Устройство погружной телеметрии
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления погружными электронасосами, применяемых при нефтедобыче. Сущность: устройство погружной телеметрии содержит гальванический элемент 1, полупроводниковый диод 2, нагрузочный резистор 3, коммутирующий элемент 4, один или несколько аналоговых датчиков температуры 5…7, выполненных в виде двухполюсников, один или несколько аналоговых датчиков давления 8 и 9, выполненных в виде четырехполюсников, один или несколько цифровых датчиков вибрации 10 и 11, микропроцессорное устройство 12, блок источников тока 13. Устройство погружной телеметрии может содержать вместо цифровых датчиков вибрации аналоговые датчики вибрации 14 и 15. Устройство погружной телеметрии может содержать микропроцессорное устройство 16, имеющее в своем составе встроенный блок источников тока. Использование гальванического элемента 1, подключенного к первым входам питания микропроцессорного устройства 12, цифровых датчиков вибрации 10 и 11 и блока источников тока 13, обеспечивает защиту устройства от повышенного постоянного напряжения (до минус 7,5 кВ), прикладываемого к устройству от мегаомметра, расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения возможности работы в составе погружных установок, содержащих в качестве привода вентильные погружные электродвигатели, за счет обеспечения возможности работы в установке с погружными асинхронными электродвигателями с линейным напряжением до 4000 В и в нештатных режимах с однофазным коротким замыканием на землю, а также со станциями управления с частотным регулированием без Sin-фильтра на выходе, повышает помехозащищенность и повышает надежность устройства в целом. Использование коммутирующего элемента 4, присоединенного своим первым вводом к выходу микропроцессорного устройства 12, а выходом к последовательной цепи из нагрузочного резистора 3 и полупроводникового диода 2, позволяет обеспечить возможность передачи кодовой информации за счет модуляции во времени среднего тока потребления блока наземного телеметрической системы по постоянному напряжению, что увеличивает надежность передачи измеренных параметров и увеличивает помехозащищенность канала передачи информации. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления погружными электронасосами, применяемыми при нефтедобыче.
Известно устройство погружной телеметрии [Патент RU №2272996, МПК G01D 3/00, приоритет от 06.10.2004 г.], 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, датчик давления и датчик температуры выполнены в виде трехполюсников, кj 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 ко второму входу питания коммутатора, третьим выходом - к первому выводу каждого датчика и к первому аналоговому входу коммутатора, четвертым выходом - ко второму выводу каждого датчика и ко 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.
Недостатком указанного устройства погружной телеметрии является недостаточная скорость передачи измеряемых параметров, обусловленная наличием LC фильтра, имеющего относительно большую постоянную времени нарастания. Элементом, ухудшающим массогабаритные характеристики и надежность устройства в целом, является LC фильтр, что является также недостатком устройства погружной телеметрии.
Наиболее близким техническим решением является устройство погружной телеметрии [Заявка №2012133149/28 RU, МПК G01D 3/00, приоритет от 02.08.2012 г.], содержащее конденсатор, один или несколько датчиков температуры, выполненных в виде двухполюсников, один или несколько датчиков давления, выполненных в виде четырехполюсников, варистор, полупроводниковый диод, нагрузочный резистор, источник питания, блок усилителей аналоговых сигналов, цифровой датчик вибрации, микропроцессорное устройство и коммутирующий элемент, причем полупроводниковый диод присоединен одним выводом к входной клемме, а вторым - к первому выводу нагрузочного резистора, второй вывод которого соединен с выходом коммутирующего элемента, конденсатор, первым выводом присоединен к входной клемме устройства, а вторым - к первому входу источника питания и первому выводу варистора, второй вывод которого подключен к общему проводу и ко второму входу источника питания, первый вход коммутирующего элемента присоединен к выходу микропроцессорного устройства, а второй вход - к общему проводу, первый выход источника питания подключен к первым входам питания цифрового датчика вибрации и микропроцессорного устройства, вторые входы питания которых присоединены к общему проводу, второй выход источника питания соединен с первым входом питания блока усилителей аналоговых сигналов, первый вывод каждого датчика давления и каждого датчика температуры присоединен к соответствующему с четвертого по К токовому выходу источника питания, второй вывод каждого датчика давления и каждого датчика температуры, второй вход питания блока усилителей аналоговых сигналов, третий выход источника питания, второй вход питания блока усилителей аналоговых сигналов присоединены к общему проводу, первый вывод каждого датчика температуры, третий и четвертый выводы каждого датчика давления присоединены к соответствующим с первого по N входам блока усилителей аналоговых сигналов, соответствующие с первого по Р выходы которого подключены к соответствующим с первого по Р аналоговым входам микропроцессорного устройства, цифровые входы которого с первого по М соединены с соответствующими с первого по М цифровыми выходами цифрового датчика вибрации.
Недостатком указанного устройства погружной телеметрии является недостаточная надежность при работе с вентильными двигателями, обусловленная наличием высокочастотных помех, поступающих на вход устройства погружной телеметрии.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, выражается в расширении функциональных возможностей за счет повышения помехоустойчивости и в повышении надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве погружной телеметрии, содержащем соединенные последовательно полупроводниковый диод и нагрузочный резистор, вывод которого соединен с выходом коммутирующего элемента, один или несколько аналоговых датчиков температуры, выполненные в виде двухполюсников, один или несколько аналоговых датчиков давления, выполненные в виде четырехполюсников, второй вывод каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика температуры соединен с общим проводом, микропроцессорное устройство, подключенное управляющим выходом к первому входу коммутирующего элемента, а вторым входом к общему проводу, причем полупроводниковый диод присоединен одним выводом к входной клемме, а вторым - к первому выводу нагрузочного резистора, цифровые входы микропроцессорного устройства с первого по Q соединены с соответствующими с первого по М цифровыми выходами одного или нескольких цифровых датчиков вибрации, оно содержит блок источников тока, гальванический элемент, второй вывод которого присоединен к общему проводу, а первый вывод соединен с входами питания цифровых датчиков вибрации и микропроцессорного устройства, первый вывод каждого аналогового датчика температуры и каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по К выходам блока источников тока, также первый вывод каждого аналогового датчика температуры и первый, третий и четвертый выводы каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства.
Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве погружной телеметрии, содержащем соединенные последовательно полупроводниковый диод и нагрузочный резистор, вывод которого соединен с выходом коммутирующего элемента, один или несколько аналоговых датчиков температуры, выполненные в виде двухполюсников, один или несколько аналоговых датчиков давления, выполненные в виде четырехполюсников, второй вывод каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика температуры соединен с общим проводом, микропроцессорное устройство, подключенное управляющим выходом к первому входу коммутирующего элемента, а вторым входом к общему проводу, причем полупроводниковый диод присоединен одним выводом к входной клемме, а вторым - к первому выводу нагрузочного резистора, оно содержит один или несколько аналоговых датчиков вибрации, выполненных в виде четырехполюсников, второй вывод которых соединен с общим проводом, блок источников тока, гальванический элемент, второй вывод которого присоединен к общему проводу, а первый вывод соединен с входом питания микропроцессорного устройства, первый вывод каждого аналогового датчика температуры, вывод каждого аналогового датчика вибрации и каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по К выходам блока источников тока, также первый вывод каждого аналогового датчика температуры и первый, третий и четвертый выводы каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика вибрации присоединены к соответствующим с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства.
Указанный технический результат достигается также тем, что микропроцессорное устройство может содержать в своем составе блок источников тока.
Устройство погружной телеметрии является частью телеметрической системы, содержащей блок наземный, осуществляющий регистрацию параметров, измеренных устройством погружной телеметрии. Устройство погружной телеметрии подключается к блоку наземной телеметрии по линии связи «общая точка статорной обмотки погружного электродвигателя, соединенной в звезду - жилы погружного кабеля - общая точка повышающей обмотки высоковольтного трансформатора, соединенной в звезду».
Устройство погружной телеметрии подключается своим входом (выходом) к общей точке статорной обмотки погружного электродвигателя и своим общим проводом - к заземленной броне погружного кабеля, питающего погружной электродвигатель.
Выполнение устройства погружной телеметрии, содержащего соединенные последовательно полупроводниковый диод и нагрузочный резистор, вывод которого соединен с выходом коммутирующего элемента, один или несколько аналоговых датчиков температуры, выполненные в виде двухполюсников, один или несколько аналоговых датчиков давления, выполненные в виде четырехполюсников, второй вывод каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика температуры соединен с общим проводом, микропроцессорное устройство, подключенное управляющим выходом к первому входу коммутирующего элемента, а вторым входом - к общему проводу, причем полупроводниковый диод присоединен одним выводом к входной клемме, а вторым - к первому выводу нагрузочного резистора, цифровые входы микропроцессорного устройства с первого по Q соединены с соответствующими с первого по М цифровыми выходами одного или нескольких цифровых датчиков вибрации, оно содержит блок источников тока, гальванический элемент, второй вывод которого присоединен к общему проводу, а первый вывод соединен с входами питания цифровых датчиков вибрации, блока источников тока и микропроцессорного устройства, первый вывод каждого аналогового датчика температуры и каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по К выходам блока источников тока, также первый вывод каждого аналогового датчика температуры и первый, третий и четвертый выводы каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства, также выполнение устройства погружной телеметрии, содержащего соединенные последовательно полупроводниковый диод и нагрузочный резистор, вывод которого соединен с выходом коммутирующего элемента, один или несколько аналоговых датчиков температуры, выполненные в виде двухполюсников, один или несколько аналоговых датчиков давления, выполненные в виде четырехполюсников, второй вывод каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика температуры соединен с общим проводом, микропроцессорное устройство, подключенное управляющим выходом к первому входу коммутирующего элемента, а вторым входом к общему проводу, причем полупроводниковый диод присоединен одним выводом к входной клемме, а вторым - к первому выводу нагрузочного резистора, оно содержит один или несколько аналоговых датчиков вибрации, выполненных в виде четырехполюсников, второй вывод которых соединен с общим проводом, блок источников тока, гальванический элемент, второй вывод которого присоединен к общему проводу, а первый вывод соединен с входом питания микропроцессорного устройства, первый вывод каждого аналогового датчика температуры, вывод каждого аналогового датчика вибрации и каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по К выходам блока источников тока, также первый вывод каждого аналогового датчика температуры и первый, третий и четвертый выводы каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика вибрации присоединены к соответствующим с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства, расширяет функциональные возможности устройства погружной телеметрии за счет обеспечения возможности работы в составе погружных установок, содержащих в качестве привода вентильные погружные электродвигатели, а также за счет обеспечения возможности работы в установке с погружными асинхронными электродвигателями с линейным напряжением до 4000 В в режиме с однофазным коротким замыканием на землю и со станциями управления с частотным регулированием без Sin-фильтра на выходе, повышает помехоустойчивость и повышает надежность устройства в целом.
Выполнение в устройстве погружной телеметрии микропроцессорного устройства, содержащего в своем составе блок источников тока, повышает надежность устройства в целом.
На Фиг. 1 приведена схема электрическая функциональная устройства погружной телеметрии, содержащего цифровые датчики вибрации.
На Фиг. 2 приведена схема электрическая функциональная устройства погружной телеметрии, содержащего аналоговые датчики вибрации.
На Фиг. 3 приведена схема электрическая функциональная устройства погружной телеметрии, содержащего аналоговые датчики вибрации и микропроцессорное устройство, в составе которого включен блок источников тока.
На Фиг. 4 приведена временная диаграмма напряжения на выходе (входе) устройства погружной телеметрии.
Устройство погружной телеметрии (см. Фиг. 1) содержит гальванический элемент 1, полупроводниковый диод 2, нагрузочный резистор 3, коммутирующий элемент 4, три аналоговых датчика температуры 5…7, выполненные в виде двухполюсников, два аналоговых датчика давления 8 и 9, выполненные в виде четырехполюсников, два цифровых датчика вибрации 10 и 11, микропроцессорное устройство 12, блок источников тока 13.
Устройство погружной телеметрии (см. Фиг. 2) может вместо цифровых датчиков вибрации содержать аналоговые датчики вибрации 14 и 15.
Устройство погружной телеметрии (см. Фиг. 3) может иметь микропроцессорное устройство 16, в составе которого включен блок источников тока.
Гальванический элемент 1 (см. Фиг. 1) подключен к первым входам питания цифровых датчика вибрации 10 и 11, микропроцессорного устройства 12 и блока источников тока 13. Для исполнения устройства погружной телеметрии с аналоговыми датчиками вибрации 14 и 15 (см. Фиг. 2) гальванический элемент 1 подключен к первым входам питания микропроцессорного устройства 12 и блока источников тока 13. В том случае, если используется микропроцессорное устройство 16, в состав которого входит блок источников тока (см. Фиг. 3), гальванический элемент 1 подключен к первому входу питания микропроцессорного устройства 16.
Полупроводниковый диод 2 присоединен первым выводом к входной клемме устройства, а вторым - к первому выводу нагрузочного резистора 3. Второй вывод нагрузочного резистора 3 соединен с выходом коммутирующего элемента 4. Аналоговые датчики температуры 5…7, выполнены в виде двухполюсников. Аналоговые датчики давления 8 и 9 выполнены в виде четырехполюсников. Второй вывод каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика температуры соединен с общим проводом. Коммутирующий элемент 4, цифровые датчики вибрации 10 и 11, микропроцессорное устройство 12 присоединены вторыми выводами к общему проводу. Микропроцессорное устройство 12 подключено управляющим третьим выходом к первому входу коммутирующего элемента 4. Цифровые входы микропроцессорного устройства 12 с первого по М соединены с соответствующими с первого по М цифровыми выходами первого цифрового датчика вибрации 10, цифровые входы микропроцессорного устройства 12 с М+1 по Q соединены с соответствующими с первого по М цифровыми выходами второго цифрового датчика вибрации 11. Первый, третий и четвертый выводы датчиков давления 8 и 9 и первый вывод каждого датчика температуры 5...7 подключены к соответствующим с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства 12 и к соответствующим с первого по К выходам блока источников тока 13.
Для исполнения устройства погружной телеметрии с аналоговыми датчиками вибрации 14 и 15 (см. Фиг. 2) первый, третий и четвертый выводы аналоговых датчиков давления 8 и 9, аналоговых датчиков вибрации 14 и 15 и первый вывод каждого аналогового датчика температуры 5…7 подключены к соответствующим с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства 12 и к соответствующим с первого по К выходам блока источников тока 13, второй вывод каждого аналогового датчика вибрации 14 и 15 присоединен к общему проводу. Для исполнения устройства погружной телеметрии (см. Фиг. 3), содержащего аналоговые датчики вибрации 14 и 15 и микропроцессорное устройство 16, в составе которого включен блок источников тока, первый, третий и четвертый выводы аналоговых датчиков давления 8 и 9, аналоговых датчиков вибрации 14 и 15 и первый вывод каждого аналогового датчика температуры 5…7 подключены к соответствующим с первого по К токовым выходам и с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства 12.
Заявляемое техническое решение устройства погружной телеметрии может быть изготовлено в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования и технологий.
В соответствии с изобретением разработана конструкторская документация на устройство погружной телеметрии.
Устройство погружной телеметрии может быть выполнено на стандартных элементах, включенных в соответствии со стандартными схемами подключения, которые приведены в технической документации. В качестве аналоговых датчиков температуры 5…7 можно использовать платиновые датчики температуры 700-102-ААС-ВОО фирмы Honeywell. В качестве аналоговых датчиков давления 8 и 9 можно использовать датчик давления НР40-30-С-М фирмы ООО «ПромА». Цифровые датчики вибрации 10 и 11 могут быть выполнены на микросхемах ADISS 16006 фирмы AD Analog Devices. Микропроцессорное устройство 12 может быть выполнено на микроконтроллере ADUCM360 фирмы AD Analog Devices. В качестве коммутирующего элемента 4 может быть применен транзистор RF-830A фирмы VISHAY FORMERLI.
Гальванический элемент 1 предназначен для питания элементов устройства погружной телеметрии, что позволяет защитить устройство от повышенных входных напряжений, возникающих при недопустимом перекосе фазных напряжений погружного электродвигателя и при однофазном коротком замыкании на землю в погружном электродвигателе или в погружном кабеле. Диод 2 также обеспечивает защиту устройства погружной телеметрии от повышенного напряжения при измерении сопротивления изоляции погружного электродвигателя постоянным напряжением до 7,5 кВ при регламентных работах и штатном измерении сопротивления изоляции цепи «общая точка статорной обмотки погружного электродвигателя, соединенной в звезду - жилы погружного кабеля - общая точка высоковольтного трансформатора, повышающая обмотка которого соединена в звезду», постоянным напряжением свыше 1000 В, например, напряжением 2,5 кВ.
Устройство погружной телеметрии работает следующим образом. Аналоговые сигналы с датчиков температуры 5…7, представляющих собой высоколинейные термозависимые резисторы и датчиков давления 8, 9, представляющих собой высоколинейные мостовые резистивные преобразователи избыточного давления, поступают на аналоговые входы с первого по N микропроцессорного устройства 12.
Сигналы с цифровых датчиков вибрации 10 и 11, предназначенных для преобразования амплитуд вибрации по трем координатным осям X, Y, Z в цифровой код, поступают на цифровые входы с первого по Q микропроцессорного устройства 12.
Для исполнения устройства погружной телеметрии с аналоговыми датчиками вибрации 14 и 15 (см. Фиг. 2) и для исполнения устройства погружной телеметрии (см. Фиг. 3), содержащего аналоговые датчики вибрации 14 и 15 и микропроцессорное устройство 16, в составе которого включен блок источников тока, аналоговые сигналы с первого, третьего и четвертого выводов аналоговых датчиков давления 8 и 9, аналоговых датчиков вибрации 14 и 15 и первого вывода каждого аналогового датчика температуры 5…7 поступают на соответствующие с первого по N аналоговые входы микропроцессорного устройства 12.
Микропроцессорное устройство 12 преобразует в цифровой код аналоговые сигналы, поступающие с датчиков температуры 5…7, датчиков давления 8 и 9, аналоговых датчиков вибрации 14 и 15 (при их наличии) и вырабатывает кодовые посылки, замыкающие с помощью коммутирующего элемента 4 через нагрузочный резистор 3 и полупроводниковый диод 2 вход (выход) устройства погружной телеметрии на общий провод, таким образом формируется последовательность импульсов напряжения (см. Фиг. 4), которая преобразуется в последовательность переменного во времени тока потребления устройства погружной телеметрии от источника постоянного напряжения блока наземного телеметрической системы, соответствующего цифровым кодам всех текущих значений измеренных параметров, при этом в моменты передачи сигналов ток потребления возрастает, что повышает надежность и точность передачи измеренных параметров.
Функционирование устройства погружной телеметрии возможно как при включенном, так и при отключенном состоянии погружного электродвигателя.
Использование гальванического элемента 1 позволяет осуществлять автономное питание устройства погружной телеметрии, что обеспечивает защиту устройства от повышенного постоянного напряжения (до минус 7,5 кВ), прикладываемого к устройству от мегаомметра, или от напряжения промышленной частоты амплитудой до 4000 В, прикладываемого к входу устройства погружной телеметрии при различных нештатных режимах работы: отсутствии Sin-фильтра на выходе станции управления с частотным регулированием, либо в режиме с однофазным коротким замыканием на землю, что позволяет расширить функциональные возможности, а также повысить надежность.
Использование коммутирующего элемента 4, присоединенного своим первым вводом к выходу микропроцессорного устройства 12, а выходом к нагрузочному резистору 3, образующему с полупроводниковым диодом 2 последовательную цепь нагрузки по постоянному напряжению для наземного блока системы телеметрической, позволяет обеспечить возможность передачи кодовой информации за счет модуляции во времени среднего тока потребления устройства, что увеличивает надежность передачи измеренных параметров и увеличивает помехозащищенность канала передачи информации.
1. Устройство погружной телеметрии, содержащее соединенные последовательно полупроводниковый диод и нагрузочный резистор, вывод которого соединен с выходом коммутирующего элемента, один или несколько аналоговых датчиков температуры, выполненные в виде двухполюсников, один или несколько аналоговых датчиков давления, выполненные в виде четырехполюсников, второй вывод каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика температуры соединен с общим проводом, микропроцессорное устройство, подключенное управляющим выходом к первому входу коммутирующего элемента, а вторым входом - к общему проводу, причем полупроводниковый диод присоединен одним выводом к входной клемме, а вторым - к первому выводу нагрузочного резистора, цифровые входы микропроцессорного устройства с первого по Q соединены с соответствующими с первого по М цифровыми выходами одного или нескольких цифровых датчиков вибрации, отличающееся тем, что оно содержит блок источников тока, гальванический элемент, второй вывод которого присоединен к общему проводу, а первый вывод соединен с входами питания цифровых датчиков вибрации, блока источников тока и микропроцессорного устройства, первый вывод каждого аналогового датчика температуры и каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по К выходам блока источников тока, также первый вывод каждого аналогового датчика температуры и первый, третий и четвертый выводы каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства.
2. Устройство погружной телеметрии по п. 1, отличающееся тем, что блок источников тока входит в состав микропроцессорного устройства.
3. Устройство погружной телеметрии, содержащее соединенные последовательно полупроводниковый диод и нагрузочный резистор, вывод которого соединен с выходом коммутирующего элемента, один или несколько аналоговых датчиков температуры, выполненные в виде двухполюсников, один или несколько аналоговых датчиков давления, выполненные в виде четырехполюсников, второй вывод каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика температуры соединен с общим проводом, микропроцессорное устройство, подключенное управляющим выходом к первому входу коммутирующего элемента, а вторым входом - к общему проводу, причем полупроводниковый диод присоединен одним выводом к входной клемме, а вторым - к первому выводу нагрузочного резистора, отличающееся тем, что оно содержит один или несколько аналоговых датчиков вибрации, выполненных в виде четырехполюсников, второй вывод которых соединен с общим проводом, блок источников тока, гальванический элемент, второй вывод которого присоединен к общему проводу, а первый вывод соединен с входом питания микропроцессорного устройства, первый вывод каждого аналогового датчика температуры, вывод каждого аналогового датчика вибрации и каждого аналогового датчика давления присоединены к соответствующим с первого по К выходам блока источников тока, также первый вывод каждого аналогового датчика температуры и первый, третий и четвертый выводы каждого аналогового датчика давления и каждого аналогового датчика вибрации присоединены к соответствующим с первого по N аналоговым входам микропроцессорного устройства.
4. Устройство погружной телеметрии по п. 3, отличающееся тем, что блок источников тока входит в состав микропроцессорного устройства.
