Датчик усилия натяжения каната

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для дистанционной передачи в системы сбора данных геолого-технологических исследований, регулирования и управления технологическими процессами контроля и измерения силы натяжения каната стального талевого, применяемого на буровых вышках в нефтедобывающей промышленности.
Датчик усилия натяжения каната предназначен для непрерывного преобразования измеряемого параметра (усилия натяжения неподвижной части каната) в электрический сигнал для дистанционной передачи в системы сбора данных геолого-технологических исследований, системы контроля, регулирования и управления технологическими процессами.
Известно устройство для измерения силы натяжения каната (RU 47517, кл. G01 L5/04, 2005 г.), содержащее силоизмерительный тензорезисторный консольный датчик, в проходных отверстиях которого установлены две направляющие опоры, равноудаленные от расположенной между ними центральной опоры, ограничивающей ход прижимного упора, соединенного стяжными болтами и гайками, установленными через тарельчатые шайбы, с планкой, упирающейся в корпус датчика и закрепляющей на корпусе центральную опору. Все опоры спрофилированы по диаметру каната, при этом центральная опора имеет меньшую высоту, чем направляющие опоры. Устройство устанавливают так, чтобы канат проходил через опоры. Прижимной упор прогибает канат и нагружает опору с усилием, равным составляющей силы натяжения в направлении оси опоры. Это усилие измеряется тензодатчиком и автоматически пересчитывается в силу натяжения каната в блоке обработки информации.
Недостатком известного устройства является отсутствие регулировки угла изгиба каната из-за фиксированного угла его прогиба. Таким образом, диапазон измерений усилий натяжения каната строго фиксирован и угол прогиба должен подбираться под конкретное усилие. Кроме того, из-за трения в опорах, спрофилированных по диаметру каната, зависящего от прикладываемого к тросу усилия, погрешность измерений составляет от 5 до 10%. Опоры должны быть спрофилированы по диаметру каната, что в условиях буровых работ затруднительно выполнить, т.к. диаметры канатов, применяемых на буровых вышках разные (22, 25, 28, 32, 39, 46).
Прототипом полезной модели является устройство для измерения натяжения гибких длинномерных изделий (RU 2494361, кл. G01 L5/04, 2013 г.), включающее блок обработки, индикации и хранения информации, размещенный в протяженной балке со встроенным чувствительным элементом в виде тензодатчика и с тремя опорами - центральной и концевыми, рычажный элемент для создания изгиба измеряемого изделия и фиксатор положения на измеряемом изделии. Фиксатор и рычажный элемент установлены на центральной опоре, выполненной подвижной в направлении, перпендикулярном продольной оси с возможностью рабочего контакта центральной и концевых опор с измеряемым изделием по одну его сторону от его продольной оси, а концевые опоры выполнены неподвижными. Фиксатор выполнен в виде скобы с винтовым прижимом. Центральная и концевые опоры имеют форму желоба, выполненного с полукруглым профилем и ориентированного вдоль устройства, а длина центральной опоры выполнена равной сумме длин концевых опор.
Недостатком известного устройства является ограничение по его использованию, т.к. устройство рассчитано на определенные габаритные характеристики канатов. Кроме того, устройство не рассчитано на работу со скачкообразным изменением параметров измерения, что часто встречается в сложных условиях работы на буровой установке.
Проблемой изобретения является разработка датчика усилия натяжения каната для бесперебойной работы буровых вышек нефтегазодобывающей промышленности.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции и эксплуатации, за счет возможности регулировки диапазона измеряемых усилий в зависимости от характеристик полиспастной системы, настройки и калибровки датчика перед его монтажом на канате стальном талевым, сохранение настроенного угла прогиба каната при его замене.
Поставленная проблема и заявленный технический результат достигаются тем, что датчик усилия натяжения талевого каната включает корпус с размещенными в нем чувствительным элементом в виде тензодатчика, центральную и две концевые опоры, установленные с возможностью их рабочего контакта с талевым канатом по одну сторону от его продольной оси, регулировочный узел для создания изгиба измеряемого талевого каната и фиксатор положения на канате. Согласно полезной модели центральная и две концевые опоры закреплены на балке. На концах центральной и концевых опор установлены ролики, контактирующие с талевым канатом через седловидные вкладыши. Балка смонтирована на двух параллельно ориентированных относительно друг друга планках. На одном конце планок закреплен корпус с тензодатчиком, а на противоположном конце - корпус регулировочного узла с регулировочным винтом, с установленной под головку шайбой, толщина которой соответствует смещению средней линии талевого каната.
Балка на параллельных планках смонтирована на направляющих.
Седловидные вкладыши между роликами и талевым канатом выполнены съемными с диаметром, соответствующим толщине талевого каната от 22 до 46 мм.
Шайба, установленная под головку регулировочного винта, с противоположной стороны зафиксированная контргайкой.
Фиксатор положения на канате выполнен в виде хомута смонтированного на неподвижном конце талевого каната, ниже концевой опоры.
Датчик выполнен во взрывозащищенном исполнении.
Расположение на концах центральной и концевых опор роликов, контактирующие с талевым канатом позволяет обеспечить центрирование седловидных вкладышей по отношению к талевому канату, обеспечивая тем самым минимальную площадь контакта вкладышей с прядями каната для уменьшения погрешности измерений из-за силы трения в контактирующих точках ролик-канат.
Наличие съемных седловидных вкладышей между роликами и талевым канатом позволяет расширить диапазон измерения и легко переналаживать устройство под диаметр измеряемого каната, без сложной процедуры демонтажа оборудования.
Установка балки на двух параллельно ориентированных друг другу планках, позволяет упростить и облегчить устройство, а также облегчить процесс монтажа – демонтажа оборудования на талевом канате.
Установка под головку регулировочного винта шайбы (набора шайб), толщина которой соответствует смещению средней линии талевого каната, обеспечивает в зависимости от толщины каната и заданной максимальной нагрузки на него рассчитывать угол преломления каната для заданного усилия при наличии такого требования к датчику со стороны Заказчика, что облегчает эксплуатацию устройства, позволяя заблаговременно установить соответствующие характеристики на датчик усилия натяжения каната.
Наличие направляющих на планках, на которых установлена балка, позволяет фиксировать датчик ортогонально к балке, обеспечивая  направление усилия на датчик в соответствии с его рекомендацией по эксплуатации.
Выполнение съемных седловидных вкладышей между роликами и талевым канатом полукруглыми с диаметром, соответствующим толщине талевого каната от 22 до 46 мм, позволяет в зависимости от толщины каната устанавливать их под ролики для обеспечения заявленных метрологических характеристик и уменьшения вариации показаний датчика.
Шайба (или набор шайб), установленная под головку регулировочного винта, с противоположной стороны зафиксированная контргайкой, обеспечивает повышение надежности установки, не позволяя самопроизвольному отвинчиванию гайки.
Фиксатор положения на канате выполнен в виде хомута, смонтированного на неподвижном конце талевого каната, ниже концевой опоры, обеспечивает предотвращение «сползание» устройства по канату в ходе эксплуатации.
Полезная модель поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлен датчик усилия натяжения талевого каната, установленный на неподвижный конец каната; на фиг. 2 – разрез по А-А; на фиг. 3 схема приложения сил в точках А, Б и В; на фиг. 4 – регулировочный узел.
Датчик усилия натяжения талевого каната (ДНК) выполнен во взрывозащищенном исполнении и включает корпус 1 с размещенными в нем чувствительным элементом в виде тензодатчика 2. На балке 3 закреплены центральная опора 4 и две концевые опоры 5 и 6, которые установлены с возможностью их рабочего контакта с талевым канатом 7 по одну сторону от его продольной оси. На концах центральной опоры 4 и концевых опор 5 и 6 (фиг.3) установлены ролики 8, контактирующие с талевым канатом 7 через седловидные вкладыши 9. Балка 3 смонтирована на двух параллельно ориентированных относительно друг друга планках 10. На одном конце планок закреплен корпус 1 с тензодатчиком 2, а на противоположном конце - корпус 11 регулировочного узла с регулировочным винтом 12, под головку 13 которого установлена шайба 14 (и/или набор шайб), толщина которой соответствует смещению средней линии талевого каната 7. Балка 3 на параллельных планках 10 смонтирована на направляющих 15. Седловидные вкладыши 9 между роликами 8 и талевым канатом 7 выполнены съемными с диаметром, соответствующим толщине талевого каната 7 от 22 до 46 мм. Шайба 14, установленная под головку 13 регулировочного винта 12, с противоположной стороны зафиксированная контргайкой 16. Фиксатор 17 положения на канате 7 выполнен в виде хомута смонтированного на неподвижном конце талевого каната 7, ниже концевой опоры 5 (фиг.1). Для подключения электропитания корпус 1 снабжен гермовводом 18.
Датчик усилия натяжения каната (ДНК) работает следующим образом.
н
датчик
ДНК закрепляют на канате 7 без его рассечки. В точках А и Б талевый канат 7 через седловидные вкладыши 9 опирается на крайние ролики 8, установленные на опорах 5 и 6 концов балки 3, и прогибается в средней точке В на заданный угол α (фиг.3). Под весом бурового инструмента и талевой системы в канате 7 возникают растягивающие усилия F, перпендикулярная составляющая которых F действует на точку прогиба В. В этой точке канат 7 опирается на седловидные вкладыш 9 (фиг.2), который передает усилие на тензодатчик 2. В качестве тензодатчика 2 использован тензометрический преобразователь 4044ДСТ, имеющий диапазон измеряемых усилий от 0 до 30 кН. Угол α преломления каната 7 определяется верхним пределом диапазона измеряемых усилий, возникающих в талевом канате 7, и, в конечном счете, зависит от грузоподъемности буровой установки и кратности полиспаста.
Перпендикулярная составляющая растягивающих усилий в канате 7 воспринимается тензодатчиком 2, который преобразует сдвиговую деформацию статической нагрузки в коэффициент передачи тензометрического моста по напряжению.
Конструкция ДНК позволяет выбирать верхний предел диапазона измеряемых усилий, устанавливая требуемый угол α преломления каната. Угол преломления α определяется смещением тензодатчика 2 относительно балки 3 на заданную величину h. При перемещении тензодатчика 2 в направлении балки 3 происходит смещение средней линии каната 7, и увеличивается угол α преломления. Перемещение тензодатчика 2 производится вращением винта 12. Вкручивание винта 12 в корпус 11 регулировочного узла приводит к движению тензодатчика 2 в направлении балки 3 и увеличению угла α преломления.
Величина перемещения тензодатчика 2 ограничивается набором шайб 14, которые подкладываются под головку 13 винта 12. С другой стороны шайбы 14 фиксируются контргайкой 16. Суммарная толщина шайб 14 выбирается таким образом, чтобы при полностью закрученном винте 12 в корпус 11 регулировочного узла обеспечивались требуемые смещение h средней линии каната 7 и угол α преломления.
При настройке ДНК величина перемещения тензодатчика 2 ограничивается гайкой 16, которая устанавливается и фиксируется на заданном расстоянии L от гайки 16. Расстояние L между головкой 13 винта 12 и гайкой 16 выбирается таким образом, чтобы при полностью закрученном винте 12 в корпус 11 обеспечивались требуемые смещение средней линии каната 7 и угол α преломления.
На неподвижном конце талевого каната 7 фиксируется с помощью двух планок 19, которые закрывают седловидные вкладыши 9 и не позволяют канату 7 выпадать из седловидных вкладышей 9. Хомут 17 устанавливают на канате 7 ниже точки Б крепления опоры 5, что предотвращает «сползание» датчика по канату 7 в ходе эксплуатации.
Настройка ДНК заключается в выборе верхнего предела диапазона измеряемых усилий натяжения талевого каната 7 и расчете необходимого угла α прогиба каната 7 (или величины смещения средней линии каната 7 на величину h) в датчике. При увеличении угла α прогиба каната 7 снижается верхний предел диапазона измерений и возрастает чувствительность датчика.
Для гарантированной установки требуемого угла α прогиба каната 7 следует настроить регулировочный узел, который позволяет сохранять угол α прогиба каната 7 в ходе эксплуатации датчика усилия натяжения талевого каната, а также при операциях демонтажа-монтажа.
Монтаж ДНК на канат 7 производят следующим образом:
устанавливают хомут 17 на неподвижном конце талевого каната 7, который является упором при монтаже и в дальнейшем предотвращает сползание датчика;
производят частичную разборку ДНК:
а) вывертывают регулировочный винт 12 настолько, чтобы обеспечить возможность прохождения каната 7 между вкладышами 9;
б) снимают планки10;
в) устанавливают ДНК на канат 7 выше хомута 17 так, чтобы канат 7 полностью вошел во вкладыши 9 на концах балки 3;
г) завертывают регулировочный винт 12 настолько, чтобы канат 7 не прогибаясь, не позволял ДНК сняться с каната 7;
д) устанавливают ранее снятые планки 10;
е) производят настройку натяжением с помощью регулировочного винта 12 до необходимого для измерений угла α.
После монтажа ДНК на талевом канате 7 необходимо провести градуировку с применением средств калибровки (эталонный динамометр, с допускаемой погрешностью измерений ±0,24 %).
Градуировка предназначена для определения соответствия между величиной выходного сигнала ДНК и действительным весом на крюке буровой установки. Градуировка проводится непосредственно на буровой установке по показаниям эталонного динамометра, закрепленного на крюке буровой.
Выходной токовый сигнал ДНК изменяется пропорционально измеряемой нагрузке на крюк буровой установки (F) и имеет линейно-возрастающую характеристику.
,
где F- текущее значение нагрузки, кН;
– диапазон измерений, кН.
Выходной сигнал ДНК при F=0, соответствует току «0V».
max
Выходной сигнал ДНК при F=F, не должен превышать «5V».
Датчик в отличие от прежних моделей, рассчитан для работы с различными по диаметру канатами талевой системы, применяемыми на буровых вышках, имеет регулировочный узел для настройки под диапазон измерений, обеспечивая заданную точность и малые значения вариаций измеряемого сигнала.
В настоящее время ДНК находится в стадии серийного производства, как прошедший испытания в ПАО «Сургутнефтегаз» с целью удостоверения годности и соответствия продукции требованиям, установленными в стандартах и ТУ.