CN109781199A - 一种基于恒定功率的高精度低流量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于恒定功率的高精度低流量检测装置，属于石油测井仪器技术领域。包括恒定功率传感器及与其相连的检测处理传输电路，检测处理传输电路安装在电路安装外壳内，恒定功率传感器安装在流量传感器安装壳体内，电路安装外壳和流量传感器安装壳体通过螺纹配合相连，且电路安装外壳和流量传感器安装壳体的自由端均密封，形成承压密封柱体结构；恒定功率传感器由恒定功率发热体和温度传感体组成，恒定功率发热体和温度传感体相对安装于流量传感器安装壳体内的两端，且恒定功率发热体端部和温度传感体端部留有间隙。该装置克服了传统流量测井仪器启动排量的限制，且无需设置机械转动装置，弥补了测井仪器在国内低产液井中的不足，具有高灵敏度、高精度、结构简单、稳定性高的特点。

Description

一种基于恒定功率的高精度低流量检测装置

技术领域

本发明属于石油测井仪器技术领域，具体涉及一种基于恒定功率的高精度低流量检测装置。

背景技术

在油田开采过程中，为了及时检测开发井中不断变化的参数，需要进行套管后生产测井，在生产测井领域中，需要用到一种检测注入产出剖面流量的仪器，常见的流量测井仪包括示踪流量计、涡轮流量计、超声流量计、电磁流量计，示踪流量计为化学源放射性仪器，对地层水有很大的污染；涡轮流量计、超声流量计及电磁流量计离散性大，启动排量高于5方/天，而绝大多数油田80％的开发井为低渗透井，流量低于3方/天，因此，上述现有的流量检测仪器无法满足低渗透井的生产需求。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于恒定功率的高精度低流量检测装置，该检测装置克服了装置启动排量限制的问题，结构设计合理、操作简单、可靠性高，具有高灵敏度、高精度的特点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于恒定功率的高精度低流量检测装置，包括恒定功率传感器及与其相连的检测处理传输电路，检测处理传输电路安装在电路安装外壳内，恒定功率传感器安装在流量传感器安装壳体内，电路安装外壳和流量传感器安装壳体通过螺纹配合相连，且电路安装外壳和流量传感器安装壳体的自由端均密封，形成承压密封柱体结构；

恒定功率传感器由恒定功率发热体和温度传感体组成，恒定功率发热体和温度传感体相对安装于流量传感器安装壳体内的两端，且恒定功率发热体端部和温度传感体端部留有间隙。

优选地，流量传感器安装壳体为变径圆柱体结构，中部为镂空段，镂空段两边的壳体通过支撑臂连接，支撑臂开设有支撑臂过线孔；

镂空段两端设计有轴向内螺纹，一端螺纹连接恒定功率发热体，另一端螺纹连接温度传感体，且恒定功率发热体头部和温度传感体头部之间的距离介于小于7mm。

更进一步优选地，镂空段各个面均为倒角斜面。

优选地，恒定功率发热体为柱状密封结构，包括发热体外壳，发热体外壳内设有加热丝，加热丝两端通过加热丝高温导线与发热体外壳连接端侧引出的发热体高温连接线相连，发热体外壳内部填充有液压油。

更进一步优选地，发热体外壳连接端端面设有一字槽，发热体外壳的材质为铍青铜，加热丝的常温阻值为125Ω。

优选地，温度传感体为密封柱状结构，包括传感体外壳，传感体外壳内装有电阻，电阻通过电阻连接导线与传感体外壳连接端侧引出的传感体高温连接线相连，传感体外壳内部填充有液压油。

进一步优选地，温度传感体连接端端面设有一字槽，传感体外壳的材质为钛合金，电阻为铂电阻。

优选地，电路安装外壳内设有电路安装骨架，检测处理传输电路固定在该电路安装骨架上；

电路安装骨架包括旋合段、电路板支撑架和输出接头，电路板支撑架用来固定检测处理传输电路，电路板支撑架的一端连接输出接头，另一端连接旋合段；

旋合段为中空柱状结构，中心开设有用于穿设高温连接线的过线孔；旋合段与流量传感器安装壳体一端螺纹配合连接。

优选地，检测处理传输电路集成有恒定功率输出控制电路、电阻变化量采集电路和数据处理传输电路；

恒定功率输出控制电路与恒定功率发热体连接，用于调节输出电压，为恒定功率发热体提供恒定功率；

电阻变化量采集电路与温度传感体连接，用于采集电阻阻值变化量；

数据处理传输电路，用于将采集的电阻阻值变化量经滤波、模数转换处理后完成数据传输；

所述检测处理传输电路通过外部电源供电。

优选地，流量传感器安装壳体的自由端通过螺纹与护帽连接密封，且在连接处设有密封圈；电路安装外壳的自由端通过螺纹与护丝连接密封，且在连接处设有密封圈。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，包括恒定功率传感器、与其相连的检测处理传输电路及耐高温高压机械总成，耐高温高压机械总成即为通过螺纹密封相连的电路安装外壳和流量传感器安装壳体，恒定功率传感器包括恒定功率发热体和温度传感体，通过检测处理传输电路控制产生的热量为恒定值，环境温度变化时，温度传感体阻值发生变化，数据经集成功能模块处理后输出装置，通过与该装置配合的其它仪器设备处理后生成直观的数据，完成流量的定量检测。该装置克服了传统流量测井仪器启动排量的限制，且无需设置机械转动装置，弥补了测井仪器在国内低产液井中的不足，具有高灵敏度、高精度、结构简单、稳定性高的特点，该装置具备耐温性能为125℃-175℃，耐压可达100MPa。经实验，该装置在流量为0.5～20方/天的低渗透型开发井，分辨率可达到0.4方，测量误差小于±5％。

进一步地，恒定功率发热体和温度传感体的距离介于6～8mm之间，能够保证装置测量的精度。

更进一步地，恒定功率发热体的发热体外壳一端为椭球体，可以减小对周围流场的影响，另一端面为平面，平面上设有一字槽，便于安装和拆卸；发热体外壳的材质为铍青铜，方便加工成型，且导热性能极佳，耐腐蚀；加热丝与铍青铜壳体不接触；加热丝的常温阻值为125Ω，当两端电压为20V时，保证发热体的功率为3.2瓦。

进一步地，温度传感体的传感体外壳一端为椭球体，可以减小对周围流场的影响，另一端面为平面，平面上设有一字槽，便于安装和拆卸；传感体外壳的材质为钛合金，方便加工成型，且导热性能和耐腐蚀性能优越。

进一步地，流量传感器安装壳体的一端通过螺纹与护帽连接密封，电路安装外壳的一端通过螺纹与护丝连接密封，方便安装和拆卸，便于装置中零部件的维修和更换。连接处设有密封圈，能够保证装置良好的密封性。

附图说明

图1为恒定功率发热体结构示意图；

图2为温度传感体结构示意图；

图3为耐高温高压机械总成示意图；

图4为电路安装骨架示意图；

图5为电路骨架外壳示意图；

图6为流量传感器安装壳体示意图；

图7为流量传感器安装壳体支撑臂的截面图；

图8为装置总装效果图；

图9为铂电阻变化量采集电路图；

图10为数据处理传输电路示意图；

图11为恒定功率控制电路示意图；

图12为集成电路板外观示意图；

图中，1为恒定功率发热体，1-1为发热体外壳，1-2为加热丝，1-3、1-4为加热丝高温导线，1-5为发热体外螺纹，1-6为发热体密封圈安装槽，1-7为发热体密封圈，1-8为发热体高温连接线；2为温度传感体，2-1为传感体外壳，2-2为电阻，2-3为电阻连接导线，2-5为传感体外螺纹，2-6为传感体密封圈安装槽，2-7为传感体密封圈，2-8为传感体高温连接线；3-2为护丝，3-2-1为护丝外螺纹，3-2-2为护丝密封圈，3-2-3为护丝密封安装槽，3-3为护帽，3-3-1为护丝内螺纹；4为电路安装骨架，4-1为单芯香蕉插针，4-2为单芯承压接头，4-3为螺钉，4-4为电路板支撑架，4-5为电路板固定孔，4-6为过线孔，4-8为电路安装外壳连接外螺纹，4-9为骨架密封圈安装槽I，4-10为安装壳体连接外螺纹，4-11为骨架密封圈，4-12为骨架密封圈安装槽II；5为电路安装外壳，5-1为电路安装外壳内螺纹I，5-2为电路安装外壳内螺纹II；6为流量传感器安装壳体，6-1为流量传感器安装壳体内螺纹，6-2为支撑臂，6-4为支撑臂过线孔，6-5为恒定功率发热体安装孔，6-6为温度传感体安装孔，6-7为流量传感器安装壳体外螺纹，6-8为流量传感器安装壳体密封圈安装槽，11-1为电路板固定孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1～8，本发明公开的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，包括恒定功率发热体1、温度传感体2、集成功能模块、电路安装外壳5和流量传感器安装壳体6；恒定功率发热体1和温度传感体2安装于流量传感器安装壳体6上，流量传感器安装壳体6一端密封，另一端与集成功能模块连接，集成功能模块安装在中空柱体结构的电路安装外壳5一端的内部，电路安装外壳5的另一端密封；

流量传感器安装壳体6为圆柱体结构，中间有一段镂空段，被镂空段分割的两部分通过支撑臂6-2连接，支撑臂6-2设有中空的过线孔6-4，流量传感器安装壳体6一端设有流量传感器安装壳体内螺纹6-1，另一端设有流量传感器安装壳体外螺纹6-7、密封圈Ⅵ和密封圈安装槽6-8；装置设有一端封闭另一端为内螺纹3-3-1的中空圆柱体的护帽3-3，护帽3-3通过护丝内螺纹3-3-1与流量传感器安装壳体6的流量传感器安装壳体内螺纹6-1连接；流量传感器安装壳体6的镂空段两端面分别设有带内螺纹的恒定功率发热体安装孔6-5和带内螺纹的温度传感体安装孔6-6，两安装孔同轴，安装后的恒定功率发热体1和温度传感体2不接触，距离位于6～8mm之间。

恒定功率发热体1的发热体外壳1-1一端为椭球体，另一端面为平面，平面上设有一字槽，发热体外壳1-1上设有发热体外螺纹1-5、发热体密封圈1-7和发热体密封圈安装槽1-6，发热体外螺纹1-5与恒定功率发热体安装孔6-5的内螺纹相配合；发热体外壳1-1的材质优选使用铍青铜，发热体外壳1-1内装有加热丝1-2，加热丝1-2的常温阻值为125Ω，加热丝1-2通过导线1-3、1＝4与发热体高温连接线1-8相连，发热体高温连接线1-8从发热体外壳1-1内引出，发热体高温连接线1-8为高温连接线；发热体外壳1-1为密封结构，内部填充有液压油。

温度传感体2的传感体外壳2-1一端为椭球体，另一端面为平面，平面上设有一字槽，传感体外壳2-1上设有传感体外螺纹2-5、传感体密封圈2-7和传感体密封圈安装槽2-6，传感体外螺纹2-5与温度传感体安装孔6-6的内螺纹相配合；传感体外壳2-1的材质优选使用钛合金，传感体外壳2-1内装有电阻2-2，优选使用铂电阻，电阻2-2通过电阻连接导线2-3与传感体高温连接线2-8相连，电阻连接导线2-3和传感体高温连接线2-8优选使用高温连接线，传感体高温连接线2-8从传感体外壳2-1引出；传感体外壳2-1为密封结构，内部填充有液压油。

集成功能模块包括电路安装骨架4和集成电路板，电路安装骨架4包括旋合段、电路板支撑架4-4和输出接头，电路板支撑架4-4用来固定集成电路板，电路板支撑架4-4的一端连接输出接头，输出接头的形式优选使用单芯承压接头4-2，单芯承压接头4-2上设有单芯香蕉插针4-1；电路板支撑架4-4另一端连接旋合段，旋合段为中空柱状的两段结构，一段上设有电路安装外壳连接外螺纹4-8、骨架密封圈安装槽I 4-9和密封圈，电路安装外壳连接外螺纹4-8和电路安装外壳内螺纹II 5-2配合；旋合段的另一端设有流量传感器安装壳体连接外螺纹4-10、密封圈安装槽Ⅳ-2 4-12和密封圈Ⅳ-2 4-11，流量传感器安装壳体连接外螺纹4-10与流量传感器安装壳体内螺纹6-1配合，旋合段的中心为过线孔4-6；电路板支撑架4-4上开有电路板固定孔4-5，如图12，集成电路板上开有电路板固定孔11-1，与螺钉4-3配合用以将集成电路板固定在电路板固定孔4-5上。

电路安装外壳5的一端设有电路安装外壳内螺纹I 5-1，另一端设有电路安装外壳内螺纹II 5-2；装置设有圆柱体结构的护丝3-2，护丝3-2上设有护丝外螺纹3-2-1、护丝密封安装槽3-2-3和护丝密封圈3-2-2，护丝外螺纹3-2-1与电路安装外壳内螺纹I 5-1配合。

为了增强装置的密封性，装置中的发热体密封圈安装槽1-6、传感体密封圈安装槽2-6、护丝密封安装槽3-2-3、骨架密封圈安装槽I 4-9和流量传感器安装壳体密封圈安装槽6-8均为平行布置的2个环形凹槽结构；相对应的，发热体密封圈1-7、传感体密封圈2-7、护丝密封圈3-2-2；骨架密封圈安装槽II 4-11。

检测处理传输电路集成有恒定功率输出控制电路、电阻变化量采集电路和数据处理传输电路，如图11所示，恒定功率输出控制电路包括可调节电源、电流监测仪器，恒定功率输出控制电路输出25V电压，加载在两根加热体加热丝高温连线端，为加热丝发热电源，当加热丝温度升高阻值发生变化时，电流发生变化，输出功率发生变化，此时控制电路会调节输出电压，以确保加热丝电源可以提供恒定功率，保障加热丝发热量为恒定值。如图9所示，电阻变化量采集电路元件包括电容、电阻和二极管，该电路由RC振荡电路和脉冲采集电路组成，C值保持常量，环境温度变化时铂电阻阻值变化，RC振荡电路输出频率发生变化，振荡输出正弦波通过比较电路整形为脉冲波形，由单片机外部计数器完成脉冲数采集。如图10所示，数据处理传输电路由单片机和MOS管组成，单片机外部计数器采集的脉冲数在单片机内部进行128次平滑滤波，再经过IO口模拟DDL3的通讯协议将数据通过MOS管调制到45V单芯仪器总线上，完成数据传输。发热体高温连接线1-8连接恒定功率输出控制元件，传感体高温连接线2-8连接电阻变化量采集电路，检测处理传输电路通过外部电源提供3.3V的电源。

本发明的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，按如下步骤组装：

第一步，将检测处理传输电路安装到电路安装骨架4上，检测处理传输电路上面的4个电路板固定孔11-1与电路板固定孔4-5对齐，用4颗螺钉4-3将检测处理传输电路固定到电路板支撑架4-4上，检测处理传输电路的TBS端子与单芯香蕉插针4-1通过高温导线焊接；

第二步，温度传感体2装上两道传感体密封圈2-7，再将温度传感体2装入流量传感器安装壳体6上的温度传感体安装孔6-6，利用一字螺丝刀将温度传感体2缓慢旋入，温度传感体2端部的传感体高温连接线2-8通过过支撑臂过线孔6-4导入到流量传感器安装壳体内螺纹6-1所在的端口；第三步，恒定功率发热体1装上两道密封圈，再将恒定功率发热体1由流量传感器安装壳体6装入，利用一字螺丝刀将恒定功率发热体1缓慢旋入，恒定功率发热体端部的发热体高温连接线1-8导入到流量传感器安装壳体内螺纹6-1所在的端口；

第四步，电路安装骨架4上的密封圈安装槽Ⅳ-2装上两道密封圈，将发热体高温连接线1-8和传感体高温连接线2-8穿过电路安装骨架4的过线孔4-6后引出，再将流量传感器安装壳体6上的内螺纹Ⅵ6-1缓慢旋入流量传感器安装壳体连接外螺纹4-10，完成发热体高温连接线1-8和传感体高温连接线2-8到集成电路板的焊接；

第五步，骨架密封圈安装槽I 4-9装上两道密封圈，抬起电路安装骨架4与流量传感器安装壳体6，将电路安装骨架4缓慢插入电路安装外壳5中，保持电路安装骨架4与流量传感器安装壳体6静止，缓慢旋转电路安装外壳5，拧紧螺丝；第六步，将护丝3-2与护帽3-3分别旋入电路安装外壳内螺纹I 5-1和流量传感器安装壳体外螺纹6-7，安装完成本发明提供的基于恒功率的高精度低流量检测装置组装。

另外，为了保证本发明公开的装置的稳定性和可靠性，有以下几点注意事项：

1.电路设计所选元件必须为耐高温器件，电路板调试完成后需要在高温环境中进行通电老化实验；

2.装置中所有密封圈安装到位后，可以考虑涂一层黄油，起润滑作用，确保密封圈不被切割；

3.注意保护所有的导线和连接线，防止在安装过程中表面绝缘层破损；

4.本发明公开的装置不能在空气中使恒定功率发热体1处于通电状态，以免温度过高损坏内部加热丝1-2，通电测试时，必须使流流量传感器安装壳体6处于液体中。

本发明公开的装置在使用前，需要完成标准井流量标定，并记录标定数据，使用时，本发明公开的装置需要配合DDL3遥测、马龙头、测井电缆、绞车及测井地面系统，本发明公开的装置在井下获取的流量信息通过TBS仪器总线传给遥传，遥传将数据编码后通过电缆上传给地面系统，通过地面系统显示出测井曲线，该曲线配合标准井流量标定数据完成流量的定量解释。

本发明公开的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，工作原理如下：

当装置工作时，可调节电源输出25V电压，通过发热体高温连接线1-8加载在加热丝1-2上，当加热丝1-2温度升高时，阻值发生变化，电流发生变化，输出功率发生变化，此时可调节电源会调节输出电压，以确保可调节电源可以提供恒定功率，保障加热丝1-2发热量为恒定值；电阻2-2变化量采集功能由RC振荡电路和脉冲采集电路实现，电容C值保持常量，环境温度变化时电阻2-2的阻值发生变化，RC振荡电路输出频率发生变化，振荡输出正弦波通过比较电路整形为脉冲波形，由单片机外部计数器完成脉冲数采集，单片机外部计数器采集的脉冲数在单片机内部进行128次平滑滤波，再经过IO口模拟DDL3的通讯协议将数据通过MOS管调制到45V单芯仪器总线上，完成数据传输，通过与该装置配合的其它仪器设备处理后生成直观的数据，完成流量的定量检测。

Claims (10)

1.一种基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，包括恒定功率传感器及与其相连的检测处理传输电路，检测处理传输电路安装在电路安装外壳(5)内，恒定功率传感器安装在流量传感器安装壳体(6)内，电路安装外壳(5)和流量传感器安装壳体(6)通过螺纹配合相连，且电路安装外壳(5)和流量传感器安装壳体(6)的自由端均密封，形成承压密封柱体结构；

恒定功率传感器由恒定功率发热体(1)和温度传感体(2)组成，恒定功率发热体(1)和温度传感体(2)相对安装于流量传感器安装壳体(6)内的两端，且恒定功率发热体(1)端部和温度传感体(2)端部留有间隙。

2.根据权利要求1所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，流量传感器安装壳体(6)为变径圆柱体结构，中部为镂空段，镂空段两边的壳体通过支撑臂(6-2)连接，支撑臂(6-2)开设有支撑臂过线孔(6-4)；

镂空段两端设计有轴向内螺纹，一端螺纹连接恒定功率发热体(1)，另一端螺纹连接温度传感体(2)，且恒定功率发热体(1)头部和温度传感体(2)头部之间的距离介于小于7mm。

3.根据权利要求2所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，镂空段各个面均为倒角斜面。

4.根据权利要求1所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，恒定功率发热体(1)为柱状密封结构，包括发热体外壳(1-1)，发热体外壳(1-1)内设有加热丝(1-2)，加热丝(1-2)两端通过加热丝高温导线(1-3、1-4)与发热体外壳(1-1)连接端侧引出的发热体高温连接线(1-8)相连，发热体外壳(1-1)内部填充有液压油。

5.根据权利要求4所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，发热体外壳(1-1)连接端端面设有一字槽，发热体外壳(1-1)的材质为铍青铜，加热丝(1-2)的常温阻值为125Ω。

6.根据权利要求1所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，温度传感体(2)为密封柱状结构，包括传感体外壳(2-1)，传感体外壳(2-1)内装有电阻(2-2)，电阻(2-2)通过电阻连接导线(2-3)与传感体外壳(2-1)连接端侧引出的传感体高温连接线(2-8)相连，传感体外壳(2-1)内部填充有液压油。

7.根据权利要求6所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，温度传感体(2)连接端端面设有一字槽，传感体外壳(2-1)的材质为钛合金，电阻(2-2)为铂电阻。

8.根据权利要求1所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，电路安装外壳(5)内设有电路安装骨架(4)，检测处理传输电路固定在该电路安装骨架(4)上；

电路安装骨架(4)包括旋合段、电路板支撑架(4-4)和输出接头，电路板支撑架(4-4)用来固定检测处理传输电路，电路板支撑架(4-4)的一端连接输出接头，另一端连接旋合段；

旋合段为中空柱状结构，中心开设有用于穿设高温连接线的过线孔(4-6)；旋合段与流量传感器安装壳体(6)一端螺纹配合连接。

9.根据权利要求1所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，检测处理传输电路集成有恒定功率输出控制电路、电阻变化量采集电路和数据处理传输电路；

恒定功率输出控制电路与恒定功率发热体(1)连接，用于调节输出电压，为恒定功率发热体(1)提供恒定功率；

电阻变化量采集电路与温度传感体(2)连接，用于采集电阻阻值变化量；

数据处理传输电路，用于将采集的电阻阻值变化量经滤波、模数转换处理后完成数据传输；

所述检测处理传输电路通过外部电源供电。

10.根据权利要求1所述的基于恒定功率的高精度低流量检测装置，其特征在于，流量传感器安装壳体(6)的自由端通过螺纹与护帽(3-3)连接密封，且在连接处设有密封圈；电路安装外壳(5)的自由端通过螺纹与护丝(3-2)连接密封，且在连接处设有密封圈。