CN110389000B - 一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，包括外筒、基座、输入轴、输出轴和电路板，基座固定于外筒内，输入轴上端密封连接外筒上端，下端连接软承接轴，软承接轴设置于基座内部，输出轴上端连接软承接轴，下端密封连接外筒下端，软承接轴外壁设有环形的分布式转动电容电极，基座外壁设有固定电容电极，固定电容电极环绕转动电容电极且二者之间设有指针，指针固定于软承接轴中部，一端指向转动电容电极，另一端指向固定电容电极，电路板测量两电极之间的电容，并计算涡轮钻具的扭矩。本发明的有益效果：采用扭转变形时的分布电容值的变化进行扭矩测量，避免传统应变片测量的温漂问题。
Description
技术领域
本发明涉及钻探仪器仪表技术领域，尤其涉及一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器。
背景技术
近年来，随着我国工业化、城镇化和农业现代化的加快推进，我国矿产资源供需矛盾日益突出，对矿产资源的需求呈刚性上升态势，矿产资源的供给和保障问题已成为制约我国经济发展的瓶颈问题，而当今国际矿产资源市场竞争激烈，依靠国际市场的难度加大，因此加快找矿突破、立足国内、增强矿产资源的保障能力，已经成为我国经济社会发展的重大战略问题，而我国传统的矿产资源中，浅层矿产资源已勘探开发殆尽，因此深部地质勘探和开发将成为必然。
在深部地质勘探时，由于钻孔深度较深，钻杆及钻头的受力状态将变得越发复杂，在复杂的合力作用下，钻孔的轨迹将复杂多变，由此导致钻杆旋转过程中与钻孔内壁的摩擦增大，导致钻机所提供的动力将很难传递到井底，从而大大降低钻进的效率，此外，较大的摩擦阻力还有可能磨断钻杆，造成钻探事故。因此，为提高深部钻探的效率及确保钻探安全，现阶段深部地质钻探多采用涡轮钻具进行。
对于涡轮钻具而言，其在井底工作时的扭矩参数是衡量其性能的重要指标之一，是司钻人员制定钻探工艺的重要参数，因此，有必要对涡轮钻具在井底工作时的扭矩进行测量，而现阶段针对涡轮钻具井下扭矩测量多采用粘贴应变片的方式进行测量，但在深部地质钻探的高温工作环境下，应变片的温漂问题无法解决，导致测量结果精度太差甚至得到错误的测量结果，因此急需一种可适应高温环境的涡轮钻具井下扭矩测量传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器。
本发明的实施例提供一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，包括外筒、基座、输入轴、输出轴和电路板，所述基座固定于所述外筒内部，所述输入轴上端密封连接所述外筒上端，下端连接软承接轴，所述软承接轴设置于所述基座内部，所述输出轴上端连接所述软承接轴，下端密封连接所述外筒下端，所述软承接轴中部外壁设有环形的转动电容电极，所述基座外壁设有固定电容电极，所述固定电容电极为环形的分布式电容电极，所述固定电容电极环绕所述转动电容电极设置，所述转动电容电极和所述固定电容电极之间设有指针，所述指针固定于所述软承接轴中部，一端指向所述转动电容电极，另一端指向所述固定电容电极，所述电路板设置于所述外筒内且分别连接所述转动电容电极和所述固定电容电极，所述输入轴用于连接涡轮钻具的涡轮节，所述输出轴用于连接涡轮钻具的支撑节，所述输入轴带动所述软承接轴和所述输出轴转动，所述软承接轴受扭矩作用产生形变带动所述指针转动，使所述指针指向所述固定电容电极位置发生改变，所述电路板用于测量固定电容电极与所述转动电容电极之间的电容，并根据所述电容计算所述涡轮钻具的扭矩。
进一步地，所述固定电容电极包括多个子电容电极，所有子电容电极环绕所述转动电容电极均匀分布。
进一步地，所述基座内壁设有环形滑槽，所述指针一端固定于所述软承接轴上，另一端支撑于所述滑槽内，所述基座的外壁设有环形凹槽，所述凹槽环绕所述滑槽设置，所述固定电容电极固定于所述凹槽内。
进一步地，所述软承接轴中部外壁设有环形的收容槽，所述转动电容电极固定于所述收容槽内，且所述收容槽设有径向设置的固定孔，所述指针的一端螺纹连接所述固定孔。
进一步地，所述输入轴下端螺纹连接所述软承接轴上端，所述输出轴上端螺纹连接所述软承接轴下端。
进一步地，所述输入轴为T形阶梯轴，所述输入轴上端外壁与所述外筒上端内壁紧贴且连接处设有上密封圈，所述输入轴下端连接所述软承接轴上端。
进一步地，所述输出轴为十字形轴体，所述外筒下端设有插接孔，所述输出轴上端螺纹连接所述软承接轴下端，所述输出轴中部外壁与所述外筒内部贴合，所述输出轴下端贯穿所述插接孔且连接处设有下密封圈。
进一步地，所述输出轴设有台阶面，所述电路板通过紧固件固定于所述台阶面上。
进一步地，所述电路板设有纽扣电池，所述纽扣电池为所述电路板、所述转动电容电极和所述固定电容电极供电。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，通过测量软承接轴所受扭矩来测量涡轮钻具扭矩，软承接轴扭转变形带动指针指向的固定电容电极位置发生改变，通过测量转动电容电极和固定电容电极之间电容值，确定指针转动角度，进而计算出软承接轴扭矩，与传统的涡轮钻具扭矩测量方法相比，采用扭转变形时的分布电容值的变化进行扭矩的测量，有效避免了传统应变片测量时的温漂问题。
附图说明
图1是本发明一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器的主视剖视图；
图2是图1中的A-A剖面示意图；
图3是图1中B处的局部放大图；
图4是发明一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器的工作状态示意图。
图中：1-外筒、2-输入轴、3-基座、4-固定螺钉、5-下密封圈、6-输出轴、7-电路板、8-软承接轴、9-上密封圈、10-固定电容电极、11-指针、12-转动电容电极、101-外壳、102-涡轮节、103-支撑节、104-钻头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，包括外筒1、基座3、输入轴2、输出轴6和电路板7。
所述外筒1为空心圆筒，所述外筒1上端开口，下端1设有环形片封口，所述环形片中部设有插接孔。
所述基座3为空心管状结构，所述基座3底部设有径向延伸的环形凸台，所述凸台外壁设有外螺纹，所述基座3设置于所述外筒1内，且所述凸台与所述外筒1内臂螺纹连接。所述基座3外壁中部设有环形凹槽，所述凹槽内粘接固定电容电极10，所述固定电容电极10为环形的分布式电容电极，所述固定电容电极10包括多个子电容电极，所有子电容电极沿着所述凹槽均布分布形成环形。所述基座3内壁中部设有环形滑槽，所述凹槽环绕所述滑槽。
所述输出轴6为十字形轴体，所述输出轴6下端贯穿所述插接孔且连接处设有下密封圈5，本实施例中所述下密封圈5为O形密封圈，所述插接孔内壁设有密封槽，所述下密封圈5设置于所述密封槽内，且套于所述输出轴6上被所述输出轴6压紧密封，所述输出轴6上端伸入所述基座3内部，且所述输出轴6上端设有外螺纹。
请参考图3，所述输出轴6与所述输入轴2之间通过软承接轴8连接，所述软承接轴8设置于所述基座3内部，所述软承接轴8上下两端均设有螺纹孔，所述输出轴6上端螺纹连接所述软承接轴8下端，所述输入轴2为T形阶梯轴，所述输入轴2上端外壁与所述外筒1上端内壁紧贴且连接处设有上密封圈9，所述上密封圈也为O形密封圈，设置于所述外筒1内壁开设的密封槽内，且与所述输入轴2上端外壁紧贴密封，为了保证密封效果这里可以设置多个上密封圈9，所述输入轴2下端连接所述软承接轴8上端。
请参考图3，所述软承接轴8外壁中部设有环形的收容槽，所述收容槽内设置有环形的转动电容电极12，所述固定电容电极10环绕所述转动电容电极12，所述收容槽设有径向设置的固定孔，所述固定孔为螺纹孔，所述固定孔螺纹连接指针11一端，所述指针11与所述转动电容电极12不接触，所述指针11另一端支撑于所述滑槽内，这样所述指针11一端指向所述转动电容电极12，另一端指向所述固定电容电极10的一子电极。
所述电路板7分别连接所述转动电容电极12和所述固定电容电极10，本实施中所述输出轴6设有台阶面，所述台阶面上设有多个螺纹盲孔，所述电路板7通过固定螺钉4与所述螺纹盲孔连接，从而固定于所述台阶面上。所述电路板7设有纽扣电池，所述纽扣电池为所述电路板7、所述转动电容电极12和所述固定电容电极10供电。
请参考图4，本发明的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器在使用时，所述输入轴2上端用于连接涡轮钻具的涡轮节102，所述输出轴6连接所述涡轮钻具的支撑节103，支撑节103连接钻头104，所述外筒1连接涡轮钻具的外壳101，所述涡轮钻具工作时，所述涡轮节102转动，带动所述输入轴2、所述软承接轴8、所述输出轴6、所述支撑节103和所述钻头104转动，所述外壳101、所述外筒1和所述基座3保持静止。
所述软承接轴8在转动过程中，受扭矩作用产生形变带动所述指针11转动，使所述指针11指向所述固定电容电极10位置发生改变，所述电路板7用于测量固定电容电极10与所述转动电容电极12之间的电容，所述软承接轴8未转动之前所述指针11指向所述固定电容电极10的确定一子电容电极，所述电路板7测量此时所述固定电容电极10的该子电极与所述转动电容电极12之间的电容，作为初始电容值，所述软承接轴8转动扭矩发生，所述指针11指向所述固定电容电极10的位置发生变化，即指向的子电容电极发生变化，所述电路板7测量此时所述指针11指向的子电容电极与所述转动电容电极12之间的电容，作为变化电容值，根据变化电容值和初始电容值差值为所述指针11的实际偏转角度。
假设所述软承接轴8未受扭矩作用，由于所述指针11随着所述软承接轴8转动过程中，转动时间和转速是可知的，则可计算转动过程中任意时刻所述指针11转动的角度，因此可计算出所述指针11偏转的理论偏转角度，理论偏转角度与实际偏转角度存在角度差，角度差由所述软承接轴8受扭矩发生形变产生，故可根据角度差计算出所述软承接轴8所受扭矩，所述软承接轴8所受扭矩即为涡轮钻具的扭矩。这里的计算过程可以在所述电路板7上设置微处理器进行，也可以将所述电路板7拆卸，连接计算机，通过计算机读取电路板7存储数据进行计算。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：包括外筒、基座、输入轴、输出轴和电路板，所述基座固定于所述外筒内部，所述输入轴上端密封连接所述外筒上端，下端连接软承接轴，所述软承接轴设置于所述基座内部，所述输出轴上端连接所述软承接轴，下端密封连接所述外筒下端，所述软承接轴中部外壁设有环形的转动电容电极，所述基座外壁设有固定电容电极，所述固定电容电极为环形的分布式电容电极，所述固定电容电极环绕所述转动电容电极设置，所述转动电容电极和所述固定电容电极之间设有指针，所述指针固定于所述软承接轴中部，一端指向所述转动电容电极，另一端指向所述固定电容电极，所述基座内壁设有环形滑槽，所述指针一端固定于所述软承接轴上，另一端支撑于所述滑槽内，所述基座的外壁设有环形凹槽，所述凹槽环绕所述滑槽设置，所述固定电容电极固定于所述凹槽内，所述电路板设置于所述外筒内且分别连接所述转动电容电极和所述固定电容电极，所述输入轴用于连接涡轮钻具的涡轮节，所述输出轴用于连接涡轮钻具的支撑节，所述输入轴带动所述软承接轴和所述输出轴转动，所述软承接轴受扭矩作用产生形变带动所述指针转动，使所述指针指向所述固定电容电极位置发生改变，所述电路板用于测量固定电容电极与所述转动电容电极之间的电容，并根据所述电容计算所述涡轮钻具的扭矩。
2.如权利要求1所述的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述固定电容电极包括多个子电容电极，所有子电容电极环绕所述转动电容电极均匀分布。
3.如权利要求1所述的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述软承接轴中部外壁设有环形的收容槽，所述转动电容电极固定于所述收容槽内，且所述收容槽设有径向设置的固定孔，所述指针的一端螺纹连接所述固定孔。
4.如权利要求1所述的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述输入轴下端螺纹连接所述软承接轴上端，所述输出轴上端螺纹连接所述软承接轴下端。
5.如权利要求1所述的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述输入轴为T形阶梯轴，所述输入轴上端外壁与所述外筒上端内壁紧贴且连接处设有上密封圈，所述输入轴下端连接所述软承接轴上端。
6.如权利要求1所述的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述输出轴为十字形轴体，所述外筒下端设有插接孔，所述输出轴上端螺纹连接所述软承接轴下端，所述输出轴中部外壁与所述外筒内部贴合，所述输出轴下端贯穿所述插接孔且连接处设有下密封圈。
7.如权利要求1所述的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述输出轴设有台阶面，所述电路板通过紧固件固定于所述台阶面上。
8.如权利要求1所述的一种基于分布电容原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述电路板设有纽扣电池，所述纽扣电池为所述电路板、所述转动电容电极和所述固定电容电极供电。
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Granted publication date: 20201124 Termination date: 20210605 |