CN112303068A - 一种输出高频压力脉冲的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种输出高频压力脉冲的装置及方法，涉及流体压力执行装置技术领域，解决了同时提高脉冲输出频率和脉冲压力的技术问题。该装置的高频脉冲通讯模块和上位机通过多线程控制的方式连接，驱动气源和两位五通阀的进气口相连接，两位五通阀的两条气路输出分别接入高频脉冲气动阀的气缸接口，高频脉冲气动阀的入口与调压阀相连接，调压阀与动力源相连接。该装置通过改进气动阀的结构提升了气体响应速度，通过改进高频脉冲通讯模块保证了高频次动作的同时还可以更换动作频率；另外利用该装置将电磁控制和气动控制相结合输出高频压力脉冲，还扩大了气通路径，使得电磁阀与气动阀安装位置可以最大限度远离而且不影响动作频率。

Description

一种输出高频压力脉冲的装置及方法
技术领域
本发明涉及流体压力执行装置技术领域，尤其是一种输出高频压力脉冲的装置，以及利用该装置输出高频压力脉冲的方法。
背景技术
在石油开采的研究中，经常会利用水力拍击作用对储层物性进行改造，提高波及系数从而提高采收率。在实验室内进行相关机理研究时，由于缺乏可靠的可以高频输出液体脉冲和气体脉冲的方法和装置，使得实验参数的调整范围受到限制，另外输出高频压力脉冲的装置经常需要更换配件。目前常用的电磁阀门通常采用电磁铁配合平面或者锥面密封的方式，为了满足高压的条件，使用刚度足够大的弹簧施加预紧力，往往会在经受高压高频次的冲击之后，密封面非常容易产生永久变形，影响阀门寿命。此外，在进行易燃易爆气体试验时，电磁阀也无法满足安全要求。
发明内容
为了同时提高脉冲输出频率和脉冲压力，并且提升了气体响应速度，保证了高频次动作的同时还可以调整动作频率，使得电磁阀与气动阀安装位置可以最大限度远离并且不影响动作频率、保证安全，本发明提供了一种输出高频压力脉冲的装置及方法，其具体的技术方案如下。
一种输出高频压力脉冲的装置，包括上位机、驱动气源、高频脉冲通讯模块、两位五通阀、高频脉冲气动阀和调压阀，所述高频脉冲通讯模块和上位机通过多线程控制的方式连接；所述驱动气源和两位五通阀的进气口相连接，两位五通阀的两条气路输出分别接入高频脉冲气动阀的气缸接口；所述高频脉冲气动阀的入口与调压阀相连接，调压阀与动力源相连接。
优选的是，驱动气源的供气量大于200L/min，驱动气源的储气罐容积大于80L，驱动气源的输出压力在0.5～0.8MPa之间。
优选的是，上位机传递控制信号至高频脉冲通讯模块，所述高频脉冲通讯模块控制两位五通阀的电磁线圈通电或断电，两位五通阀随电磁圈控制切换气流方向。
还优选的是，高频脉冲通讯模块包括LED模块、存储器、控制器、数据通讯接口、电源调节器，以及多个继电器。
还优选的是，高频脉冲通讯模块的最大动作频率为260HZ，高频脉冲通讯模块的输出为24V、300mA的直流电流。
进一步优选的是，高频脉冲气动阀包括气动执行机构，气动执行机构包括双向气缸、连接器、上游入口、压帽和阀杆密封，双向气缸的两个气缸接口分别与两位五通阀的气路输出相连，连接器连接活塞杆和阀杆，压帽套设在阀杆上，阀杆下端和阀杆密封相连，阀杆密封设置在高频脉冲气动阀的通径中间。
进一步优选的是，气动执行机构控制气缸活塞的移动距离为3mm，气缸活塞两侧的气路接口管径大于8mm，所述气动执行机构的阀柱使用镍钼合金。
进一步优选的是，调压阀的通径是高频脉冲气动阀通径的1.1倍，所述高频脉冲气动阀通过固定装置安装，并且高频脉冲气动阀水平安装。
进一步优选的是，高频脉冲气动阀和两位五通阀的安装距离大于5m。
一种输出高频压力脉冲的方法，利用上述的一种输出高频压力脉冲的装置，输出高频压力脉冲的过程包括：
上位机控制高频脉冲通讯模块工作，具体是上位机通过RS485串口与高频脉冲通讯模块进行通讯，设立一个单独的线程处理高频脉冲通讯模块进行吸合与释放的命令传输；
两位五通阀进行气路流向的切换，具体是当两位五通阀的电磁线圈有电流通过时，产生电磁力从而提起密封件，驱动气体进入先导阀，在先导阀活塞和主活塞弹簧的作用下气路流向完成切换；当当两位五通阀的电磁线圈断电时，气路流向完成切换；
高频脉冲气动阀控制动力源输出高频压力脉冲，具体是调节动力源的输出压力后，高频脉冲气动阀在气动执行机构控制下阀杆在阀杆密封处往复运动，高频脉冲气动阀的通径下游出口输出高频压力脉冲。
本发明提供的种输出高频压力脉冲的装置及方法有益效果是：气动执行机构使用双向气缸从而提高脉冲压力的输出频率，并且同时提高了压力的输出上限，能够承受高频次的冲击；该装置综合运用电磁驱动和气体驱动，使电磁阀与气动阀安装位置可以最大限度远离，从而不影响动作频率，并且能够达到易燃气体达到防爆要求；阀柱使用硬质合金，从而可以适应高频次启闭的工作，提升气动阀门的寿命；另外上位机与高频脉冲通讯模块使输出频率可以随时灵活调节。
附图说明
图1是输出高频压力脉冲的装置示意图；
图2是气动执行机构的结构示意图；
图3是双向气缸的结构示意图；
图4是高频脉冲通讯模块电路示意图；
图中：1-上位机，2-驱动气源，3-两位五通阀，4-高频脉冲气动阀，5-动力源，6-调压阀，7-高频脉冲通讯模块；8-双向气缸，9-连接器，10-上游入口，11-压帽，12-阀杆密封；13-活塞杆，14-后活塞密封件，15-后活塞减震，16-后缸体封堵，17-封堵密封，18-后活塞，19-缸体，20-前活塞减震，21-前活塞，22-前活塞密封，23-前活塞固定，24-活塞杆紧固螺母；25-LED模块，26-存储器，27-控制器，28-数据通讯接口，29-电源调节器，30-继电器。
具体实施方式
结合图1至图4所示，对本发明提供的一种输出高频压力脉冲的装置及方法具体实施方式进行说明。
一种输出高频压力脉冲的装置综合运用电磁制动技术和气动截止技术，在现有结构的基础上进行改进，通过改造超薄双向气缸有效提升了气动响应速度，高频脉冲通讯模块和上位机中多线程控制方式的结合，在保证高频次动作的同时还可随时更换动作频率。为了适应高频次的工作，气动阀杆整体更换为HASTELLOYB-2镍钼硬质合金，从而显著提升了密封效果并延长了使用寿命。将电磁控制与气动控制结合在一起，同时对气缸进行了改进，另外还扩大了气路通径，使得两位五通电磁阀与气动阀的安装位置可以最大限度远离，从而而不影响动作频率，保证易燃易爆的操作安全。输出高频压力脉冲的装置具体包括上位机1、驱动气源2、高频脉冲通讯模块7、两位五通阀3、高频脉冲气动阀4和调压阀6。高频脉冲通讯模块7和上位机1通过多线程控制的方式连接。驱动气源2和两位五通阀3的进气口相连接，两位五通阀3的两条气路输出分别接入高频脉冲气动阀的气缸接口。高频脉冲气动阀4的入口与调压阀相连接，调压阀6与动力源相连接，其中动力源可以提供持续稳定的高压气体或高压液体，可以为高压储气罐或高压液体泵。
为了适应输出高频压力脉冲的装置的工作，驱动气源2的供气量可以大于200L/min，驱动气源使用Φ8mm的管路，驱动气源的储气罐容积一般大于80L，以满足高压脉冲阀高频次启闭时所需的气量，驱动气源的输出压力在0.5～0.8MPa之间。
上位机1传递控制信号至高频脉冲通讯模块7，高频脉冲通讯模块7和两位五通阀相连3，高频脉冲通讯模块7控制两位五通阀的电磁线圈通电或断电，两位五通阀3随电磁圈控制切换气流方向，从而保证驱动气流换向驱动。
其中，高频脉冲通讯模块包括LED模块25、存储器26、控制器27、数据通讯接口28、电源调节器29，以及多个继电器30。其中LED模块和存储器相连，储存器为电可擦编程只读存储器，控制器分别连接存储器、数据通讯接口和各个继电器，每个继电器都有公共端和输出端，可以设置7个继电器。另外，高频脉冲通讯模块的最大动作频率为260HZ，高频脉冲通讯模块的输出为24V、300mA的直流电流，电流传输至两位五通阀的电磁线圈；高频脉冲通讯模块吸合耗时2ms，释放时间1ms。
高频脉冲气动阀4包括气动执行机构，其气动执行机构包括双向气缸8、连接器9、上游入口10、压帽11和阀杆密封12，双向气缸的两个气缸接口分别与两位五通阀的气路输出相连，连接器连接活塞杆和阀杆，压帽套设在阀杆上，阀杆下端和阀杆密封相连，阀杆密封设置在高频脉冲气动阀的通径中间。其中双向气缸包括活塞杆13、后活塞密封件14、后活塞减震15、后缸体封堵16、封堵密封17、后活塞18、缸体19、前活塞减震20、前活塞21、前活塞密封22、前活塞固定23和活塞杆紧固螺母24，其中活塞杆紧固螺母设置在活塞杆的外端，前活塞上设置有前活塞减震和前活塞密封，前活塞固定对其进行限位，在后活塞上设置有后活塞减震和后活塞密封；前活塞和后活塞均固定在活塞杆上，并且在缸体内部，后缸体封堵设置在缸体的端部。另外，气动执行机构控制气缸活塞的移动距离减小至3mm，有效提升了气缸活塞的往复动速度，气缸活塞两侧的气路接口管径大于8mm，气动执行机构的阀柱使用镍钼合金，其具有高强度、高韧性、高耐磨性、高抗腐蚀性的优点，并可以在阀杆和气缸活塞杆的连接处增加了自校准弹性联轴器，针对这种高频次启闭的应用场合，保证了阀杆密封面均匀受力，有效提升了阀门的使用寿命。
调压阀6的通径是高频脉冲气动阀通径的1.1倍，高频脉冲气动阀4通过专门固定装置安装，并且高频脉冲气动阀水平安装，不可倾斜或者垂直安装，这样可以保证气缸活塞在上下移动过程中，与其连接的硬质合金阀杆与阀杆密封的密封面能够最大程度均匀摩擦，避免单独一侧偏向受力的情况，可提升密封效果，延长使用寿命。高频脉冲气动阀和两位五通阀的安装距离大于5m，高频脉冲气动阀和两位五通阀的分体式安装，将具有电流通过的电磁部分远离易燃易爆气体安置，提升了流程整体的防爆性能。
一种输出高频压力脉冲的方法，利用上述的一种输出高频压力脉冲的装置，输出高频压力脉冲的过程包括：
上位机控制高频脉冲通讯模块工作，具体是上位机通过RS485串口与高频脉冲通讯模块进行通讯，设立一个单独的线程处理高频脉冲通讯模块进行吸合与释放的命令传输。
两位五通阀进行气路流向的切换，具体是当两位五通阀的电磁线圈有电流通过时，产生电磁力从而提起密封件，驱动气体进入先导阀，在先导阀活塞和主活塞弹簧的作用下气路流向完成切换；当当两位五通阀的电磁线圈断电时，气路流向完成切换；最快气路流向切换频率为200HZ，只需要低刚度的弹簧即可。当两位五通阀在断电情况下气体流向是从高压脉冲气动阀气缸活塞上部进入，则高压脉冲气动阀默认状态为常闭；当两位五通阀在断电情况下气体流向是从高压脉冲气动阀气缸活塞下部进入，则高压脉冲气动阀默认状态为常开。
高频脉冲气动阀控制动力源输出高频压力脉冲，具体是调节动力源的输出压力后(最高输出压力达到70MPa)，高频脉冲气动阀在气动执行机构控制下阀杆在阀杆密封处往复运动，高频脉冲气动阀的通径下游出口输出高频压力脉冲。
该方法综合运用电磁驱动和气体驱动，使电磁阀与气动阀安装位置可以最大限度远离，从而不影响动作频率，并且能够达到易燃气体达到防爆要求，另外上位机与高频脉冲通讯模块使输出频率可以随时灵活调节。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，包括上位机、驱动气源、高频脉冲通讯模块、两位五通阀、高频脉冲气动阀和调压阀，所述高频脉冲通讯模块和上位机通过多线程控制的方式连接；所述驱动气源和两位五通阀的进气口相连接，两位五通阀的两条气路输出分别接入高频脉冲气动阀的气缸接口；所述高频脉冲气动阀的入口与调压阀相连接，调压阀与动力源相连接。
2.根据权利要求1所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，所述驱动气源的供气量大于200L/min，驱动气源的储气罐容积大于80L，驱动气源的输出压力在0.5～0.8MPa之间。
3.根据权利要求1所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，所述上位机传递控制信号至高频脉冲通讯模块，所述高频脉冲通讯模块控制两位五通阀的电磁线圈通电或断电，两位五通阀随电磁圈控制切换气流方向。
4.根据权利要求3所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，所述高频脉冲通讯模块包括LED模块、存储器、控制器、数据通讯接口、电源调节器，以及多个继电器。
5.根据权利要求4所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，所述高频脉冲通讯模块的最大动作频率为260HZ，高频脉冲通讯模块的输出为24V、300mA的直流电流。
6.根据权利要求1所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，所述高频脉冲气动阀包括气动执行机构，气动执行机构包括双向气缸、连接器、上游入口、压帽和阀杆密封，双向气缸的两个气缸接口分别与两位五通阀的气路输出相连，连接器连接活塞杆和阀杆，压帽套设在阀杆上，阀杆下端和阀杆密封相连，阀杆密封设置在高频脉冲气动阀的通径中间。
7.根据权利要求6所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，所述气动执行机构控制气缸活塞的移动距离为3mm，气缸活塞两侧的气路接口管径大于8mm，所述气动执行机构的阀柱使用镍钼合金。
8.根据权利要求1所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，所述调压阀的通径是高频脉冲气动阀通径的1.1倍，所述高频脉冲气动阀通过固定装置安装，并且高频脉冲气动阀水平安装。
9.根据权利要求1所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，高频脉冲气动阀和两位五通阀的安装距离大于5m。
10.一种输出高频压力脉冲的方法，利用权利要求1至9任一项所述的一种输出高频压力脉冲的装置，其特征在于，输出高频压力脉冲的过程包括：
所述上位机控制高频脉冲通讯模块工作，具体是上位机通过RS485串口与高频脉冲通讯模块进行通讯，设立一个单独的线程处理高频脉冲通讯模块进行吸合与释放的命令传输；
所述两位五通阀进行气路流向的切换，具体是当两位五通阀的电磁线圈有电流通过时，产生电磁力从而提起密封件，驱动气体进入先导阀，在先导阀活塞和主活塞弹簧的作用下气路流向完成切换；当当两位五通阀的电磁线圈断电时，气路流向完成切换；
所述高频脉冲气动阀控制动力源输出高频压力脉冲，具体是调节动力源的输出压力后，高频脉冲气动阀在气动执行机构控制下阀杆在阀杆密封处往复运动，高频脉冲气动阀的通径下游出口输出高频压力脉冲。
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