которого присоединен к входу источника питания, первым выходом соединенного с первым входом питания коммутатора. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

Известно устройство погружной телеметрии, входящее 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]. Устройство погружной телеметрии 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 точность измерения устройства погружной телеметрии обусловлена применением активных элементов (транзисторов и микросхем), параметры которых в значительной степени зависят от температуры окружающей среды. Схемная реализация устройства не позволяет компенсировать зависимость результатов измерения от температуры. Кроме того, питание устройства погружной телеметрии осуществляется от отпайки обмотки электродвигателя и при выключенном электродвигателе устройство не работоспособно.

Наиболее близким техническим решением является датчик термоманометрический [Патент 29999 RU, МПК G 01 D 3/00, приоритет от 16.12.02 г.] Датчик термоманометрический содержит LC-фильтр, состоящий из конденсатора и дросселя, датчик давления, включающий измерительный преобразователь давления, датчик температуры, полупроводниковый диод, электромагнитное реле и пороговый элемент, варистор, первый вывод которого присоединен к первому выводу дросселя, а второй вывод – к общему проводу, причем обмотки дросселя и электромагнитного реле представляют собой датчик температуры.

Недостатком датчика термоманометрического является недостаточная точность измерения, обусловленная влиянием температурной нестабильности следующих элементов: диода, дросселя, электромагнитного реле и линии связи, подключенных последовательно к входу датчика. Кроме того, число измеряемых параметров (два) ограничено.

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

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве погружной телеметрии, содержащем LC-фильтр, полупроводниковый диод, датчик давления, датчик температуры, причем дроссель LC-фильтра первым выводом подключен к входу устройства, а вторым выводом – к первому выводу полупроводникового диода, датчик давления и датчик температуры выполнены в виде трехполюсников, к второму выводу полупроводникового диода подключен вход токового делителя, первый выход которого присоединен к входу источника питания, первым выходом соединенного с первым входом питания коммутатора, вторым выходом – к общему проводу и к второму входу питания коммутатора, третьим выходом – к первому выводу каждого датчика и к первому аналоговому входу коммутатора, четвертым выходом – к второму выводу каждого датчика и к второму аналоговому входу коммутатора, третьи выводы датчика давления и датчика температуры соединены с третьим и четвертым аналоговыми входами коммутатора соответственно, выход коммутатора подключен к первому выводу резистора, присоединенного вторым выводом к второму выходу токового делителя.

В устройстве погружной телеметрии LC-фильтр может быть выполнен многозвенным.

Устройство погружной телеметрии может содержать варистор, первый вывод которого присоединен ко второму выводу дросселя первого звена LC-фильтра, а второй вывод – к общему проводу.

Устройство погружной телеметрии может содержать N датчиков, подключенных первыми выводами к третьему выходу источника питания и к первому аналоговому входу коммутатора, вторыми выводами – к второму выходу источника питания и к второму аналоговому входу коммутатора, третьи выводы N датчиков соединены с соответствующими N аналоговыми входами коммутатора, причем N>2.

Устройство погружной телеметрии является составной частью системы телеметрии, содержащей также наземный блок телеметрии (устройство измерения и регистрации). Устройство погружной телеметрии присоединено к устройству измерения и регистрации через жилы погружного кабеля и подключается к общей точке статорной обмотки погружного электродвигателя, соединенной в звезду.

Устройство погружной телеметрии представляет собой двухполюсник и подключается первым выводом (входом-выходом) к общей точке статорной обмотки погружного электродвигателя, а вторым выводом (общим проводом) – к заземленной броне погружного кабеля.

Предложенное устройство погружной телеметрии обеспечивает получение сигнала с любого из N датчиков, например, с датчика давления, величина которого определяется из соотношения:

где U₁=U_оп1 – напряжение на первом выводе датчика, равное опорному напряжению U_оп1 на третьем выходе источника питания;

U₂=U_оп2 – напряжение на втором выводе датчика, равное опорному напряжению U_оп2 на четвертом выходе источника питания;

U₃ – напряжение на третьем выводе датчика;

Р – текущее значение давления;

Р_max – максимальное значение давления, измеряемое датчиком давления.

При последовательном срабатывании коммутатора обеспечивается подключение к выходу (входу) устройства погружной телеметрии каждого из N датчиков, имеющих напряжения на выводах: на первом выводе датчика U₁, на втором выводе датчика U₂ и на третьем выводе датчика U₃, при этом на входе устройства погружной телеметрии формируются напряжения:

где U₁, U₂, U₃ – напряжения на первом, втором и третьем выводах датчика соответственно;

U – падение напряжения, неизменное за время измерения, зависящее от температуры (переменная погрешность), на включенных последовательно с датчиком элементах схемы: коммутаторе, резисторе, токовом делителе, диоде, дросселях LC-фильтра, жилах погружного кабеля.

Напряжения (2) измеряются устройством измерения и регистрации и преобразуются в следующее соотношение:

Как видно из соотношения (3), результат измерения сигнала с любого из N датчиков не зависит от температуры.

Таким образом, обеспечение возможности подключения с помощью коммутатора к выходу устройства напряжений с выходов датчиков, а также опорных напряжений источника напряжения, позволяет исключить зависимость результатов измерения как от температуры, так и от опорных напряжений, и тем самым повысить точность измерения.

Расширение функциональных возможностей устройства достигается за счет обеспечения возможности измерения любого количества (N) параметров путем подключения любого (N) количества датчиков. Количество подключаемых датчиков ограничено только временем опроса датчиков и допустимым током на входе устройства.

На фиг.1 приведена схема электрическая устройства погружной телеметрии.

На фиг.2 приведена временная диаграмма напряжений на выходе (входе) устройства погружной телеметрии.

Устройство погружной телеметрии содержит (см. фиг.1) двухзвенный Г-образный LC-фильтр 1, первое звено которого состоит из дросселя 2 и конденсатора 3, а второе – из дросселя 4 и конденсатора 5. Дроссель 2 первым выводом подключен к входу (выходу) устройства, вторым выводом – к первому выводу дросселя 4 и к первому выводу варистора 6, присоединенного вторым выводом к общему проводу. Дроссель 4 вторым выводом подсоединен к первому выводу полупроводникового диода 7, к второму выводу которого подключен вход токового делителя 8. Первый выход токового делителя 8 присоединен к входу источника питания 9, первый выход которого соединен с первым входом питания коммутатора 10 “Вход пит.1”, второй выход – с общим проводом и с вторым входом питания коммутатора 10 “Вход пит.2”. Третий выход источника питания 9 соединен с первыми выводами датчика давления 11, датчика температуры 12 и с аналоговым входом “N+1” коммутатора 10, четвертый выход – с вторыми выводами датчиков 11, 12 и с аналоговым входом “N+2” коммутатора 10. Датчик давления 11 и датчик температуры 12 выполнены в виде трехполюсников. Третьи выводы датчика давления 11 и датчика температуры 12 соединены с аналоговыми входами “1” и “2” коммутатора 10 соответственно, выход которого подключен к первому выводу резистора 13, присоединенного вторым выводом к второму выходу токового делителя 8.

Устройство может содержать более двух датчиков, например N, подключенных первыми выводами к третьему выходу источника питания и к аналоговому входу “N+1” коммутатора 10, вторыми выводами – к четвертому выходу источника питания и к аналоговому входу “N+2” коммутатора 10, третьи выводы N датчиков соединены с соответствующими аналоговыми входами коммутатора 10, где N>2. N-й датчик 14 третьим выводом соединен с аналоговым входом “N” коммутатора 10. Вход “N+3” коммутатора 10 соединен с общим проводом.

Коммутатор 10 представляет собой аналоговый мультиплексор и содержит генератор 15, счетчик 16, аналоговый многоканальный коммутатор 17, усилитель 18. Коммутатор 10 может быть выполнен либо на дискретных элементах либо на основе любых известных интегральных микросхем. Питание всех элементов коммутатора 10 осуществляется с “Входа пит.1” и “Входа пит.2”, соединенных с выходами 1 и 2 источника питания 9 соответственно.

Датчик давления 11 содержит резистивный измерительный преобразователь 19. Датчик температуры 12 представляет собой резистивный делитель, образованный термочувствительным резистором 20 и резистором 21. N-й датчик (датчик температуры 14) также представляет собой резистивный делитель, содержащий термочувствительный резистор 22 и резистор 23. Средняя точка резистивного измерительного преобразователя 19 датчика давления 11 и средние точки делителей датчика температуры 12 и датчика температуры 14 являются третьими выводами датчиков. Количество датчиков может быть любым от 1 до N.

Двухзвенный LC-фильтр 1 и варистор 6 предназначены для защиты устройства от перенапряжений, возникающих при однофазном коротком замыкании статорной обмотки на корпус электродвигателя, а также при испытаниях погружного электродвигателя и погружного кабеля мегомметром. Полупроводниковый диод 7 предназначен для подачи на устройство только тока положительной полярности. Токовый делитель 8 разделяет входной ток на ток, протекающий через источник питания 9, и на ток, протекающий через резистор 13. Напряжение на выходе (входе) устройства погружной телеметрии зависит от напряжения, приложенного к первому выводу резистора 13, связанному с выходом коммутатора 10. Источник питания 9 предназначен для формирования питающих напряжений U_пит1 и U_пит2 коммутатора 10 и опорных напряжений U_оп1 и U_оп2 для питания датчиков 11, 12 и 14. Коммутатор 10 предназначен для последовательного (во времени) подключения третьего вывода каждого из датчиков 11, 12, 14, выводов 3 и 4 источника питания 9 к входу устройства, а также для формирования синхроимпульса (U_стр) за счет подключения входа устройства через аналоговый вход N+3 коммутатора 10 к общему проводу. В качестве датчика давления может быть применен любой серийно выпускаемый датчик давления, имеющий измерительный преобразователь давления в виде переменного резистора. В качестве датчиков температуры могут быть использованы терморезисторы.

Устройство измерения и регистрации формирует ток положительной (для измерения параметров датчиков устройства погружной телеметрии) или отрицательной полярности (для измерения сопротивления изоляции статорной обмотки погружного электродвигателя).

В течение времени t_и1-t_и2 (фиг.2) устройством измерения и регистрации формируется стабилизированный ток I_о, протекающий по жилам погружного кабеля и через устройство погружной телеметрии на общий провод, при этом на входе устройства измерения и регистрации формируется напряжение положительной полярности, амплитуда которого зависит от напряжения на третьем выводе датчика, подключенного в данный момент к выходу коммутатора.

Стабилизированный ток положительной полярности протекает по цепи: погружной кабель – дроссели 2 и 4 LC-фильтра 1 – полупроводниковый диод 7 – вход и второй выход токового делителя 8 – резистор 13 – выход коммутатора 10 – общий провод.

В течение времени t₀-t₁ напряжение с третьего выхода датчика давления 11 подается на первый аналоговый вход аналогового многоканального коммутатора 17 и через него на вход усилителя 18, выход которого является выходом коммутатора 10, присоединенного к первому выводу резистора 13. На входе устройства измерения и регистрации создается падение напряжения U₁, пропорциональное измеряемому давлению, например, внутри полости погружного электродвигателя.

В течение времени t₁-t₂ аналоговый многоканальный коммутатор 17 коммутирует напряжение с третьего выхода датчика температуры 12 на вход усилителя 18, выходом присоединенного к первому выводу резистора 13. На входе устройства измерения и регистрации создается падение напряжения U₂, пропорциональное измеряемой датчиком 12 температуре.

Аналогично в течение времени t_n-1-t_n аналоговый многоканальный коммутатор 17 коммутирует напряжение с третьего выхода N-ного датчика температуры 14 на вход усилителя 18, выходом присоединенного к первому выводу резистора 13. На входе устройства измерения и регистрации создается падение напряжения U_n, пропорциональное измеряемой датчиком 14 температуре.

В течение времени t_n-t_n+1 аналоговый многоканальный коммутатор 17 коммутирует напряжение с третьего выхода источника питания 9 на вход усилителя 18, выходом присоединенного к первому выводу резистора 13. На входе устройства измерения и регистрации создается падение напряжения, пропорциональное опорному напряжению U_оп1 источника питания 9.

В течение времени t_n+1-t_n+2 аналоговый многоканальный коммутатор 17 коммутирует напряжение с четвертого выхода источника питания 9 на вход усилителя 18, выходом присоединенного к первому выводу резистора 13. На входе устройства измерения и регистрации создается падение напряжения, пропорциональное опорному напряжению U_оп2 источника питания 9.

В течение времени t_n+2-t_n+3 аналоговый многоканальный коммутатор 17 коммутирует общий провод на вход усилителя 18, выходом присоединенного к первому выводу резистора 13. На входе устройства измерения и регистрации создается падение напряжения, которое является напряжением строба U_стр.

Таким образом, на выходе (входе) устройства погружной телеметрии последовательно во времени формируются напряжения, пропорциональные текущим значениям параметров, измеряемым датчиками (давления, температуры), и опорным напряжениям U_оп1 и U_оп2.

При работе устройства погружной телеметрии достигается возможность функционирования как при включенном, так и при отключенном погружном электродвигателе.

Заявляемое техническое решение устройства погружной телеметрии может быть изготовлено в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования и технологий.

Устройство погружной телеметрии позволяет повысить точность измерения путем исключения температурной зависимости параметров элементов устройства и расширить функциональные возможности за счет увеличения количества и номенклатуры подключаемых датчиков.

Формула изобретения

1. Устройство погружной телеметрии, содержащее LC фильтр, полупроводниковый диод, датчик давления, датчик температуры, причем дроссель LC фильтра первым выводом подключен к входу устройства, а вторым выводом – к первому выводу полупроводникового диода, отличающееся тем, что датчик давления и датчик температуры выполнены в виде трехполюсников, к второму выводу полупроводникового диода подключен вход токового делителя, первый выход которого присоединен к входу источника питания, первым выходом соединенного с первым входом питания коммутатора, вторым выходом – к общему проводу и к второму входу питания коммутатора, третьим выходом – к первому выводу каждого датчика и к первому аналоговому входу коммутатора, четвертым выходом – к второму выводу каждого датчика и к второму аналоговому входу коммутатора, третьи выводы датчика давления и датчика температуры соединены с третьим и четвертым аналоговыми входами коммутатора соответственно, выход коммутатора подключен к первому выводу резистора, присоединенного вторым выводом к второму выходу токового делителя.

2. Устройство погружной телеметрии по п.1, отличающееся тем, что LC-фильтр выполнен многозвенным.

3. Устройство погружной телеметрии по п.2, отличающееся тем, что оно содержит варистор, первый вывод которого присоединен ко второму выводу дросселя первого звена LC-фильтра, а второй вывод – к общему проводу.

4. Устройство погружной телеметрии по п.1, отличающееся тем, что оно содержит N датчиков, подключенных первыми выводами к третьему выходу источника питания и к первому аналоговому входу коммутатора, вторыми выводами – к второму выходу источника питания и к второму аналоговому входу коммутатора, третьи выводы N датчиков соединены с соответствующими N аналоговыми входами коммутатора, причем N>2.

РИСУНКИ