ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ

Полезная модель относится к силоизмерительной технике и может быть использована при измерении усилия, приложенного к полированному штоку станка-качалки при нефтедобыче.
Известен тензорезисторный датчик силы, содержащий два параллельно расположенных упругих элемента, жестко соединенных между собой перемычкой, на упругих элементах находятся силовоспринимающие поверхности, соответственно по три со стороны нагружающей силы и со стороны опорной поверхности, на наружной стороне каждого упругого элемента размещен тензометрический полумост, закрытый крышкой с уплотнением - резиновым кольцом [1].
К недостаткам известного датчика силы следует отнести отсутствие самоустановки датчика между траверсами станка-качалки при восприятии нагрузки силовоспринимающими поверхностями. Вследствие неровностей контактируемых с датчиком поверхностей верхней и нижней траверс (или перекоса траверс) при нагружении датчика усилием, приложенным к полированному штоку станка-качалки, контакт датчика с траверсами (как с верхней так и с нижней) может происходить в одной или двух точках, что снижает чувствительность датчика к воспринимаемой нагрузке.
Расположение тензометрического полумоста на наружной поверхности упругого элемента датчика снижает точность измерения усилия, приложенного к полированному штоку станка-качалки. Относительная приведенная погрешность измерения усилия у такого датчика колеблется от 1.5% до 4%. Снижается так же надежность датчика. При эксплуатации датчика при температуре до - 60°С, что характерно для районов Западной Сибири и Крайнего Севера, происходит ослабление затяжки винтов крепления крышки тензометрического полумоста, что приводит к преждевременному выходу его
из работы при воздействии климатических факторов - дождя, снега, пыли, грязи.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является тензорезисторный датчик силы, содержащий два параллельно расположенных упругих элемента, жестко соединенных между собой перемычкой, на наружной стороне каждого упругого элемента размещены тензорезисторы, закрытые крышкой с уплотнениями. Крепление крышек к упругому элементу датчика усилия осуществляется парами с помощью дистанционных втулок и резиновых уплотнительных колец [2].
Данному датчику присущи те же недостатки, что и датчику [1]. Единственным преимуществом датчика [2] по сравнению с датчиком [1] является его более высокая надежность крепления крышек тензорезисторного полумоста, ввиду того, что винты крепления крышек заменены дистанционными втулками, стягивающими крышки парами на каждом упругом элементе, что однако не исключает возможности попадания снега и влаги в тензорезисторный полумост вследствие релаксации резиновых уплотнительных элементов при длительной эксплуатации при пониженной температуре (до - 60°С), что в конечном счете снижает надежность работы датчика.
В основу полезной модели положена задача создания такой конструкции тензорезисторного датчика силы, который отличался бы от аналога и прототипа более высокой точностью измерения действующего на упругие элементы усилия и более высокой надежностью в эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в тензорезисторном датчике силы на каждом упругом элементе симметрично силовоспринимающих поверхностей выполнен широкий сквозной паз прямоугольной формы, на параллельных сторонах внутренней поверхности которого наклеены как зеркальное отображение друг друга тензорезисторы полумоста и залиты компаундом, стойким к воздействию температур в диапазоне от - 60°С до +60°С, а упругие элементы с силовоспринимающими поверхностями
выполнены с возможностью ограниченного поворота друг относительно друга в параллельных плоскостях.
На фиг.1 изображен тензорезисторный датчик силы, вид сбоку; на фиг.2-то же, вид сверху;; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 - вид Б на фиг.3 при снятой крышке; на фиг.3 изображен тензорезисторный датчик силы в узле канатной подвески станка-качалки.
Тензорезисторный датчик силы содержит упругие элементы 1 и 2, соединенные перемычкой 3, на упругих элементах находятся соответственно силовоспринимающие поверхности 4, 5, 6, 7 и 8, 9, 10, 11. Поверхности 4, 5, 6, 7 - со стороны нагружающей силы, и такие же поверхности 8, 9, 10, 11 - со стороны опорной поверхности (поверхности 10, 11 на упругом элементе 2 условно не показаны). На каждом упругом элементе 1 и 2 симметрично силовоспринимающих поверхностей выполнен широкий сквозной паз 12 прямоугольной формы, на параллельных сторонах внутренней поверхности которого наклеены как зеркальное отображение друг друга тензорезисторы 13, 14 тензометрического полумоста. Тензорезисторы другого полумоста на упругом элементе 2 (условно не показаны) наклеены также как и тензорезисторы 13 и 14. Тензорезисторы обоих полумостов залиты компаундом типа «Виксинт».
Выступы квадратной формы 15 и 16 перемычки 3 входят в пазы такой же формы упругих элементов 1 и 2 с небольшим зазором 0,5...0,6 мм (фиг.3 и 4), что обеспечивает возможность ограниченного поворота упругих элементов 1 и 2 относительно друг друга в параллельных плоскостях. Упругие элементы 1 и 2 и перемычка 3 поджимаются друг к другу (стягиваются) с помощью крышек 17 винтами крепления 18, ввинчиваемыми в торцы квадратных выступов перемычки. Такая конструкция датчика силы обеспечивает возможность самоустановки датчика силы между траверсами станка-качалки при восприятии нагрузки силовоспринимающими поверхностями. Датчик силы контактирует своими силовоспринимающими поверхностями с верхней и нижней траверсами канатной подвески станка-качалки несмотря на их перекос
или неровности контактных поверхностей как минимум в трех точках с каждой стороны (со стороны силовоспринимающей и опорной поверхностей) фиг.5. В результате чего общая площадь контакта значительно увеличивается, что повышает чувствительность датчика к действующему усилию и стабильность его восприятия. Расположение тензорезисторов полумоста на параллельных сторонах внутренней поверхности широкого сквозного паза прямоугольной формы зеркально относительно друг друга, как показывают проведенные эксперименты по нагружению датчика на силонагружающей установке в лаборатории механических испытаний Института проблем сверхпластичности материалов Академии наук России (ИПСМ АН РФ), повышает точность измерения действующего усилия. Максимальная приведенная погрешность измерения усилия составляет 0,5%.
Заливка тензорезисторов обоих полумостов компаундом типа «Виксинт» повышает надежность эксплуатации датчика силы за счет обеспечения гарантированной герметичности тензорезисторного полумоста в рабочем диапазоне температур от - 60°С до +60°С.
Р/2
Р
Тензорезисторный датчик силы 19 (фиг.5) при эксплуатации устанавливается в узле канатной подвески между траверсами 20 и 21 при зафиксированном (специальным приспособлением) полированном штоке 22. При работе станка качалки в тросах 23 и 24 возникает усилие , а в полированном штоке 22 - усилие  (измеряемое), сжимающее через траверсы 20 и 21 упругие элементы 1 и 2, главным образом в рабочей зоне деформации, где расположены тензорезисторы.
В тензорезисторах возникает слабый ток, который усиливается и преобразуется микроконтроллером 25, встроенным в перемычку 3, в цифровой сигнал, передаваемый по кабелю 26 (интерфейсу RS-485) на сервер диспетчерского пункта (или в случае необходимости - на портативный компьютер) в виде действительного значения измеряемого усилия на полированном штоке станка - качалки, что позволяет автоматически рассчитывать фактический суточный дебит нефтеносной скважины.
Датчик выполнен в условиях механосборочного производства, не требует дефицитных материалов, уникальных комплектующих и покупных изделий, успешно прошел опытную эксплуатацию в НГДУ ОАО АНК, «Башнефть».
Полезная модель может быть использована в нефтедобывающей отрасли промышленности, а также в других отраслях промышленности для получения информации о статических изменяющихся усилиях сжатия или растяжения в сило - и весоизмерительных системах.
Источники информации:
1.Датчик усилия. 9А5. 159.008. Рекламный проспект ГУПНН «Авитрон- Ойл» дочернего предприятия Уфимского приборостроительного производственного объединения.
2. Патент РФ №2164669, кл. G 01 L1/22, 1999. Тензорезисторный датчик силы.