Акселерометр

Изобретение относится к преобразователям, а более конкретно к акселерометру, способному работать в жестких условиях эксплуатации. Сущность изобретения заключается в том, что акселерометр содержит: металлический корпус; интегрированный пьезоэлектрический датчик ускорения и/или интегрированный электронный пьезоэлектрический (IEPE) датчик ускорения с усилителем, расположенные в указанном корпусе; металлический патрубок, выступающий из указанного корпуса; множество проводов датчика, проходящих из датчика в указанный патрубок, и металлическую оболочку кабеля, соединенную с указанным патрубком и содержащую множество проводов кабеля, изолированных порошком окисла металла, содержащимся в указанной оболочке; при этом по меньшей мере один из указанного множества проводов датчика соединен по меньшей мере с одним из указанного множества проводов кабеля внутри указанного патрубка, а указанные корпус, патрубок и металлическая оболочка кабеля обеспечивают герметичный металлический кожух для указанного по меньшей мере одного датчика, множества проводов датчика и множества проводов кабеля. Технический результат - повышение долговечности и надежности устройства. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники

Варианты выполнения настоящего изобретения относятся, в общем, к преобразователям, а более конкретно - к акселерометру, способному работать в жестких условиях эксплуатации.

Уровень техники

В прошедшие годы с ростом цены на ископаемое топливо повысился интерес ко многим аспектам, относящимся к обработке ископаемого топлива. Во время обработки ископаемого топлива текучая среда перемещается из наземных или морских мест добычи к обрабатывающим заводам для последующего использования. В других приложениях текучая среда может перемещаться более локально, например, между подсистемами предприятия по переработке углеводородов, для обеспечения его распределения конечным пользователям.

По меньшей мере в некоторых станциях для транспортировки текучей среды используются вращательные машины, такие как компрессоры, вентиляторы и/или насосы, которые приводятся в действие газовыми турбинами. Некоторые из этих турбин приводят в действие связанное с ними устройство для транспортировки текучей среды посредством коробки передач, которая либо увеличивает, либо уменьшает скорость вращения выходного приводного вала газовой турбины до заранее заданной скорости вращения приводного вала устройства. В других вращательных машинах для управления вращательной машиной используются электрические приводные двигатели, или электрические приводы, вместо механических приводов (то есть газовых турбин) или совместно с ними.

Одна из турбомашин, часто используемых в промышленности, содержит компрессор, приводимый в действие электрическим двигателем. Такая турбомашина может использоваться, например, для извлечения метана, природного газа и/или получения сжиженного природного газа (LNG, liquid natural gas). Получение таких газов позволяет снизить выбросы и опасность воспламенения во время погрузки сжиженного природного газа на суда. Известны и другие применения подобных турбомашин, которые здесь не рассматриваются.

Пример такой вращательной машины показан на фиг. 7. Вращательная машина 502 содержит электрический двигатель 504, связанный с компрессором 506. Соединение между двумя валами машины может быть выполнено с помощью механического соединения 508. Внешний кожух 510 двигателя может быть соединен с внешним кожухом 512 компрессора, например, посредством болтов 514. Компрессор 506 может содержать одно или более рабочих колес 516, прикрепленных к валу 518 компрессора. Вал 518 компрессора выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси X. Вращение вала компрессора 518 улучшено с использованием активных магнитных подшипников 520 и 522, расположенных на обоих концах вала 518 компрессора.

Независимо от конкретной установки, то есть установки на берегу, в прибрежной, зоне, под водой и т.д., и независимо от того, приводится ли вращательная машина в действие турбиной или двигателем, имеется потребность в повышении эффективности, снижении затрат и уменьшении воздействия на окружающую среду при обработке ископаемого топлива, в частности со стороны вращательных машин, задействованных в такой обработке.

В ответ на такую потребность рабочие характеристики вращательных машин продолжают улучшаться. Современные вращательные машины не только более эффективны и безопасны для окружающей среды, но и способны обрабатывать более коррозийные вещества при более высоких температурах и более высоких давлениях, чем когда-либо прежде.

Несмотря на эти усовершенствования, существующие решения для управления этими процессами часто не способны удовлетворить требованиям работы в агрессивной окружающей среде, обусловленной такими усовершенствованиями.

Одной из областей, где есть вопросы, требующие решения, являются преобразователи. Преобразователи играют важную роль в предоставлении информации не только о процессах, выполняемых вращательными машинами, но также и о самих вращательных машинах. Некоторые преобразователи, такие как акселерометры, могут использоваться для определения не только эффективности процесса, выполняемого вращательной машиной, но также и исправности самого компонента вращательной машины, например подшипника или вала.

Размещение акселерометра относительно места, где создается информация о процессе и/или информация о машине, важно с точки зрения способности акселерометра измерить такую информацию. Часто это требует размещения акселерометра вблизи точки, где создается такая информация, например, в пределах вращательной машины.

Такое размещение может происходить в агрессивной окружающей среде, например в области или вблизи области высокого давления, области высокой температуры и/или области коррозийной рабочей текучей среды. С учетом этого следует отметить, что во вращательной машине 502, показанной на фиг. 7, магнитные подшипники 520 и 522 подвергаются воздействию текучей среды, обрабатываемой компрессором. Эта текучая среда, например метан, может быть коррозийным веществом и, вероятно, находится под высоким давлением, например при 2000 фунтов на квадратный дюйм (13780 кПа), и при температуре, например, 160 градусов Цельсия. Кроме того, активные магнитные подшипники 520 и 522 могут создавать сильное электромагнитное поле. Желательно поместить один или более акселерометров и/или других преобразователей вблизи подшипника 520 и/или подшипника 522 во вращательной машине 502. Соответственно, необходим преобразователь, в частности акселерометр, который может успешно работать в такой окружающей среде.

Сущность изобретения

Согласно примеру выполнения настоящего изобретения акселерометр (или преобразователь ускорения) содержит металлический корпус и интегрированный пьезоэлектрический датчик ускорения и/или интегрированный электронный пьезоэлектрический (IEPE) датчик ускорения с усилителем, расположенные в этом корпусе. Из корпуса выступает металлический патрубок, в котором проходит множество проводов датчика. Кроме того, акселерометр содержит металлическую оболочку кабеля, связанную с патрубком и содержащую множество проводов кабеля, изолированных порошком окисла металла, содержащимся в оболочке. По меньшей мере один из множества проводов датчика соединен с по меньшей мере одним из множества проводов кабеля внутри патрубка. Корпус, патрубок и металлическая оболочка кабеля обеспечивают герметичный кожух для указанного по меньшей мере одного датчика, множества проводов датчика и множества проводов кабеля.

Согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения, узел преобразователя для вращательной машины содержит корпус, размещенный вблизи подшипника вращательной машины, и металлическую оболочку, соединенную с корпусом для формирования герметичного кожуха. Преобразователь находится в пределах корпуса, причем с преобразователем электрически связан по меньшей мере один провод, выходящий из металлической оболочки. Этот по меньшей мере один провод изолирован порошком окисла металла, содержащимся в оболочке.

Согласно еще одному варианту выполнения настоящего изобретения предлагается способ обеспечения герметичного кожуха для преобразователя ускорения (или акселерометра), включающий обеспечение наличия металлического корпуса с выступающим металлическим патрубком, размещение интегрированного пьезоэлектрического датчика ускорения и/или интегрированного электронного пьезоэлектрического (IEPE) датчика ускорения с усилителем в указанном корпусе так, что множество проводов, идущих по меньшей мере от одного датчика, выходит из указанного металлического патрубка; размещение металлической оболочки, содержащей множество проводов, изолированных порошком окисла металла так, что эти провода проходят от конца оболочки к множеству проводов, идущих от датчика; электрическое соединение множества проводов, идущих по меньшей мере от одного датчика, с множеством проводов, выходящих из патрубка; размещение электрически соединенных проводов внутри указанного металлического патрубка и соединение металлической оболочки с патрубком для обеспечения герметичного кожуха для указанного по меньшей мере одного датчика, множества проводов датчика и множества проводов кабеля.

Краткое описание чертежей

Приложенные чертежи, которые включены в настоящий документ и составляют его часть, иллюстрируют и вместе с описанием поясняют один или более вариантов выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 1 показан вид в перспективе примера выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 2 показан вид сбоку варианта выполнения настоящего изобретения, показанного на фиг. 1.

На фиг. 3 показано сечение металлической оболочки кабеля согласно примеру выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 4 показан вид с торца варианта выполнения настоящего изобретения, показанного на фиг. 3.

На фиг. 5 показано сечение патрубка согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 6 показана блок-схема способа согласно примеру выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 7 показана вращательная машина.

Подробное описание изобретения

В последующем описании примеров выполнения настоящего изобретения сделаны ссылки на приложенные чертежи. Одинаковые позиции на различных чертежах относятся к одинаковым или аналогичным элементам. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Объем изобретения определяется формулой изобретения. Последующие варианты выполнения настоящего изобретения рассмотрены для простоты в отношении терминологии и конструкции преобразователя, который имеет корпус и датчик. Однако рассматриваемые далее варианты выполнения настоящего изобретения не ограничиваются этими примерами систем, но могут быть применены к другим системам.

Повсюду в описании ссылка на «один вариант выполнения настоящего изобретения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с этим вариантом выполнения настоящего изобретения, включены в по меньшей мере один вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, фраза «в одном варианте выполнения настоящего изобретения» в различных местах описания необязательно относится к одному и тому же варианту выполнения настоящего изобретения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть скомбинированы любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 1 и 2 показан пример выполнения акселерометра 14 согласно настоящему изобретению. Акселерометр 14 содержит металлический корпус 16, имеющий первую сторону 18 (фиг. 1) и вторую сторону 22 (фиг. 2), задающие пятиугольную форму. Корпус 16 пятиугольной формы симметричен относительно плоскости, заданной пересечением сторон 28 и 32 и центра стороны 24.

Корпус 16 также содержит стороны 24, 26, 28, 32 и 34, проходящие между краями первой и второй сторон 18, 22. Как показано на фиг. 1 и 2, стороны 24, 26, 28, 32 и 34 имеют одинаковую ширину.

В корпусе 16 имеется датчик (не показан), который способен измерять ускорение по меньшей мере вдоль одной оси и формировать сигнал, соответствующий измеренному ускорению. В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг. 1 и 2, преобразователь представляет собой преобразователь трехосного акселерометра. Примеры датчиков трехосного акселерометра включают интегрированные пьезоэлектрические датчики и интегрированные электронные пьезоэлектрические (IEPE) датчики с усилителями.

Акселерометр 14 также содержит металлический патрубок 36, выступающий из стороны 24 корпуса 16. Как показано на фиг. 1, 2 и 5, металлический патрубок 36 представляет собой цилиндрическую трубку, соединенную со стороной 24 корпуса 16 сварным соединением 38. Однако это соединение может быть выполнено с помощью других химических средств, например с помощью адгезивного герметика, и/или с помощью механических средств, например с помощью резьбового соединения. Альтернативно, корпус 16 и патрубок 36 могут быть выполнены как одно целое.

Как показано на фиг. 1, 2 и 5, с патрубком 36 соединена металлическая оболочка 38 кабеля. Металлическая оболочка 38 соединена с патрубком 36 эпоксидным герметиком 40. Однако это соединение может быть выполнено с помощью других химических средств, таких средств как сварка, и/или с помощью механических средств, например с помощью резьбового соединения. Альтернативно, металлическая оболочка 38 и патрубок 36 могут быть выполнены как одно целое.

В металлической оболочке 38 кабеля находятся четыре провода 42, 44, 46 и 48. Каждый из проводов 42, 44 и 46 соответствует одной из осей акселерометра, а провод 48 является общим проводом. Провода 42, 44, 46 и 48 изолированы с помощью порошка 52 окисла металла, например порошка оксида магния и/или порошка оксида кремния, содержащегося в металлической оболочке 38.

Как показано на фиг. 5, четыре провода 54, 56, 58 и 62 преобразователя проходят в патрубок 36 из преобразователя акселерометра внутри корпуса 16. Каждый из проводов 54, 56 и 58 соответствует оси акселерометра, а провод 62 является общим проводом.

Провода 42 и 54, провода 44 и 56, провода 46 и 58 и провода 48 и 62 электрически соединены в соединениях 64, 66, 68 и 72, например, с помощью лазерной пайки. Внутри патрубка 36 между проводами и паяными соединениями может находиться непроводящий герметик 74.

Как видно из фиг. 1-5, металлический корпус 16, металлический патрубок 36 и металлическая оболочка 38 кабеля обеспечивают герметичный кожух для преобразователя, проводов и паяных соединений. Кроме того, изолирующий материал из окисла металла внутри оболочки 38 кабеля также выполнен из металла. Соответственно, акселерометр 16 способен лучше противостоять коррозии, высоким давлениям, высоким температурам и сильным электромагнитным полям, по сравнению с обычными акселерометрами.

Как показано в блок-схеме на фиг. 6, согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения, способ (1000) обеспечения герметичного кожуха для акселерометра может включать: обеспечение (1002) наличия металлического корпуса с выступающим металлическим патрубком; размещение (1004) интегрированного пьезоэлектрического датчика ускорения и/или интегрированного электронного пьезоэлектрического (IEPE) датчика ускорения с усилителем внутри корпуса так, что множество проводов, идущих от указанного по меньшей мере одного датчика, выходит из указанного металлического патрубка; размещение (1006) металлической оболочки, содержащей множество проводов, изолированных порошком окисла металла, так что провода проходят от конца оболочки к проводам, идущим от датчика; электрическое соединение (1008) множества проводов, идущих от указанного по меньшей мере одного датчика, с множеством проводов, выходящих из патрубка; размещение (1010) электрически соединенных проводов внутри указанного патрубка; соединение (1012) металлической оболочки с патрубком для обеспечения герметичного кожуха для указанного по меньшей мере одного датчика, множества проводов датчика и множества проводов кабеля.

Вышеописанные варианты выполнения настоящего изобретения предназначены для иллюстрации изобретения, а не для его ограничения. Все изменения и модификации изобретения находятся в пределах сущности настоящего изобретения, определяемой формулой изобретения. Описанные элементы, действия или инструкции не следует рассматривать как критические или существенные для изобретения, если это не указано явно. Кроме того, в настоящем описании использование единственного числа включает использование одного или более элементов.

1. Акселерометр, содержащий:
металлический корпус;
интегрированный пьезоэлектрический датчик ускорения и/или интегрированный электронный пьезоэлектрический (IEPE) датчик ускорения с усилителем, расположенные в указанном корпусе;
металлический патрубок, выступающий из указанного корпуса;
множество проводов датчика, проходящих из датчика в указанный патрубок, и
металлическую оболочку кабеля, соединенную с указанным патрубком и содержащую множество проводов кабеля, изолированных порошком окисла металла, содержащимся в указанной оболочке;
при этом по меньшей мере один из указанного множества проводов датчика соединен по меньшей мере с одним из указанного множества проводов кабеля внутри указанного патрубка, а
указанные корпус, патрубок и металлическая оболочка кабеля обеспечивают герметичный металлический кожух для указанного по меньшей мере одного датчика, множества проводов датчика и множества проводов кабеля.

2. Акселерометр по п. 1, в котором указанное множество проводов кабеля включает четыре провода.

3. Акселерометр по п. 1, в котором указанное множество проводов датчика включает четыре провода датчика: первый провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий первой оси, второй провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий второй оси, третий провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий третьей оси, и четвертый провод датчика, соответствующий общему проводу.

4. Акселерометр по п. 3, в котором первый провод кабеля припаян к первому проводу датчика, второй провод кабеля припаян ко второму проводу датчика, третий провод кабеля припаян к третьему проводу датчика и четвертый провод кабеля припаян к четвертому проводу датчика.

5. Акселерометр по п. 1, в котором указанная металлическая оболочка приварена к указанному патрубку.

6. Акселерометр по п. 5, в котором указанная сварка представляет собой сварку вольфрамовым электродом в среде инертного газа.

7. Акселерометр по п. 5, в котором указанная сварка представляет собой лазерную сварку.

8. Акселерометр по п. 1, в котором указанная металлическая оболочка соединена с указанным патрубком адгезивным герметиком.

9. Узел преобразователя для вращательной машины, содержащий акселерометр по п. 1, при этом:
указанный корпус расположен вблизи подшипника в указанной вращательной машине; и
указанная металлическая оболочка соединена с указанным корпусом для формирования герметичного кожуха.

10. Способ обеспечения герметичного кожуха для акселерометра, содержащий:
обеспечение наличия металлического корпуса с выступающим металлическим патрубком;
размещение интегрированного пьезоэлектрического датчика ускорения и/или интегрированного электронного пьезоэлектрического (IEPE) датчика ускорения с усилителем в указанном корпусе так, что множество проводов, идущих от указанного по меньшей мере одного датчика, выходит из указанного металлического патрубка,
размещение металлической оболочки, содержащей множество проводов, изолированных порошком окисла металла так, что эти провода проходят от конца указанной оболочки к указанному множеству проводов, идущих от датчика,
электрическое соединение указанного множества проводов, идущих от указанного по меньшей мере одного датчика, с указанным множеством проводов, выходящих из указанного патрубка;
размещение указанных электрически соединенных проводов внутри указанного металлического патрубка и
соединение указанной металлической оболочки с указанным патрубком для обеспечения герметичного кожуха для указанного по меньшей мере одного датчика, множества проводов датчика и множества проводов кабеля.

11. Способ по п. 10, в котором указанное множество проводов кабеля включает четыре провода.

12. Способ по п. 10, в котором указанное множество проводов датчика включает четыре провода датчика: первый провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий первой оси, второй провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий второй оси, третий провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий третьей оси, и четвертый провод датчика, соответствующий общему проводу.

13. Способ по п. 12, в котором первый провод кабеля припаивают к первому проводу датчика, второй провод кабеля припаивают ко второму проводу датчика, третий провод кабеля припаивают к третьему проводу датчика и четвертый провод кабеля припаивают к четвертому проводу датчика.

14. Способ по п. 10, в котором металлическую оболочку приваривают к патрубку.

15. Способ по п. 14, в котором указанная сварка представляет собой сварку вольфрамовым электродом в среде инертного газа.

16. Способ по п. 14, в котором указанная сварка представляет собой лазерную сварку.

17. Способ по п. 10, в котором металлическую оболочку соединяют с указанным патрубком адгезивным герметиком.

18. Узел преобразователя по п. 9, в котором по меньшей мере один провод кабеля включает четыре провода.

19. Узел преобразователя по п. 9, в котором множество проводов датчика включает четыре провода датчика: первый провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий первой оси, второй провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий второй оси, третий провод датчика, переносящий сигнал, соответствующий третьей оси, и четвертый провод датчика, соответствующий общему проводу.

20. Узел преобразователя по п. 9, в котором первый провод кабеля припаян к первому проводу датчика, второй провод кабеля припаян ко второму проводу датчика, третий провод кабеля припаян к третьему проводу датчика и четвертый провод кабеля припаян к четвертому проводу датчика.