Устройство для определения количества бурового раствора в емкости
DEVICE FOR DETERMINING THE QUANTITY OF DRILLING SOLUTION IN A TANK

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может быть использовано в системах управления буровыми установками.
Известен вибрационный датчик для контроля концентрации буровых растворов (см. SU 453613 А1, 15.12.1974), содержащий возбудитель колебаний и чувствительный элемент. Возбудитель колебаний выполняют в виде электромеханического преобразователя колебаний, а чувствительный элемент - в виде сетки, плоскость которой ориентирована перпендикулярно направлению колебаний. Сетка жестко, связана со стержнем возбудителя колебаний. В датчике размеры ячеек сетки чувствительного элемента выбираются с максимально допустимым размером комков используемого для приготовления бурового раствора материала. Разрушение комков материала до размера, меньшего, чем ячейки сетки, обуславливает резкое уменьшение лобового сопротивления чувствительного элемента, что сигнализирует о завершении процесса обработки материала до нужной концентрации.
К недостатку этого известного датчика можно отнести необходимость в выборе размера ячеек сетки в соответствии с размером комков материала.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является принятый автором за прототип способ определения массы материала в емкости и устройство для его осуществления (SU 1520351 А1, 07.11.1989). В данном способе и устройстве осуществляют с помощью излучателя СВЧ-колебаний послойное облучение материала в горизонтальной плоскости последовательно, начиная нижнего слоя у дна емкости до верхнего слоя сыпучего материала, при этом высота слоя равна уровню материала, деленную на число слоев, одновременно внутри каждого слоя регистрируют СВЧ-колебания, рассеянные на частицах материала, по их интенсивности определяют среднюю насыпную плотность и вычисляют массу каждого слоя, массу материала в емкости определяют как сумму последовательно измеренных масс всех слоев.
Недостатком этого известного способа и устройства можно считать конструктивную сложность, связанную с круговым облучением материала СВЧ-потоком и регистрацией рассеянных на частицах сыпучего материала СВЧ-сигналов.
Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение процесса определения количества бурового раствора в емкости.
Технический результат достигается тем, что устройство для определения количества бурового раствора в емкости содержит источник электромагнитных колебаний, детектор и усилитель, введены передающий и приемный отрезки прямоугольного волновода, диэлектрический волновод, закрепленный вертикально на боковой стенке емкости и вычислитель высоты слоя бурового раствора, причем выход источника электромагнитных колебаний соединен с входом передающего отрезка прямоугольного волновода, выход которого через диэлектрический волновод подключен к входу приемного отрезка прямоугольного волновода, выход приемного отрезка прямоугольного волновода через детектор соединен с входом усилителя, выход усилителя подключен к входу вычислителя высоты слоя бурового раствора.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, измерение мощности прошедшего через буровой раствор электромагнитного сигнала при его взаимодействии с контролируемой средой, дает возможность определить количества раствора в емкости.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу определения количества бурового раствора в емкости на основе измерения мощности электромагнитной волны, прошедшей через контролируемый раствор с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процесса определения количества бурового раствора в емкости.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Данное устройство содержит источник электромагнитных колебаний 1, передающий отрезок прямоугольного волновода 2, диэлектрический волновод 3, соединенный с приемным отрезком прямоугольного волновода 4, детектор 5, усилитель 6 и вычислитель высоты слоя раствора 7. На фигуре цифрой 8 обозначена емкость.
Устройство работает следующим образом. После смешивания дисперсионного материала с порошкообразным материалом, образованная смесь поступает в емкость 8, в которой перемешивают данную смесь и в итоге получают раствор, который далее используется как буровой раствор. Как правило, по составу буровой раствор содержит глиноматериал, чаше всего в виде порошка, воду и защитный реагент. На буровых установках наиболее распространение получил буровой раствор на водной основе, который по физико-химическим свойствам можно отнести к диэлектрическим средам с определенной величиной диэлектрической проницаемости.
В предлагаемом техническом решении определение количества бурового раствора основывается на использовании эффекта взаимодействия увлажненного бурового раствора с электромагнитными колебаниями. Согласно принципу работы предлагаемого устройства с выхода источника электромагнитных колебаний 1 электромагнитный сигнал (волну) направляют на вход передающего отрезка прямоугольного волновода 2. Далее сигнал переносится, на вход диэлектрического волновода 3, закрепленного вертикально на одной из боковых стенок емкости. Распространяющейся по диэлектрическому волноводу волну принимают приемным отрезком прямоугольного волновода 4, расположенного на дне емкости снаружи. В данном случае длина диэлектрического волновода должна равняться внутренней высоте емкости, и, кроме того, дно емкости выполняется из диэлектрического материала с возможностью прохождения волны через материал дна (диэлектрическое дно). Диэлектрический волновод и диэлектрическое дно целесообразно выполнить из материала, исключающего налипание раствора на их поверхностях (например, фторопласта). Кроме того конструктивно закрепленный на вертикальной внутренней стенке емкости диэлектрический волновод не является мешающим в процессе перемешивания смеси в емкости и обеспечивает узкую направленность волны по буровому раствору.
При отсутствии раствора в емкости, сигнал почти без потерь распространяется по волноводу и снимается с помощью приемного отрезка волновода. В данном случае, так как электромагнитная волна (сигнал) взаимодействует с контролируемым раствором, содержащим кроме других компонентов еще воду, то мощность прямой волны по мере ее распространения по раствору будет ослабевать. В общем виде степень ослабления мощности этого сигнала будет зависеть от диэлектрической проницаемости бурового раствора, от толщины диэлектрического дна емкости и высоты слоя раствора в емкости. В рассматриваемом случае если считать, что диэлектрическая проницаемость бурового раствора и толщина диэлектрического дна емкости в процессе контроля остаются постоянными, то тогда ослабление мощности электромагнитного сигнала, прошедшего через буровой раствор (посредством диэлектрического волновода) произойдет за счет увеличения количества (массы) раствора по высоте емкости. Другими словами рост количества раствора в емкости будет сопряжен с уменьшением мощности прошедшего через раствор сигнала (рост слоя увлажненного раствора). Следовательно, величина прошедшего через слой раствора электромагнитного сигнала, улавливаемого приемным отрезком прямоугольного волновода, может быть использована для определения высоты слоя бурового раствора (равномерно распределение раствора в емкости) в емкости. Так как увеличение высоты слоя раствора в емкости приведет к увеличению количества раствора, то информация, полученная мощностью прошедшего электромагнитного сигнала о высоте слоя, далее может быть использована для определения количества бурового раствора в емкости. В соответствии с этим определение количества бурового раствора в данном случае предусматривает вычисление объема раствора, занимаемого в емкости. Для этого в предлагаемом техническом решении по мощности прошедшего через буровой раствор электромагнитного сигнала, определяется высота слоя раствора и затем с учетом площади основания емкости находится объем раствора в емкости, т.е. количество раствора. В силу этого если обозначить S площадь основания емкости, h высоту слоя бурового раствора в емкости, то по их произведению можно вычислить количество (объем) раствора. При этом максимальная мощность согнала, снимаемого с выхода приемного отрезка прямоугольного волновода, будет соответствовать к отсутствию раствора в емкости, а минимальная мощность - максимальному количеству раствора. В устройстве для измерения мощности выходного сигнала приемного отрезка волновода его выходной сигнал падают на вход детектора 5. После этого усиленный сигнал усилителем 6, поступает на вход вычислителя высоты слоя раствора 7. В последнем с учетом площади основания емкости определяется количество бурового раствора в емкости.
Предлагаемое техническое решение при известных значениях суммарной массы дисперсионного и порошкообразного материалов при их смешивании, может быть использовано и для определения текущей плотности бурового раствора в емкости. Для этого необходимо предварительно произвести взвешивание дисперсионного и порошкообразного материалов. После этого по отношению суммарного веса раствора (компонентов) в емкости к объему раствора, можно найти текущее значение плотности раствора в емкости. При отклонении плотности бурового раствора от нормативных значений, плотность может быть скорректирована посредством варьирования количеством используемых смешиваемых компонентов. Кроме того, предлагаемое устройство дает возможность, при известных значениях текущего объема раствора в емкости и массы одного компонента, вычислить массу другого (неизвестного) компонента.
Предлагаемое устройство, помимо решения вышеприведенных задач, успешно может быть использовано для контроля различных суспензий, включающих двух и более компонентов.