CN103940731A - 液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，包括封闭缸体、活塞、参数测量组件，所述活塞位于封闭缸体内，将封闭缸体隔离为两个封闭的腔室，所述封闭腔体底部有试验介质流道，所述活塞内有贯通的液压油通道；所述参数测量组件固定连接在活塞上，其输出信号线与模拟装置的控制面板连接。本测量装置可连接到模拟装置在实现高温高压环境模拟的同时，得到同步的弹性模量和热膨胀系数，液压油的物理参数和其工作环境具有同步性，确保了测得参数的准确性。

Description

液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置

技术领域

本发明涉及一种液压油物理量的测量装置，特别是涉及一种在进行超高温超高压工作环境模拟时同步进行液压油弹性模量及热膨胀系数测量的测量装置。

背景技术

测井仪器的工作环境为高温高压环境，因此测井仪器都采用耐高温的元器件或材料来实现仪器的耐高温性能，为了避免仪器因高压而损坏，就要采用耐高压设计，在选用强度高的材料仍不能满足抗压要求的情况下，通常采用平衡内外压力降低对仪器耐压要求。

液压油具有氧化稳定性、防锈作用、消泡性、不导电性、抗燃性等良好的性质，因此测井仪器常选用液压油作为实现内外压力平衡的工作介质。在设计测井仪器的液压平衡装置时，液压油的体积弹性模量和热膨胀系数是两个至关重要的参数。现有测井仪器在设计液压平衡装置时，常把液压油的体积弹性模量和热膨胀系数看作一个常量，取一个粗略的估算值，据此设计的液压平衡装置很难保证在高温高压下能可靠的工作。由于液压油的体积弹性模量和热膨胀系数是随压力和温度不断变化的,准确测量液压油的上述参数就极为重要。

现有的液体体积弹性模量测量方法分为定义法、波速法、互相关测速法、流量法等，每一种测量方法都有与其相对应的测量装置。

波速法不调节被测液体的压力；互相关测速法和流量法一般无温度调节措施且不适应超高压力条件；而定义法直观、实现的形式多样、可以实现超高压力温度调节且测量精度高，因此本专利拟采用定义法来实现对超高压力温度状态液压油体积弹性模量的测量。

现有定义法测量装置有以下缺陷：

1）难以实现在-40～180℃范围内对被测液压油进行温度调节，并使其温度稳定在某一数值。

2）难以实现在0～140MPa范围内对被测液压油进行压力调节，单一油泵加压很难达到如此超高压力。

3）难以实现最大差压力达140MPa时压缩活塞杆的动密封，即难以控制被测液压油通过动密封处的泄漏。

4）在超高压力下，被测液压油容腔即缸体会发生径向变形，此时靠测量活塞位移不能反映被测液压油的真实体积。

发明内容

本发明提供一种液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其目的是实现在超高温超高压模拟装置内实现对液压油弹性模量和热膨胀系数的测量。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，包括封闭缸体、活塞、参数测量组件，所述活塞位于封闭缸体内，将封闭缸体隔离为两个封闭的腔室，所述封闭腔体底部有试验介质流道，所述活塞内有贯通的液压油通道；所述参数测量组件固定连接在活塞上。

进一步地，所述活塞包括活塞本体和导向杆，所述导向杆一端与活塞本体固定连接，另一端与封闭缸体底部活动连接。

进一步地，所述导向杆和封闭缸体底部接触面设置有导向套，所述导向套与封闭缸体底部固定连接。

进一步地，所述活塞本体通过密封圈和防尘圈形成与封闭缸体之间的动密封。

进一步地，所述参数测量组件包括压力温度传感器、位移传感器、传感器支座和信号引出组件；所述压力温度传感器、位移传感器固定连接在传感器支座上，所述传感器支座与活塞本体通过复位机构连接，所述压力温度传感器的端部伸入液压油通路，所述压力温度传感器和位移传感器测得的参数通过信号引出组件输出。

进一步地，所述复位机构包括弹簧和弹簧座，所述弹簧安装在弹簧座上，所述弹簧座包括下弹簧座和上弹簧座，所述下弹簧座与活塞本体固定连接，所述上弹簧座与传感器支座固定连接，所述下弹簧座和所述上弹簧座之间预留有压缩空间。

进一步地，所述封闭缸体由缸体下半部、缸体上半部、缸体端盖和模拟装置接头组成；

进一步地，所述缸体下半部和缸体上半部通过传感器支座连接；

进一步地，所述缸体端盖与缸体下半部螺纹连接；所述缸体上半部和所述模拟装置接头通过快旋螺母连接。

进一步地，所述传感器支架与缸体下半部连接部位安装有快旋螺母。

所述缸体上半部与模拟装置接头连接的端部设置有单向阀。

进一步地，所述信号引出组件安装在模拟装置接头的空腔内，包括母插座和承压接头，所述母插座上的母针和承压接头公针配合；所述承压接头与模拟装置接头密闭配合，与缸体上半部端部键连接。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

测量装置实现了高温高压下液压油体积弹性模量和热膨胀系数的联合测量，大大节约了测量的时间和成本，为测井仪器液压平衡装置的设计提供了有效的数据支持，使测井仪器在高温高压环境下更可靠的工作。

本测量装置可连接到超高温高压模拟装置在进行高温高压环境模拟的同时，得到同步的弹性模量和热膨胀系数，液压油的物理参数和其工作环境具有同步性，确保了测得参数的准确性。

附图说明

图1是本发明所述测量装置结构示意图。

图2是所述测量装置与超高温超高压模拟装置连接示意图。

附图标记：1-上密封头、2-上压环、3-筒体、4-导向部、5-夹热套、8-固定螺母、9-导向套、10-缸体端盖、11-内六角沉头螺钉、12-防尘圈挡板、13-防尘圈、14-活塞、15-密封圈、16-下弹簧座、17-弹簧、18-缸体下半部、19-上弹簧座、20-密封圈、21-传感器支座、22-快旋螺母、23-密封圈、24-位移传感器、25-缸体上半部、26-位移信号线、27-压力温度信号线、28-单向阀、29-快旋螺母、30-密封圈、31-键槽、32-母插座、33-密封圈、34-承压接头、35-母插座、36-接头、38-位移信号引出线、39-压力温度信号引出线、40-挡圈、41-挡圈、42-注油嘴、43-压力温度传感器、44-键槽、45-键、46-液压油腔体、47-密封圈、48-固定件、49-试验介质腔体、50-试验介质流道、51-出油嘴。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

本测量装置的设计依据是液压油体积弹性模量和热膨胀系数的定义。

1.液压油体积弹性模量的定义

$K=V_0\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔV}}$

式中，K为液压油的体积弹性模量（MPa）；V₀为初始状态的油液体积（mm³）；ΔP为油液压力的改变量（MPa）；ΔV为与ΔP对应的油液体积改变量（mm³）。

根据上式可知要测量液压油的体积弹性模量，需要知道液压油的初始体积V₀，压力变化量ΔP和体积变化量ΔV。

2.液压油热膨胀系数的定义

$\mathrm{\α}=\frac{1}{V_0}\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔT}}$

式中，α为液压油的热膨胀系数（℃）；V₀为初始状态的油液体积（mm³）；ΔT为油液温度的改变量（℃）；ΔV为与ΔT对应的油液体积改变量（mm³）。

根据上式可知要测量液压油的热膨胀系数需要知道液压油的初始体积V₀，温度变化量ΔT和体积变化量ΔV。

本测量装置的设计思路为：注入液压油的初始体积V₀通过注入液压油的质量和密度得到。

内部液压油的压力变化通过试验介质的注入，引起液压油的压缩来实现，内部液压油的压力变化量ΔP通过压力温度传感器43的压力读数经过差值得到；

内部液压油的温度变化通过将本测量装置放置在已有的超高温超高压模拟装置内，使两者处于同一温度场内，内部液压油的温度变化量ΔT通过压力温度传感器43的温度读数经过差值得到。

内部液压油的体积变化量ΔV通过位移传感器24测得活塞本体14的位移，再乘以活塞本体14的横截面积得到。

其具体结构参见图1。如图1所示，一种液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，包括封闭缸体、活塞、参数测量组件，所述活塞位于封闭缸体内，将封闭缸体隔离为两个封闭的腔室，所述封闭腔体底部有试验介质流道50，所述活塞内有贯通的液压油通道，液压油通道进油端有油嘴51；所述参数测量组件固定连接在活塞上。

所述活塞包括活塞本体14和导向杆4，所述导向杆4一端与活塞本体14固定连接，另一端与封闭缸体底部活动连接。

所述导向杆4和封闭缸体底部接触面设置有导向套9，所述导向套9与封闭缸体底部固定连接。

所述活塞本体14通过密封圈15和防尘圈13形成与封闭缸体之间的动密封。

所述参数测量组件包括压力温度传感器43、位移传感器24、传感器支座21和信号引出组件；所述压力温度传感器43、位移传感器24固定连接在传感器支座21上，所述传感器支座21与活塞本体14通过复位机构连接，所述压力温度传感器43的端部伸入液压油通路，所述压力温度传感器43和位移传感器24测得的参数通过信号引出组件输出。

所述复位机构包括弹簧17和弹簧座，所述弹簧17安装在弹簧座上，所述弹簧座包括下弹簧座16和上弹簧座19，所述下弹簧座16与活塞本体14固定连接，所述上弹簧座19与传感器支座21固定连接，所述下弹簧座16和所述上弹簧座19之间预留有压缩空间。

所述封闭缸体由缸体下半部18、缸体上半部25、缸体端盖10和模拟装置的接头36组成；所述缸体下半部18和缸体上半部25通过传感器支座21连接；所述缸体端盖10与缸体下半部18螺纹连接；所述缸体上半部25和所述模拟装置的接头36通过快旋螺母29连接。

所述传感器支架21与缸体下半部18连接部位安装有快旋螺母22。

所述缸体上半部25与模拟装置的接头36连接的端部设置有单向阀28。

所述信号引出组件安装在模拟装置的接头36的空腔内，包括母插座32、35和承压接头34，所述母插座32、35上的母针和承压接头34公针配合；所述承压接头34与模拟装置的接头36密闭配合，与缸体上半部25端部键连接。

上述测量装置的安装过程如下：

将活塞本体14和传感器支座21通过弹簧联接之后的装配体放入下缸体18，使传感器支座上的键45进入下缸体18上的键槽44中，固定下缸体18，旋转快旋螺母22，活塞本体14和传感器支座21通过弹簧联接之后的装配体直线前进。活塞本体14和下缸体18之间用O形密封圈15进行密封，传感器支座21和下缸体18之间用O形密封圈20进行密封，固定件48用密封圈47进行密封。上缸体25通过螺纹安装在传感器支座21上，通过O形密封圈23进行密封。单向阀28和油嘴42通过螺纹安装在上缸体25上。

母插座32安装在上缸体25上，通过挡圈41固定。上缸体25上安装有快旋螺母29，快旋螺母29可以在上缸体25上自由转动。多芯承压接头34和母插座35安装在模拟装置的接头36上，通过挡圈40固定，多芯承压接头34通过两个O形密封圈33与模拟装置的接头36进行密封。当上缸体25与模拟装置的接头36进行装配时，多芯承压接头34上的键进入上缸体25上的键槽31中，固定上缸体25，旋转快旋螺母29，模拟装置的接头36直线前进。导向套9通过导向套固定螺母8固定在缸体端盖10上，缸体端盖10通过螺纹固定在下缸体18上。

位移传感器24的信号引出线26和压力温度传感器43的信号引出线27焊接在母插座32的母插针上，母插座32的母插针与多芯承压接头34上的公插针相配合，多芯承压接头34上另一面的公插针与母插座35上的母插针相配合，在母插座35上的母插针上焊线38、39，分别将位移传感器24和压力温度传感器43的信号引出至模拟装置的控制面板上。

测量装置的注油和泄油过程如下：

注油过程为，用一根液压软管联接注油装置的抽真空/回油口与测量装置的出油嘴51；用另一根液压软管连接注油装置的出油口与测量装置的注油嘴42。打开注油装置上与回油管道连通的阀门，同时关闭注油装置上与出油管道连通的阀门，开启注油机的真空泵，对测量装置抽真空。完成对测量装置抽真空后，关闭真空泵。打开出油管道上的阀门，开启循环泵，对测量装置进行注油，使液压油腔体46中充满液压油。

测量结束，先打开注油嘴42，使空气进入测量装置，然后再打开注油嘴51，液压油从测量装置中流出，实现泄油。

本测量装置需要与现有的高温高压装置配合使用，现有的高温高压装置参见图2，其工作过程为：升温时，电加热装置开启，高位油箱中的油液通过油气分离器、循环油泵、电加热装置，经过电加热装置的油液温度升高，热油通过加热冷却换向阀到夹热套5上进口，在夹热套5内流动，然后通过夹热套5下进口，经过油气分离器，回到循环油泵，再次经过电加热装置，通过热油循环方式使筒体3内的试验介质水的温度升高，进而使测量装置内的油温升高。降温时，冷却塔中的水进入水箱，冷却水泵使冷却水在冷却箱内循环，加热冷却换向阀换位，使高温油液经过冷却箱，经过冷却后的油液进入夹热套5上进口，经过下进口、油气分离器、循环油泵、加热冷却换向阀、冷却箱在夹热套5内循环，进而使筒体3内的水温降低，测量装置内的油温也随之降低。加压时，采用高压小流量泵经过高压小流量加压阀向筒体3内注水，进而使筒体3内的压力升高。减压时，通过卸压阀向外排水，进而使筒体3内的压力降低。

两者之间的连接参见图2，本发明所述测量装置通过模拟装置的接头36与上密封头1螺纹连接，通过两个O形密封圈37进行密封，当上密封头1和测量装置放入筒体3中后，旋转上压环2压紧上密封头1。筒体3中的试验介质通过导向套9上的流道50进入试验介质腔体49中。本实施例中选用的试验介质为纯净水。

当筒体3中试验介质水的温度升高时，液压油腔体46中液压油的温度也随之升高，油液体积膨胀，活塞向下运动。当筒体3内水的压力升高时，腔体49中水的压力也随之升高，推动活塞向上运动，液压油腔体46中的液压油体积被压缩，液压油腔体46中的压力升高，当液压油腔体46和试验介质腔体49中的压力平衡时，活塞本体14停止运动。筒体3中的压力和温度通过超高温超高压测量装置控制面板读出，液压油腔体46中的压力和温度通过压力温度传感器43的电压读数和电阻读数经过换算得出，从而可以得到计算热膨胀系数所需的温度变化量ΔT和计算弹性模量所需的压力变化量ΔP；活塞本体14的位移通过位移传感器24的读数经过换算得出，通过将位移变化量与活塞本体横截面积相乘得到体积变化量ΔV。将上述数据分别代入弹性模量和热膨胀系数的计算公式，可得到与超高温超高压工作环境下同步的弹性模量和热膨胀系数。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，包括封闭缸体、活塞、参数测量组件，所述活塞位于封闭缸体内，将封闭缸体隔离为两个封闭的腔室，所述封闭腔体底部有试验介质流道（50），所述活塞内有贯通的液压油通道；所述参数测量组件固定连接在活塞上。

2.如权利要求1所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述活塞包括活塞本体（14）和导向杆（4），所述导向杆（4）一端与活塞本体（14）固定连接，另一端与封闭缸体底部活动连接。

3.如权利要求2所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述导向杆（4）和封闭缸体底部接触面设置有导向套（9），所述导向套（9）与封闭缸体底部固定连接。

4.如权利要求2或3所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述活塞本体（14）通过密封圈（15）和防尘圈（13）形成与封闭缸体之间的动密封。

5.如权利要求2或3所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述参数测量组件包括压力温度传感器（43）、位移传感器（24）、传感器支座（21）和信号引出组件；所述压力温度传感器（43）、位移传感器（24）固定连接在传感器支座（21）上，所述传感器支座（21）与活塞本体（14）通过复位机构连接，所述压力温度传感器（43）的端部伸入液压油通路，所述压力温度传感器（43）和位移传感器（24）测得的参数通过信号引出组件输出。

6.如权利要求5所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述复位机构包括弹簧（17）和弹簧座，所述弹簧（17）安装在弹簧座上，所述弹簧座包括下弹簧座（16）和上弹簧座（19），所述下弹簧座（16）与活塞本体（14）固定连接，所述上弹簧座（19）与传感器支座（21）固定连接，所述下弹簧座（16）和所述上弹簧座（19）之间预留有压缩空间。

7.如权利要求1或2或3所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述封闭缸体由缸体下半部（18）、缸体上半部（25）、缸体端盖（10）和模拟装置的接头（36）组成；

所述缸体下半部（18）和缸体上半部（25）通过传感器支座（21）连接；

所述缸体端盖（10）与缸体下半部（18）螺纹连接；所述缸体上半部（25）和所述模拟装置的接头（36）通过快旋螺母（29）连接。

8.如权利要求7所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述传感器支架（21）与缸体下半部（18）连接部位安装有快旋螺母（22）。

9.如权利要求7所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述缸体上半部（25）与模拟装置的接头（36）连接的端部设置有单向阀（28）。

10.如权利要求5所述的液压油弹性模量及热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述信号引出组件安装在模拟装置的接头（36）的空腔内，包括母插座（32、35）和承压接头（34），所述母插座（32、35）上的母针和承压接头（34）公针配合；所述承压接头（34）与模拟装置的接头（36）密闭配合，与缸体上半部（25）端部键连接。