CN112748048A - 智能数显粘度测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粘度计技术领域，公开了一种智能数显粘度测量装置及其测量方法，装置包括测量机构及固定支撑架，测量机构包括粘度计，粘度计下方连接有内测量筒和旋转架，粘度计下方放置有盛液筒，测量机构还包括位于粘度计上的显示屏，显示屏一侧设有报警器和操作按键，粘度计包括驱动电机、控制器、角度解算控制器、信号放大器、存储器以及测量转角的磁性编码器，磁性编码器的码盘为沿周缘对称均匀设置有N‑S磁极的多磁极圆环，每个磁极角度范围为:8.1°±1.5°，多磁极圆环的内环半径为：12±0.05cm，外环半径为：16±0.05cm，多磁极圆环的中心处与扭簧固定连接，粘度计上还设有通信天线。本发明测量精度高、价格便宜、智能化程度高。

Description

智能数显粘度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种智能数显粘度测量装置及其测量方法，属于粘度计技术领域。

背景技术

钻井液，是钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体总称。钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液，在钻井过程中，钻井液的粘度是一项非常重要的性能指标，在工业生产中我们通常使用的是旋转式的粘度计，将测量液体的粘度转化为测量由于受到液体粘滞力影响转子的旋转角度，粘度计会存在灰尘阻塞码盘导致测量精度低的情况，也可采用测力传感器，但高精度测力传感器价格昂贵，精度、线性度也较低，且体积较大。因此需研制一种高精度、价格较低的粘度测量装置。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种智能数显粘度测量装置及其测量方法。

本发明所述的一种智能数显粘度测量装置，包括测量机构，以及固定测量机构的固定支撑架，其中，测量机构包括粘度计，粘度计下方通过扭簧连接有内测量筒和旋转架，粘度计下方放置有盛液筒，测量机构还包括位于粘度计上的显示屏，显示屏一侧设有报警器和操作按键，粘度计包括驱动电机、控制器、角度解算控制器、信号放大器、存储器以及测量转角的磁性编码器，磁性编码器的码盘为沿周缘对称均匀设置有N-S磁极的多磁极圆环，每个磁极角度范围为:8.1°±1.5°，多磁极圆环的内环半径范围为：12±0.05厘米，外环半径范围为：16±0.05厘米，多磁极圆环的中心处与扭簧固定连接；显示屏、驱动电机、角度解算控制器、信号放大器及磁性编码器均与控制器电性连接，驱动电机与旋转架电性连接，粘度计上还设有通信天线。多磁极圆环不会受灰尘的影响，测量精度高；粘度度数可直接数字显示在显示屏上，避免了人工读数的误差，粘度计可通过通信天线与远程终端连接，远程终端可远程同步控制装置工作，并可以实时在远程终端上查看测试结果，存储器可保存测量结果，以便调出历史测量结果。

优选的，所述内测量筒直径小于盛液筒直径且内测量筒和盛液筒的中心位于同一竖直中心线上。

优选的，所述多磁极圆环沿其周缘的N-S磁极对数越多，则测量精度越高；精度计算公式如下：

优选的，所述粘度测量装置通过通信天线与远程终端信号连接。

一种智能数显粘度测量装置的测量方法，包括以下三种场景：

场景一：现场进行测量法，包括如下小步：

S1：参数设置：通过操作按键设置转速及采样时间，控制器采集输入的数值，使驱动电机运行在一个转速；

S2：粘度值测算：控制器采集由角度解算控制器提供的瞬时角度，并通过粘度值算法，将粘度值显示在显示屏上；

场景二：无人看管测量法，包括如下小步：

S1：参数设置：设置转速起始值、转速终止值、降档转速值、每个转速档位的保持时间、每个转速档位内粘度值的采样时间、降档瞬间的角度最大值；

S2：粘度值测算：装置自动降转速度档测量，并且在降档测量过程中自动完成转速的转换，控制器采集所有输入的数值，使驱动电机运行在不同转速，控制器采集由角度解算控制器提供的实时角度，通过粘度值算法，在显示屏上显示实时粘度值，全部档位测量结束，报警器提示测量完毕，按照时间和转速档位将粘度变化曲线显示在显示屏上，并在转速切换点上指示切换最大粘度值；

场景三：可编程智能测量法，包括如下小步：

S1：参数设置：通过编程设置任意20个转速档位、每个转速档位保持时间、每个转速档位内的粘度值采样时间、每个转速切换点的粘度值高速采样时间；

S2：粘度值测算：程序控制测量装置自动按照设置的参数运行至结束，报警器提示测量完毕，并在显示屏上显示按照时间和转速档位显示粘度变化的曲线，在转速切换点上指示切换最大粘度值。

优选的，所述场景二和场景三中的测量数值均通过操作按键或远程控制终端进行设置。

优选的，所述场景一、场景二、场景三中的磁极角度均采用过采样进行采集。

优选的，所述场景二中，转速v范围为1转/分-660转/分，降档转速值Δv范围为1-100转/分,每个转速档位保持时间t范围为1秒-3600秒，每个转速档位内的粘度值采样时间ts范围为100毫秒-60秒，每个转速切换点的最大粘度值高速采样时间ths范围为1毫秒-500毫秒。

优选的，所述场景三中，输入任意的20个转速档位转速可以相同，转速v范围为1转/分-600转/分，每个转速档位保持时间t范围为1秒-3600秒，每个转速档位内的粘度值采样时间ts范围为100毫秒-60秒，每个转速切换点的剪切力值高速采样时间ths范围为1毫秒-500毫秒。

优选的，所述场景二和场景三中，测量完毕后，控制器按照测量时间以图形曲线的方式，保存测量结果在存储器或远程控制终端中。

本发明具有以下有益效果：

(1)非接触测量无转矩损失，直接数字显示粘度避免人工度数误差；

(2)无需防尘设计，不会因为灰尘影响测量结果，测量精度高；

(3)成本低，不存在线性度和重复性问题；

(4)可远程操控、监测，无人值守；

(5)体积小，制造容易。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是内测量筒和盛液筒工作状态时的剖面图。

图3是多磁极圆环的尺寸示意图。

图4是降档转速示意图。

图5是变采样周期示意图。

图6是本发明与远程终端交互过程图。

图中：1、粘度计；2、显示屏；3、操作按键；4、旋转架；5、盛液筒；6、固定支撑架；7、内测量筒；8、通信天线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1至图3所示，本发明所述的智能数显粘度测量装置，包括固定支撑架6，固定支撑架6包括水平放置的底座、竖直放置并与底座固定连接的支架以及位于底座上方与支架可拆卸连接的固定杆，支架为可升降结构，可通过旋钮调整支架的高度，固定杆上安装有测量机构，测量机构包括粘度计1本体，粘度计1下方连接有内测量筒7和旋转架4，粘度计1下方放置有盛液筒5，内测量筒7的直径小于盛液筒5直径并且内测量筒7和盛液筒5的中心位于同一竖直中心线上，当内测量筒7放置于盛液筒5内时，内测量筒7和盛液筒5会产生一个环隙空间。

测量机构内部还包括控制器和位于粘度计1上的显示屏2，控制器采用MCU控制器，粘度计1内包括扭簧、驱动电机以及位于启动电机后部测量转角的磁性编码器，磁性编码器不再使用光电码盘，需要定制设计加工一个实心的多磁极圆环，在这个多磁极圆环上，沿周缘对称均匀的设置有若干对N-S磁极，每个磁极角度范围为：:8.1°±1.5°，磁极圆环的内环半径范围为：12±0.05厘米，外环半径范围为：16±0.05厘米。例如在多磁极圆环上设置22对N-S磁极，每一对磁极经过磁性编码器采集处理器产生160个脉冲，因此旋转一周输出的脉冲数为22*160＝3520，可以达到360度/3520＝0.1度的精度，如果需要更高精度，可以设计每周N/S的磁极对数更高的磁性圆环。

粘度计1内的扭簧两端分别与内测量筒7和多磁极圆环分别连接，扭簧的旋转角度与被测钻井液的粘度成比例关系，多级磁环与扭簧同步旋转，因此检测多级磁环的旋转角度就可以测量出被测钻井液的粘度值；磁性编码器可以在非接触的情况下将多级磁环的旋转角度转换成正交的两路方波输出，通过设置角度解算处理器来采集磁性编码器输出的两路正交的方波，可以解算出当前瞬时旋转的角度，粘度计1内还设有存储器，可把角度值解算为粘度值存放在粘度计1存储器里面保存起来；角度采样采用过采样，速率为1毫秒，也就是相当于每秒采集1000次角度数据，角度采样速率高，实时性高，可使测量精度更高。

粘度计1上还设有通信天线8，本装置可通过通信天线8与远程控制终端连接，向远程控制终端发送当前的粘度值。通信速率为115200bps，通信内容10个字节，包括粘度值和校验值，通信协议采用具有数据校验的协议，校验方式采用CRC校验，防止通信中数据传输出错，最快可以每秒中向主机发送1000次粘度值。

所述显示屏2一侧设有报警器和操作按键3。通过操作按键3可设置转速起始值、转速终止值、降档转速值、每个转速档位的保持时间可以设置，每个转速档位内粘度值的采样时间，降档瞬间的角度最大值可以设置和保存；按照程序控制完成所有流程后，可以报警提示测试完毕，并可以按照时间和转速档位显示粘度变化曲线，并在转速切换点上指示切换最大粘度值，可以按照测量时间以图形曲线的方式，保存测量结果在粘度计1存储器内，也可以调出历史测量结果。转速V设置范围是1转/分-600转/分，降档转速值Δv设置范围1-100转/分,每个转速档位保持时间t的设置范围1秒-3600秒，每个转速档位内的粘度值采样时间ts的设置范围100毫秒-60秒，每个转速切换点的剪切力值高速采样时间ths的设置范围是1毫秒-500毫秒。

所述驱动电机采用数字控制步进电机。通过PWM方式产生不同频率的脉冲来控制电机的转速，为系统提供所需的转速，精度高。

所述底座内设有配重块。在装置工作时，配重块可为底座增加压力，防止装置发生侧翻现象。

实施例2：

如图4至图5所示，一种智能数显粘度测量装置的测量方法，包括以下三种场景：

场景一：现场进行测量法：

用户可以手动设置任意转速，让设备运行任意时间，设置方式可以是通过快捷键选择预先设定好的固定转速，也可以是根据个人选择，通过手动输入而保存的转速数值，具体操作如下：通过操作按键3设置转速及采样时间，控制器采集按键输入的数值，使驱动电机运行在一个转速，控制器采集由角度解算控制器提供的瞬时角度，并通过粘度值算法将角度解算成粘度值，将粘度值显示在显示屏2上，采样时间一般为500毫秒。与普通手动转速切换同时用肉眼查看切换时的粘度最大值不同的是，本装置可以在切换时自动采集粘度变化的最大值，同时在显示屏2上显示出来，此过程可将采样时间间隔减小到10毫秒，以保证对转速切换期间快速变化粘度值的快速跟踪。

场景二：无人看管测量法：

用户可设置转速起始值、转速终止值、降档转速值、每个转速档位的保持时间、每个转速档位内粘度值的采样时间、降档瞬间的角度最大值，然后装置可实现自动降转速度档测量，并且在降档测量过程中自动完成转速的转换，控制器采集所有输入的数值，使驱动电机运行在不同转速，控制器采集实时角度，通过粘度值算法将角度解算成粘度值，在显示屏2上显示实时粘度值，全部档位测量结束，报警器提示测量完毕，按照时间和转速档位将粘度变化曲线显示在显示屏2上，并在转速切换点上指示切换最大粘度值；可以按照测量时间以图形曲线的方式，保存测量结果，也可以调出历史测量结果。

转速V设置范围是1转/分-600转/分，降档转速值Δv设置范围1-100转/分,每个转速档位保持时间t的设置范围1秒-3600秒，每个转速档位内的粘度值采样时间ts的设置范围100毫秒-60秒，每个转速切换点的剪切力值高速采样时间ths的设置范围是1毫秒-500毫秒。

例如：设置起始转速600转/分,结束转速100转/分，降档转速值Δv＝10转/分，每个转速档位保持时间t＝60秒，每个转速档位内的粘度值采样时间ts＝1秒，转速切换点高速采样时间ths＝10毫秒。

系统将自动的从600转/分开始运行，每隔1秒采集一次粘度值并存储在存储器里，采集60秒后，需要将转速切换到590转/分，在切换转速之前和之后的500毫秒时间内按照10毫秒的采样周期采集粘度值并保存，并在切换到590转/分500毫秒后，结束高速采样，记录和显示转速切换过程中粘度值的最大值，之后又按照1秒采样周期采集粘度值，直至60秒后转速切换为580转/分，由此循环直到转速降为100转/分，结束。

场景三：可编程智能测量法：

普通旋转粘度计1只有6个或者12个转速按键，可以选择转速只有3、6、100、200、300、600(6速旋转粘度计)；1、2、3、6、10、20、30、60、100、200、300、600(12速旋转粘度计)，本装置可以输入任意20个转速档位，具体操作如下：通过编程设置任意20个转速档位、每个转速档位保持时间、每个转速档位内的粘度值采样时间、每个转速切换点的粘度值高速采样时间，每个转速档位保持时间t的设置范围1秒-3600秒，每个转速档位内的粘度值采样时间ts的设置范围100毫秒-60秒，每个转速切换点的剪切力值高速采样时间ths的设置范围是1毫秒-500毫秒，控制系统自动按照程序控制测量装置自动按照设置的20个转速档位、t、ts、ths参数自动运行至结束，可以报警提示测试完毕，并可以按照时间和转速档位显示粘度变化曲线，并在转速切换点上指示切换最大粘度值，可以按照测量时间以图形曲线的方式，保存测量结果，也可以调出历史测量结果。

实施例3：

如图6所示，本发明所述的智能数显粘度测量装置可通过远程控制终端进行远程控制，粘度计1通过通信天线8与手机完成数据通信后，操作人员可以在手机APP上设定各种测试参数，会按照设定的参数自动运行，并在关键时间节点把关键的测量数据内容通过通信天线8发送到手机端，用户可以不在现场即可监测整个测试过程和测试结果。测试完毕后，装置也会给手机发送命令提示测试结束，并把整个测试结果和参数曲线发送到手机端，用户可以再次测试或者关闭系统。具体操作如下：

自动保存数据，生成曲线：根据变采样原理采样的粘度值数据，是一些离散的点，如果以时间为X轴，以粘度值为Y轴把这些点放在一张图纸上，会形成一条间断虚线，这条线可以让粘度值变化更直观，更清晰。因此可以利用拟合原理，把采集到的数值在本地拟合出一条变化曲线然后进行数据存储。

设备由2G模块进行联网，可以将本地存储数据实时传输到云端或服务器：操作人员可以通过手机端APP或者网页登录云端或者服务器，通过实时同步的数据来查看测试的参数，数值曲线和测试结果。如果测试结束，设备会自动发送结束信号到服务器，通过服务器通知测试人员此时设备测试结束状态，当然如果设备出现故障，设备紧急停止后会立马发送故障码到云端或服务器，通知维修人员来现场维修。这样当进行测试时，测试人员不需要在原地等待测量结束，可以随时随地查看测量数据和设备运行状态，安全方便。

如需重复测试：可以通过手机端APP或者网页的形式远程登录云端或者服务器，在测试界面设置测试的条件和运行参数，保存到服务器并发送运行指令后，服务器通过与设备进行实时通信，控制设备根据设置的参数进行自动测试。如果想让设备停止测试，也可以直接通过云端控制设备停机。

由于这种远程操作和监视功能，用户可以在现场手工设置参数也可以用手机APP设置参数，之后就可以离开仪器去完成别的工作，避免测量人员必须守在仪器旁边浪费时间等待测量结束，具有很好的便利性和实用性。

本发明的使用过程如下所示：转动支架上的旋钮，调整合适高度，将内测量筒7放入到盛液筒5内且旋转架4与盛液筒5接触连接，将钻井液倒入内测量筒7和盛液筒5形成的环隙空间内，根据操作人员所处不同的场景选择按动操作按键3或者在远程控制终端上设置装置测试参数，当装置开始运转，驱动电机带动旋转架4转动，旋转架4带动液体转动，借助于被测液体的粘滞作用，内测量筒7会产生一定的转矩，此转矩带带动扭簧会产生一个角度，该转角的大小与被测液体的粘性成正比，磁性编码器精确的测量转角，控制器经过计算将转角转化为液体的粘度实时显示在显示屏2上，当示数稳定时报警器发出报警，测试终止。

本发明的有益效果是：本发明用定制的实心多磁极圆环代替光电码盘，测量精度高，不会因灰尘导致误差，体积小，价格低，经过处理将读数直接显示在显示屏上，避免人为读数造成的误差，通过远程控制终端的控制，避免测量人员必须守在仪器旁边等待测量结束，具有很好的便利性和实用性。

本发明可广泛运用于粘度计场合。

涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种智能数显粘度测量装置，包括测量机构，以及固定测量机构的固定支撑架(6)，其中，测量机构包括粘度计(1)，粘度计(1)下方通过扭簧连接有内测量筒(7)和旋转架(4)，粘度计(1)下方放置有盛液筒(5)，其特征在于，测量机构还包括位于粘度计(1)上的显示屏(2)，显示屏(2)一侧设有报警器和操作按键(3)，粘度计(1)包括驱动电机、控制器、角度解算控制器、信号放大器、存储器以及测量转角的磁性编码器，磁性编码器的码盘为沿周缘对称均匀设置有N-S磁极的多磁极圆环，每个磁极角度范围为:8.1°±1.5°，多磁极圆环的内环半径范围为：12±0.05厘米，外环半径范围为：16±0.05厘米，多磁极圆环的中心处与扭簧固定连接；显示屏(2)、驱动电机、角度解算控制器、信号放大器及磁性编码器均与控制器电性连接，驱动电机与旋转架(4)电性连接，粘度计(1)上还设有通信天线(8)。

2.根据权利要求1所述的智能数显粘度测量装置，其特征在于，所述内测量筒(7)直径小于盛液筒(5)直径且内测量筒(7)和盛液筒(5)的中心位于同一竖直中心线上。

3.根据权利要求1所述的智能数显粘度测量装置，其特征在于，所述多磁极圆环沿其周缘的N-S磁极对数越多，则测量精度越高；精度计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的智能数显粘度测量装置，其特征在于，所述粘度测量装置通过通信天线(8)与远程终端信号连接。

5.一种基于权利要求1～4任意一项所述的智能数显粘度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下三种场景：

场景一：现场进行测量法，包括如下小步：

S1：参数设置：通过操作按键(3)设置转速及采样时间，控制器采集输入的数值，使驱动电机运行在一个转速；

S2：粘度值测算：控制器采集由角度解算控制器提供的瞬时角度，并通过粘度值算法，将粘度值显示在显示屏(2)上；

场景二：无人看管测量法，包括如下小步：

S1：参数设置：设置转速起始值、转速终止值、降档转速值、每个转速档位的保持时间、每个转速档位内粘度值的采样时间、降档瞬间的角度最大值；

S2：粘度值测算：装置自动降转速度档测量，并且在降档测量过程中自动完成转速的转换，控制器采集所有输入的数值，使驱动电机运行在不同转速，控制器采集由角度解算控制器提供的实时角度，通过粘度值算法，在显示屏(2)上显示实时粘度值，全部档位测量结束，报警器提示测量完毕，按照时间和转速档位将粘度变化曲线显示在显示屏(2)上，并在转速切换点上指示切换最大粘度值；

场景三：可编程智能测量法，包括如下小步：

S1：参数设置：通过编程设置任意20个转速档位、每个转速档位保持时间、每个转速档位内的粘度值采样时间、每个转速切换点的粘度值高速采样时间；

S2：粘度值测算：程序控制测量装置自动按照设置的参数运行至结束，报警器提示测量完毕，并在显示屏(2)上显示按照时间和转速档位显示粘度变化的曲线，在转速切换点上指示切换最大粘度值。

6.根据权利要求5所述的智能数显粘度测量装置的测量方法，其特征在于，所述场景二和场景三中的测量数值均通过操作按键(3)或远程控制终端进行设置。

7.根据权利要求5所述的智能数显粘度测量装置的测量方法，其特征在于，所述场景一、场景二、场景三中的磁极角度均采用过采样进行采集。

8.根据权利要求5所述的智能数显粘度测量装置的测量方法，其特征在于，所述场景二中，转速v范围为1转/分-660转/分，降档转速值Δv范围为1-100转/分,每个转速档位保持时间t范围为1秒-3600秒，每个转速档位内的粘度值采样时间ts范围为100毫秒-60秒，每个转速切换点的最大粘度值高速采样时间ths范围为1毫秒-500毫秒。

9.根据权利要求5所述的智能数显粘度测量装置的测量方法，其特征在于，所述场景三中，输入任意的20个转速档位转速可以相同，转速v范围为1转/分-600转/分，每个转速档位保持时间t范围为1秒-3600秒，每个转速档位内的粘度值采样时间ts范围为100毫秒-60秒，每个转速切换点的剪切力值高速采样时间ths范围为1毫秒-500毫秒。

10.根据权利要求5所述的智能数显粘度测量装置的测量方法，其特征在于，所述场景二和场景三中，测量完毕后，控制器按照测量时间以图形曲线的方式，保存测量结果在存储器或远程控制终端中。

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