Оптический датчик контроля перемещения инструмента

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин и предназначена для контроля положения инструмента буровой установки посредством измерения перемещения талевого каната в полиспастную систему буровой установки с барабанов лебедки.
Важнейшим резервом в реализации задачи контроля перемещения инструмента является развитие и внедрение в практику геологоразведочных работ прогрессивного направления промысловой геофизики – геолого-технологических исследований, проводимого непосредственно в процессе бурения скважины, без простоя буровой бригады и бурового оборудования. Геофизические исследования скважин способны решать комплекс геологических и технологических задач, направленных на оперативное выделение в разрезе бурящейся скважины характеристик, экспрессного опробования и изучения выделенных объектов, обеспечения безаварийной проводки скважин и оптимизацию режима бурения с целью достижения оптимальных технико-экономических показателей процесса бурения.
Датчик контроля перемещения инструмента геолого-технологических исследований представляет собой микроконтроллерный измерительный комплекс, который обрабатывает сигналы от датчика оборотов вала буровой лебедки и вычисляет положение талевого блока, рабочего инструмента бурового станка вдоль ствола скважины, и предназначен для использования в наземных системах сбора данных геолого-технологических исследований.
Известен датчик угловой скорости и угловых перемещений (RU 120234, кл. G01P 3/36, 2012 г), содержащий источник электропитания, преобразователь напряжения, датчик оборотов, связанный с блоком электроники. Датчик оборотов включает корпус с герметичной крышкой, внутри которого по оси симметрии смонтирована ось с закрепленным на ней с возможностью вращения барабаном, выполненным в виде полого цилиндра со сплошным днищем. По периметру барабана на боковых стенках образованы зубья со 128 щелями между ними. Внутри корпуса смонтирован оптический сенсор, включающий светодиод и фотоприемник. Расчет модуляции светового потока от светодиода, проходящего через щели барабана и падающего на фотоприемник осуществляется, по заданному оператором в программе управления, алгоритма измерения. Выступающая из корпуса ось вращения барабана связана, например - механически, через шестеренчатую передачу, с объектом измерений, например - с вращающимся ротором двигателя турбобура бурового агрегата.
Недостатком такой конструкции является сложность его эксплуатации, требующей многократного модулирования сигналов, как при подаче, так и при приеме сигналов считывания участвующих в работе датчика.
Проблемой полезной модели является усовершенствование конструкции оптического датчика контроля перемещения инструмента.
Техническим результатом полезной модели является повышение эксплуатационных характеристик датчика.
Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что оптический датчик контроля перемещения инструмента включает блок электроники, связанный с корпусом оптической головки, внутри которого смонтированы оптопара и на конце вала с возможностью вращения барабан, выполненный в виде полого цилиндра, с образованными по периметру периодически чередующимися между собой зубьями и щелями. Согласно полезной модели в корпусе оптической головки дополнительно смонтирована вторая оптопара, расположенная на печатной плате последовательно относительно первой оптопары. По периметру барабана образовано 25 зубьев и 25 чередующихся с ними щелей. Все щели равны между собой по ширине. Внешний конец вала снабжен посадочным местом для возможности установки на нем шкива.
На посадочное место внешнего конца вала можно установить в зависимости от модификации контролируемого оборудования шкив под ремень или шкив под тросик.
Вал оптической головки связан с валом контролируемого устройства с возможностью их синхронного вращения.
Установка в оптической головке дополнительной оптопары позволяет удвоить количество рабочих импульсов, не прибегая к сложному модулированию сигналов при этом иметь на выходе два сигнала, характеризующие количество импульсов и направление вращения вала буровой лебедки. Импульсные сигналы в процессоре блока электроники оцифровываются и выдаются в программу верхнего уровня, как законченный материал для вычислений и регистрации.
Зубья в количестве 25 штук и чередующиеся с ними 25 щелей позволяют получать сигнал в 50 импульсов. Указанное количество импульсов позволяет обеспечить точность измерения перемещения в диапазоне 1 см, что соответствует руководящим документам для геофизических исследований скважин. Возможное увеличение количества импульсов не требуется, так как приведет к усложнению и удорожанию электронной схемы, а уменьшение их количества снизит эксплуатационные характеристики датчика.
Выполнение щелей равных по ширине обеспечивает равенство получаемых импульсов, влияющих на точность измерения.
Выполнение внешнего конца вала с посадочным местом обеспечивает возможность установки на нем шкива под ремень или шкива под тросик, повышая тем самым эксплуатационные характеристики оборудования, позволяя использовать датчик на различных модификациях буровых лебедок.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая головка датчика контроля перемещения инструмента, устанавливаемая в непосредственной близости с валом буровой лебедки, со шкивом под ремень; на фиг. 2 - разрез оптической головки; на фиг. 3 – увеличенный фрагмент оптической головки; на фиг. 4 – пример установки оптического датчика контроля перемещения инструмента, со шкивом под тросик.
Оптическая головка датчика контроля перемещения инструмента включает блок электроники (на рисунке не показан), связанный через гермоввод 1 посредством кабеля, который установлен в корпусе 2. Внутри корпуса 2 на валу 3 с возможностью вращения установлен барабан 4, выполненный в виде полого цилиндра. По периметру барабана 4 образованы периодически чередующиеся между собой зубья 5 и щели 6 равные по ширине. Количество зубьев 5 и щелей 6 соответствует по 25 штук. В корпусе 2 оптической головки смонтированы на печатной плате 7 две оптопары: первая оптопара 8 и вторая оптопара 9. Оптопары 8 и 9 смонтированы последовательно друг за другом по периметру окружности. Внешний конец 10 вала 3 посадочным местом для возможности установки на нем шкива 11 под ремень или шкива 12 под тросик. Внешний конец 10 вала 3 оптической головки связан с валом контролируемого инструмента с возможностью их синхронного вращения.
Датчик контроля перемещения инструмента устанавливают в непосредственной близости от вала лебедки со стороны установки тормозного вертлюжка. В разрыв вала лебедки и тормозного вертлюжка устанавливается шкив аналогичный шкиву 11 оптической головки. Шкив на валу лебедки и шкив 11 оптической головки связывают между собой ременной передачей.
Могут быть использованы различные модификации привода: ременная передача (фиг. 1) или привод от тросика (фиг. 4). С помощью ременной передачи (или тросика), шкив датчика связан валом буровой лебедки. Тросик передает вращение непосредственно с участка вала буровой лебедки на шкив 12. Пазы под тросик должны быть равны диаметру вала лебёдки. Датчик монтируют в непосредственной близости от вала буровой лебедки на стойке (на фиг. не показано), входящей в комплект поставки датчика. Перед началом работы датчик настраивают на количество импульсов за один оборот. Для этого в приемном устройстве, которое унифицировано для работы с различным количеством импульсов на оборот, в программном окне указывают количество импульсов на оборот равное 50, так как количество щелей 6 барабана 4 составляет 25. Оптический датчик преобразует угол вращения вала 3 датчика в последовательность электрических импульсов. Количество оптических импульсов преобразуется в удвоенное количество электрических импульсов и используется для вычисления угла поворота вала 3, а начало импульсов от оптопары 8 или 9 – для определения направления вращения. Электронная часть датчика состоит из двух оптопар 8 и 9, последовательно смонтированных внутри корпуса 2. Счетный импульс формируется при открытии и закрытии оптопары 8 зубом 5 барабана 4. Сигнал количества импульсов обозначен Step (шаг). Таким образом, количество импульсов на один оборот равно удвоенному числу зубьев 5 (50 импульсов барабана 4 с 25зубьями).
Принцип работы датчика контроля перемещения инструмента основан на преобразовании угла поворота барабана буровой лебедки в пропорциональное количество импульсов с последующим пересчетом их в линейное перемещение талевого блока (бурильной трубы, квадрата и т.п.).
Плата электроники 7 преобразует две последовательности импульсов от оптопар 8 и 9 в счетные импульсы и определяет направление вращения вала 3 (10). В общем случае, количество импульсов на полный оборот вала 3 (10) указывается как один из параметров в программных средствах настройки датчика контроля перемещения инструмента. Блок электроники преобразует число импульсов в цифровой сигнал. В процессе калибровки в программах верхнего уровня оценивается правильность показаний частоты вращения вала 3 (10) лебедки с показаниями тахогенератора буровой установки. В конечном итоге в программе верхнего уровня в зависимости от диаметра талиевого каната, способа заполнения барабанов лебедки и коэффициента полиспастной системы буровой установки рассчитывают глубину или положение инструмента относительно нулевой отметки бурения скважины, с учетом приращения веса бурильной колонны.
В настоящее время изготовлена опытная партия оптического датчика контроля перемещения инструмента и в течение 4 месяцев проведено успешное его испытание. Испытания датчика подтвердили повышенные эксплуатационные характеристики датчика, т.к. он позволяет за счет описанной выше конструкции определить направление вращения вала и величину линейного перемещения талевого каната.