Тензорезисторный датчик усилия для динамометрирования скважинных штанговых насосов

 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и предназначено для использования при измерении усилия, приложенного к полированному штоку штанговой глубиннонасосной установки. Датчик содержит корпус, три упругих элемента с тензорезисторами, выполненных в виде цилиндрических стержней со сферическими торцами и расположенных в направляющих колодцах корпуса по окружности через углы 120^o. На боковой поверхности каждого упругого элемента попарно на противоположных сторонах установлены два нагрузочных и два компенсационных тензорезистора. Все тензорезистры соединены в мостовую схему, обеспечивающую суммирование нагрузки всех трех упругих элементов. Конструкция датчика обеспечивает высокую чувствительность измерения усилия и независимость результатов измерения от неплоскостности опорных поверхностей. 3 ил.

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения усилия, приложенного к полированному штоку штанговой глубиннонасосной установки.

Известно устройство для диагностики состояния эксплуатационных скважин, содержащее датчик усилия, жестко укрепленный концами на полированном штоке станка-качалки скважинного штангового насоса [1]. При этом датчик усилия выполнен в виде жесткой удлиненной пластины неравномерного по длине сечения с уменьшенным не менее чем в 10 раз сечением в центральной части. На центральной части пластины жестко укреплено тензосопротивление. Пластина на концевых участках жестко укреплена посредством хомутов на полированном штоке параллельно его продольной оси. Благодаря такому конструктивному выполнению датчика усилия увеличивается величина упругой деформации, действующей на тензосопротивление, и повышается его чувствительность.

Недостатками данного устройства являются, во-первых, недостаточная точность измерения абсолютных значений усилия из-за невозможности проведения калибровки датчика усилия непосредственно на штоке станка-качалки и, во-вторых, отсутствие компенсации погрешности, обусловленной температурным расширением самого штока.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является тензорезисторный датчик силы, содержащий корпус и два упругих элемента, жестко соединенных перемычкой, с образованием П-образной конструкции. Нагружающая и опорная силовоспринимающие площадки каждого из упругих элементов развернуты друг относительно друга на 180^o и образуют две трехточечные схемы нагружения, обеспечивающие самоустановку датчика. Размещенные на упругих элементах тензорезисторы собраны в тензометрический полумост. Датчик устанавливается между верхней и нижней траверсами узла канатной подвески станка-качалки [2].

Недостатком известного датчика является зависимость распределения деформации в упругих элементах от точки и угла приложения усилия к их силовоспринимающим площадкам. Отклонения точки и угла приложения усилия, обусловленные неровностью поверхностей траверс и их непараллельностью, приводят к искажениям показаний датчика и, как следствие, к снижению чувствительности датчика.

Задачей изобретения является создание конструкции, обеспечивающей высокую чувствительность измерения усилия и независимость результатов измерения от неравномерности приложения усилия, вызванной неплоскостностью опорных поверхностей траверс и их шероховатостью.

Указанная задача решается тем, что тензорезисторный датчик усилия содержит корпус и три упругих элемента, выполненных в виде цилиндрических стержней со сферическими торцами и расположенных в направляющих колодцах корпуса по окружности под углом 120^o, на боковой поверхности каждого упругого элемента попарно по противоположным сторонам установлены два нагрузочных и два компенсационных тензорезистора, причем все тензорезисторы датчика соединены в общую мостовую схему, обеспечивающую суммирование нагрузки всех трех упругих элементов.

На фиг.1 изображен тензорезисторный датчик усилия.

На фиг. 2 изображен стержневой упругий элемент с двумя нагрузочными и двумя компенсационными тензорезисторами.

На фиг. 3 изображена схема включения тензорезисторов в мостовую измерительную цепь.

Тензорезисторный датчик усилия (фиг.1) содержит корпус 1, три упругих элемента 2 и скобу крепления 3 и установлен между траверсами канатной подвески станка-качалки (не показан) так, чтобы полированный шток 4 последний оказался расположенным между упругими элементами 2.

Устройство работает следующим образом.

При работе станка-качалки нагрузка с траверс передается на три упругих элемента 2 тензорезисторного датчика усилия. Расположение упругих элементов 2 в направляющих колодцах корпуса 1 по окружности под углом 120^o позволяет обеспечить самоустановку датчика усилия между плоскостями траверс и получить неизменность суммарной нагрузки по всем трем чувствительным элементам при отклонении оси штока от центра окружности расположения направляющих колодцов.

Каждый из упругих элементов 2 имеет форму цилиндра со сферическими торцами (фиг. 2), что обеспечивает локализацию точек приложения нагрузки и получение зоны с равномерным распределением деформации для расположения тензорезисторов.

На каждом упругом элементе размещаются два нагрузочных и два компенсационных тензорезистора. Причемвключены в полумостовые схемы, в одном плече которой последовательно соединены два нагрузочных тензорезистора R^Н1 и R^Н2 (см. фиг.3), а в другом плече последовательно соединены два компенсационных тензорезистора R^К1 и R^К2. Тензорезисторы третьего упругого элемента соединены в две полумостовые схемы, каждая из которых имеет в одном плече по нагрузочному тензорезистору R^Н1 (RН²), а в другом плече по компенсационному тензорезистору R^К1 (R^К2).

Включение всех тензорезисторов датчика в мостовую схему производится следующим образом: крайние выводы нагрузочных тензорезисторов первого и второго упругих элементов R₁ ^Н1 и R₂ ^Н2 соединены с крайним выводом нагрузочного тензорезистора соответственно первого и второго полумоста третьего упругого элемента R₃ ^Н1 и R₃ ^Н2. Крайние выводы компенсационных тензорезисторов первого и второго упругих элементов R₁ ^К1 и R₂ ^К2 соединены с крайним выводом компенсационного тензорезистора соответственно первого и второго полумоста третьего упругого элемента R₃ ^К2 и R₃ ^К2. Средние выводы полумостов третьего упругого элемента представляют собой диагональ питания мостовой схемы, а средние выводы полумостов первого и второго упругих элементов - ее измерительную диагональ.

Таким образом, прилагаемая к датчику нагрузка вызывает деформацию упругих элементов и соответственно расположенных на них тензорезисторов. Так как нагрузочные тензорезисторы включены в два диагональных плеча измерительной мостовой схемы, следовательно выходной сигнал с измерительной диагонали мостовой схемы будет пропорционален нагрузке.

Такое включение тензорезисторов позволяет обеспечить максимальную чувствительность датчика и скомпенсировать влияние на результат измерения температурной зависимости тензорезисторов.

Техническая реализация тензорезисторного датчика усилия позволяет использовать известные технические средства и технологии изготовления отдельных элементов. Область применения предложенного тензорезисторного датчика усилия - предприятия нефтегазодобывающей промышленности.

Использованная литература 1. Патент РФ 2148709, кл. Е 21 В 47/00, 10.05.2000.

2. Патент РФ (прототип) 2145414, кл. G 01 L 1/22, 10.02.2000.

Формула изобретения

Тензорезисторный датчик усилия для динамометрирования скважинных штанговых насосов, содержащий корпус и упругие элементы с тензорезисторами, отличающийся тем, что количество упругих элементов выбрано равным трем, все упругие элементы выполнены в виде цилиндрических стержней со сферическими торцами и расположены в направляющих колодцах корпуса по окружности через углы 120°, на боковой поверхности каждого упругого элемента попарно на противоположных сторонах установлены два нагрузочных и два компенсационных тензорезистора, все тензорезистры соединены в мостовую схему, обеспечивающую суммирование нагрузки всех трех упругих элементов, при этом на первом и втором упругих элементах тензорезисторы включены в полумостовые схемы, в одном плече которых последовательно соединены два нагрузочных тензорезистора, а в другом плече последовательно соединены два компенсационных тензорезистора, тензорезисторы третьего упругого элемента соединены в две полумостовые схемы, каждая из которых имеет в одном плече нагрузочный тензорезистор, а в другом плече - компенсационный тензорезистор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3