NO337833B1

NO337833B1 - Kompakt anordning for måling av hastigheten og retningen av rotasonen til et objekt

Info

Publication number: NO337833B1
Application number: NO20050070A
Authority: NO
Inventors: Marian Faur; Jacques Sellin; Bernard Parmentier
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2016-06-27
Also published as: CA2492729C; CA2492729A1; CN100378437C; RU2346243C2; AU2003255524A1; US20050235761A1; NO20050070L; WO2004010089A1; RU2005104958A; US7406883B2; EP1523659A1; MXPA05000489A; CN1672014A; FR2842913B1; FR2842913A1

Description

TEKNISK OMRÅDE

Foreliggende oppfinnelse vedrører en kompakt anordning for måling av hastigheten og retningen av rotasjonen til et objekt 3. Anordningen er egnet for å virke i barske omgivelser: under høyt trykk, ved høye temperaturer og i nærvær av korrosive fluider f.eks. Dens anvendelse kan spesielt være på olje-, nukleær-, robbot-, bil-sektorene, osv.

I oljesektoren blir en overvåkning av hydrokarbonproduserende brønner utført. For å gjøre dette forsøker man å samle inn så nøyaktig som mulig, en viss mengde med data vedrørende flerfasefluidet som strømmer i brønnen. Disse data-ene er f.eks. beskaffenheten, strømningshastigheten og andelen av de forskjellige fasene til fluidet.

På bilsektoren forsøker man f.eks. å finne ut hastigheten og rotasjonsretningen til hjulene til et kjøretøy for å aktivere eller ikke hjulets antiblokkeringssystem.

KJENT TEKNIKK

Vi vil nå vende tilbake til oljesektoren. I en hydrokarbonproduksjonsbrønn blir man vanligvis konfrontert med en trefasestrømning dannet av olje, gass og vann. Disse fluidfasene har ikke samme densitet, beveger seg ikke med samme hastighet, er ikke tilstede i samme forhold og kommer ikke inn i brønnen på samme sted. Fordelingen av de forskjellige fasene til fluidet i strømningen er ikke den samme avhengig av om brønnen er vertikal, hellende eller horisontal. På grunn av differansen i densiteten til de forskjellige fasene i fluidet, blir i virkeligheten fasene stratifisert eller lagdelt progressivt etter hvert som helningen til brønnen øker. I en samme seksjon av en brønn som heller eller endog er horisontal, kan man bli konfrontert med flere faser som beveger seg med forskjellige hastigheter og ikke alltid i samme retning.

WO 9949322 beskriver et sensorsystem for å detektere bevegelser, hvor en koder (E) blir påvirket av bevegelse, og genererer et sensorsignal i en aktiv sensor (1). Nevnte system omfatter en første enhet (2, 3, 4, 5) med hvilken sensorsignalet, sammen med minst en tilleggsinformasjon, blir omformet til et utgangssignal som kan overføres til en evalueringsenhet. Oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den omfatter en andre enhet (1a) i hvilken en signalspenning er avhengig av en luftspalte (d) mellom den aktive sensoren (1) og koderen (E) kan bli detektert og sendt til første enhet (2, 3, 4, 5) for overføring som ytterligere informasjon.

DE 10060621 beskriver hvordan rotasjonen av en roterende magnet blir detektert ved hjelp av magnetiske sensorer. Rotasjonshastigheten blir detektert av pulssignaler som detekteres ved hjelp av magnetiske følere, og rotasjonsretningen blir detektert fra forskjellen i et faseskift. Signaler med forskjellig pulsbredde blir generert i henhold til rotasjonsretningen. En signalvelgerkrets avgir et tilsvarende pulssignal med tidsinformasjon for rotasjonshastigheten. En rotasjonshastighet-bestemmende krets avgir et beslutningssignal Sf med et høyt nivå når rotasjonshastigheten har nådd en forutbestemt hastighet. Når en selvdiagnosekrets bestemmer at de magnetiske følere har en feil, vil feilkodegenereringskretsen genererer et feilsignal Sg og et 4-bits feilkode signal Sh. Når signalet Sf til den roterende magneten bringes til et høyt nivå, vil velgerkretsen assosiere et signal svarende til rotasjonsretningen med data for "1" eller "0" for å sende ut et feilkodesignal, og tillater at en strømutgangskrets sender ut en utgangsstrøm Is.

For å bestemme beskaffenheten til fluidfasene i brønnen og deres forholds-messige andeler, kan man bruke optiske sensorer og/eller resistivitetssensorer. Man kan også bruke nukleære kapasitets- eller densitets-målinger.

For å bestemme hastigheten og rotasjonsretningen til strømningene i brønnen, tilveiebringer man flere propeller i brønnen der hver er ment å rotere, drevet av fluidet som den er neddykket i. Man kombinerer denne propellen med en anordning for å måle hastigheten og rotasjonsretningen for å kunne samle inn ver-diene av disse parameterne. Det blir foretrukket at denne kombinasjonen er uten enhver kontakt for å unngå å forstyrre den frie bevegelsen av propellen. Med minst én magnet innebygd i propellen, genererer dens rotasjon en magnetfeltvariasjon som én eller flere magnetiske sensorer kan detektere. Denne magnetfeltvariasjonen er representativ for hastigheten og rotasjonsretningen til propellen.

En annen begrensning som må respekteres, er at anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen blir forsynt med et antall ledere for forbindelse til utsiden, og så små som mulig.

Anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen må i virkeligheten for det første forsynes med energi, og for det annet levere signaler svarende til de målingene som utføres. Kraftkilden kan være plassert på overflaten eller i et lekkasjesikkert hus plassert i brønnen nær måleanordningen. En anordning for behandling av de signalene som leveres av måleanordningen, er også plassert i

huset. Man plasserer også i huset en anordning for behandling av de signalene som leveres av de optiske sensorene og/eller resistivitetssensorene. Inne i huset er det et trykk som er forskjellig fra det i brønnen, og det er vanligvis atmosfæretrykket. Lekkasjetette gjennomføringer må være anordnet for lederne som forbinder sensorene og anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen til behandlingsanordningene og kraftkilden. Utforming av disse lekkasjetette gjennomføringene er alltid vanskelig, og det er best å ikke mangfoldiggjøre deres antall på grunn av den sammenklyngingen de forårsaker og for ikke å frembringe

lekkasjer.

I en nukleær anvendelse må man også minimalisere antallet ledere kombinert med måleanordningen hvis måleanordningen er plassert i et radioaktivt hus.

Flere type magnetiske målesensorer som er i stand til å måle en hastighet og/eller en rotasjonsretning, er kommersielt tilgjengelige. Uten å gå i detaljer vedrørende arbeidsprinsippene for sensorene, uansett om de er Hall-effektsensorer, magnetoresistanssensorer eller store magnetoresistanssensorer, kan de klassifiseres i to hovedkategorier.

Den første kategorien dekker sensorer av lineær type. En sensor i denne kategorien omfatter minst én følsom del som er følsom for intensiteten til et magnetfelt. Dens utgang leverer analoge signaler med forholdsvis lav spenning. Signalene er proporsjonale med intensiteten til magnetfeltet. Denne sensortypen blir tradisjonelt koplet til en krets for behandling av signalene. Kretsen er ganske kompleks: den omfatter forsterkere, komparatorer, integrerte strømkilder og spenningsstyringskretser på en slik måte at det tilveiebringes passende signaler. For å få en liten dimensjon, må denne komplekse kretsen vær i form av en spesiell integrert krets kjent ved forkortelsen ASIC (Application Specific Integrated Circuit), som øker utviklingskostnadene i betydelig grad og prisen på komponenten når den bare kan fremstilles i små mengder. Antallet ledere som er festet til denne anordningstypen, er minst tre, men tradisjonelt er det flere.

Den andre kategorien dekker digitale, eller alle eller ingen, sensortyper. Disse masseproduserte sensorene omfatter minst én følsom del og en elektronikk-krets som leverer digital informasjon. De leverer et signal når de detekter en viss magnetfeltterskel. Uten at vi bryr oss med deres temperaturytelse, som ikke alltid er optimal, muliggjør denne type hastighetssensor ofte ikke deteksjon av retningen, og når de muliggjør dette, er de forsynt med minst fire ledere. Hvis rotasjonshastigheten dessuten er lav, er oppløsningen til målingen av hastigheten ikke god, det leverte signalet omfatter generelt to impulser pr. rotasjon av objektet når man kombinerer objektet med en enkelt magnet. Hvis man skulle bruke flere magneter, ville man øke blokkeringen av objektet i rotasjon, noe som ikke alltid er mulig, og man ville måtte bringe sensoren nærmere objektet i rotasjon på grunn av lukkingen av de magnetiske feltlinjene fra én magnet til en annen.

BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Det spesielle formålet med foreliggende oppfinnelse er å foreslå en anordning for måling av hastigheten og rotasjonsretningen til et objekt, som ikke har de ovennevnte ulempene. Den består i en anordning for måling av hastigheten og rotasjonsretningen til et objekt, som er spesielt kompakt og som er egnet for drift i barske omgivelser og som har det lavest mulige antall elektriske ledere for kraftforsyning og overføring av informasjon som den leverer. Anordningen må operere uten kontakt med objektet som er i bevegelse.

For å oppnå formålene benytter foreliggende oppfinnelse en magnetisk deteksjonsanordning kombinert med strømmottakeranordninger som skaper, på kraftforsyningsledningen til den magnetiske måleanordningen, en modulasjon av den strøm som flyter i denne. Modulasjonen blir utført på en slik måte at den koder både den informasjon som angår hastigheten og rotasjonsretningen til objektet. Den strøm som forbrukes av anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen, transporterer således den ønskede informasjon.

Mer nøyaktig angår foreliggende oppfinnelse en anordning for måling av hastigheten og rotasjonsretningen til et objekt som den er plassert i nærheten av. Den omfatter: - en magnetisk deteksjonsanordning som leverer, som reaksjon på en rotasjon av objektet som genererer en magnetisk feltvariasjon, signaler som er representative for hastigheten og rotasjonsretningen,

- en leder innrettet for å bli forbundet med en kraftkilde for å levere strøm til

i det minste den magnetiske deteksjonsanordning,

- strømmottakeranordninger plassert mellom den magnetiske deteksjonsanordningen og lederen som frembringer, fra signaler som kommer fra den magnetiske deteksjonsanordningen, en modulasjon av den strøm som flyter i lederen, idet den modulerte strømmen avspeiler både hastigheten og rotasjonsretningen til objektet.

Strømmottakeranordningene kan omfatte minst én seriesammenstilling utformet av en motstand og et kommutasjonselement, f.eks. en transistor.

Frekvensen til den modulerte strømmen eller antallet overganger som den har, avspeiler hastigheten til objektet. Dens form avspeiler rotasjonsretningen til objektet.

Den magnetiske deteksjonsanordningen kan være en lineær sensor som leverer to par med signaler som er ute av fase med hverandre, hvor signalene er relatert til den vinkelmessige posisjonen av objektet.

Måleanordningen kan omfatte to komparatorer, idet inngangen til hver mottar signalene i et par, utgangen fra hver komparator blir koplet til lederen via en resistor i en seriekrets, hvor de to resistorene har forskjellige verdier.

I en foretrukket utførelsesform innbefatter hver komparator et element for å kommunisere med strømmottakeranordningene.

Den modulerte strømmen kan ha en første asymmetrisk form når objektet roterer i én retning, og den samme form, men som et speilbilde, når objektet roterer i den andre retningen.

I en annen utførelsesform er den magnetiske deteksjonsanordningen en digital sensor som leverer et signal som er representativt for hastigheten og et signal som er representativt for rotasjonsretningen til objektet.

Den modulerte strømmen kan ha et syklisk forhold større enn en forutbestemt terskel når objektet roterer i én retning, og et syklisk forhold mindre enn den forutbestemte terskelen når objektet roterer i den andre retningen.

Anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen til et objekt kan omfatte to komparatorer, hvor inngangen til hver mottar signalene fra et par,

anordninger for å kode rotasjonsretningen til objektet, hvis inngang er koplet til utgangen fra komparatorene, blandingsanordninger hvis inngang er koplet til utgangen fra komparatorene og til utgangen fra kodingsanordningene, idet utgangen fra

blandeanordningene leverer et unikt signal som avspeiler hastigheten og rotasjonsretningen til objektet, hvor det unike signalet styrer strømmottakeranordningen.

Kodingsanordningene for rotasjonsretningen kan omfatte en omkoplingsan-ordning D.

Anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen til et objekt kan omfatte en blandeanordning hvis inngang er koplet til den magnetiske deteksjonsanordningen og hvis utgang leverer et unikt signal som avspeiler hastigheten og rotasjonsretningen til objektet, idet det unike signalet styrer strømmottakeranordningene.

Blandeanordningen kan være dannet av en krets basert på logiske porter.

Den magnetiske deteksjonsanordningen, lederen og

strømmottakeranordningen kan i det minste være innkapslet i et hus laget av et ikke-magnetisk materiale, idet lederne er tilgjengelige fra utsiden av huset.

Huset kan være laget av metall slik som titan eller rustfritt stål.

Den magnetiske deteksjonsanordningen er forbundet med en annen leder for kraftforsyning av denne, hvor den andre lederen forblir inne i huset.

Foreliggende oppfinnelse angår også et magnetsystem for innsamling av data i en strømning, spesielt for hydrokarbonbrønner, som omfatter en måleanord-ning av nevnte type og hvor objektet er i form av en ikke-magnetisk propell integrert med minst én magnet.

For å forstyrre den strømningen som propellen er neddykket i, så lite som mulig, er propellen og måleanordningen plassert på linje med hverandre langs rotasjonsaksen.

Foreliggende oppfinnelse er særlig egent til å tilveiebringe en anordning for måling av rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen til en ikke-magnetisk propell integrert med minst én magnet, idet propellen er i en strømningen og anordningen er plassert i nærheten av denne, omfattende

- en magnetisk deteksjonsanordning som leverer, som reaksjon på en rotasjon av propellen som genererer en magnetfeltvariasjon, signaler som er representative for dens rotasjonshastighet og dens rotasjonsretning, - en leder innrettet for å være tilkoplet til en kraftkilde for å levere strøm til minst den magnetiske deteksjonsanordningen, - strømmottakeranordninger plassert mellom den magnetiske deteksjonsanordningen og lederen som frembringer, fra signaler som kommer fra den magnetiske deteksjonsanordningen, en modulasjon av strømmen som flyter i lederen,

hvor,

frekvensen til den modulerte strømmen eller antallet overganger til den modulerte strømmen i et tidsintervall, avspeiler hastigheten til objektet; og

formen av den modulerte strømmen avspeiler rotasjonsretningen til objektet.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Foreliggende oppfinnelse vil lettere kunne forstås ved lesing av beskrivelsen av de utførelsesformene som er gitt, kun som en indikasjon og på ingen måte begrensende, og under henvisning til de vedføyde tegningene, hvor: - fig. 1 er et elektrisk skjema over en første utførelsesform av en anordning for måling av hastigheten og rotasjonsretningen i henhold til oppfinnelsen; - fig. 2 er et elektrisk skjema over en magnetisk deteksjonsanordning som kan brukes på fig. 1; - fig. 3 er et elektrisk skjema over en komparator som kan brukes på fig. 1; -fig. 4A til 4D er tidsdiagrammer for komponentene Is, Ivc1, Ivc2, Ivc, til strømmen lout som flyter i anordningens leder for å måle hastigheten og rotasjonsretningen på fig. 1, hvor fig. 4E gir formen av strømmen lout; - fig. 5 er et elektrisk skjema over en annen utførelsesform av en anordning for måling av hastigheten og rotasjonsretningen i henhold til oppfinnelsen; - fig. 6 er et elektrisk skjema over en blandingsanordning som kan brukes i anordningen på fig. 1; - fig. 7A til 7D er tidsdiagrammer for det signalet S som leveres til blandingsanordningen og komponentene Is, Ivc, av strømmen lout som flyter i kraftforsyningslederen i anordningen for å måle hastigheten og rotasjonsretningen på fig. 5, idet fig. 7D gir formen av strømmen lout; - fig. 8A er et elektrisk skjema over en annen utførelsesform av en anordning for måling av hastigheten og rotasjonsretningen i henhold til oppfinnelsen; - fig. 8B er et elektrisk skjema over blandingsanordningen som kan brukes på fig. 8A; og - fig. 9 er en representasjon av et magnetsystem for innsamling av data i forbindelse med oppfinnelsen, omfattende et tverrsnitt av anordningen for måling av hastighet og rotasjonsretning på fig. 1.

Identiske, like eller ekvivalente deler på de forskjellige figurene som blir beskrevet i det etterfølgende, har samme henvisningstall for å lette overgangen fra én figur til en annen.

De forskjellige delene som er vist på figurene, er ikke nødvendigvis i samme målestokk, men vist for å gjøre figurene lettere å lese.

DETALJERT BESKRIVELSE AV SPESIELLE UTFØRELSESFORM ER

Vi vil referere til fig. 1 som viser et elektrisk skjema over en anordning for måling av hastigheten og rotasjonsretningen til et objekt i henhold til oppfinnelsen. Denne utførelsesformen er en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen fordi den er spesielt enkel, kompakt og ikke kostbar. Det antas at denne anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen er ment å bli brukt på hydrokarbonut-vinningsfeltet, og i dette tilfelle er objektet en propell i et stykke med minst én magnet.

Anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen omfatter i et ikke-magnetisk beskyttende metallhus 1, en magnetisk deteksjonsanordning 2 som leverer signaler som er representative for hastigheten og rotasjonsretningen til et objekt 3 som den samvirker med, hvor objektet 3, mens det roterer, genererer en magnetfeltvariasjon nær den magnetiske deteksjonsanordningen 2. Magnetfeltvariasjonen er periodisk når rotasjonshastigheten er hovedsakelig konstant.

I vårt eksempel har propellen henvisningstall 30 og magneten henvisningstall 31. Huset 1 kan også brukes som en forbindelse til jordoverflaten, som vil bli vist senere, og i dette tilfelle er det laget av et elektrisk ledende materiale.

For å virke må en elektrisk strøm kjøres gjennom den magnetiske deteksjonsanordningen 2. Den er ment å bli tilkoplet en kraftkilde (ikke vist) via en elektrisk kraftforsyningsleder 4. Lederen 4 som er koplet til den magnetiske deteksjonsanordningen 2, er tilgjengelig fra utsiden av beskyttelseshuset 1. Den magnetiske deteksjonsanordningen 2 er også koplet til en annen elektrisk leder 5 for å forsyne med den kraft. Den andre lederen 5 kan også være koplet til en annen terminal (som vanligvis er jord) for kraftkilden for å returnere strømmen, og i dette tilfelle eksiterer den beskyttelseshuset 1 som lederen 4. I en spesielt interessant utførelsesform forblir den andre lederen 5 begrenset til innsiden av beskyttelseshuset 1 og er plassert i elektrisk kontakt med beskyttelseshuset 1, som vanligvis er forbundet med jord. Mer nøyaktig er beskyttelseshuset 1 plassert i legemet til en datainnsamlingsanordning som er i elektrisk kontakt med denne, og den er legemet til den anordningen som er koplet til jord. Det er derfor bare én enkelt leder 4 som kommer ut fra huset 1.

For å gjøre de signalene som leveres av den magnetiske deteksjonsanordningen 2, tilgjengelige uten å øke antallet elektriske ledere som kommer ut fra anordningen for å måle hastigheten og rotasjonsretningen til objektet, omfatter anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen til objektet 3 strømmottakeranordninger 6 plassert mellom den magnetiske deteksjonsanordningen 2 og den elektriske lederen 4. Strømmottakeranordningene 6 mottar signalene fra den magnetiske deteksjonsanordningen 2 hvis det er riktig etter formatering, og frembringer i kraftforsyningslederen 4 en modulasjon av amplituden til den strømmen som sirkuleres i denne med signalene fra den magnetiske deteksjonsanordningen. Den strømmen som flyter i kraftforsyningslederen 4, transporterer så informasjon i forhold til både hastigheten og rotasjonsretningen til objektet.

I denne utførelsesformen er den magnetiske deteksjonsanordningen 2 en sensor for magnetoresistanseffekt i kategorien med lineære sensorer. Den er i virkeligheten en vinkelposisjonssensor. Den leverer signaler som er representative for vinkelforskyvningen a som finnes mellom det roterende magnetfeltet og en fast referanseretning (f.eks. retningen til den strømmen som flyter i de elementene som utgjør sensoren). Dens ekvivalente skjema er vist på fig. 2.

For å kunne detektere to informasjonstyper, med andre ord hastigheten og rotasjonsretningen, trenger man to sensitive celler som skal levere faseutgangssig-naler, f.eks. ved hjelp av % I2. I den beskrevne utførelsesformen omfatter den magnetiske sensoren en første sensitiv celle 20 og en annen sensitiv celle 21 hvor de to sensitive eller følsomme cellene begge er konfigurert med fire magnetoresistans-elementer montert i en bro. Magnetoresistans-elementene er betegnet med henvisningstallene 201 til 204 for den første følsomme cellen 20 og med 211 til 214 for den andre følsomme cellen 21. Resistansen til elementene varierer som en funksjon av intensiteten til magnetfeltet. Den første følsomme cellen 20 leverer et par med spenningssignaler i faseopposisjon, ett proporsjonalt med sina og det andre med sin (a-n). Den andre følsomme cellen 21 leverer et par med spenningssignaler i faseopposisjon, en proporsjonal med cosa og den andre med cos

De to følsomme cellene 20, 21 er en del av den samme magnetiske sensoren, noe som betyr at de har lignende karakteristikker og mer eller mindre samme temperaturoppførsel.

Istedenfor å bruke to følsomme celler i én og samme magnetiske sensor, kan man tenke seg å bruke to forskjellige magnetiske sensorer. Denne utførelsesformen er mindre fordelaktig siden målingene kan forfalskes, spesielt med hensyn

til rotasjonsretningen, hvis anordningen for måling av hastigheten og rotasjonsretningen opererer i et miljø hvor temperaturen varierer og hvis sensorene har forskjellige sensitiviteter.

Hvert par med spenningssignaler blir tilført inngangen på en komparator, hvor komparatoren er betegnet C1 for de første paret og C2 for det andre paret.

Utgangen fra den første komparatoren C1 er koplet via en første kalibreringsresistor R1 til den elektriske lederen 4. Utgangen fra den andre komparatoren C2 er koplet via en annen kalibreringsresistor R2 til den elektriske kraftforsyningslederen 4.

De to nevnte kalibreringsresistorene R1 og R2 har forskjellige verdier. Man kan velge f.eks. R = 2R1, hvor R1 er lik én kilo-ohm. Resistansverdiene blir valgt som en funksjon av amplitudemodulasjonen for strømmen.

Andre verdier er imidlertid også mulige. Komparatorene tilknyttet kalibreringsresistorene R1 og R2 koder de signalene som leveres av vinkelposisjonssensoren 3.

Komparatorene C1 og C2 er konvensjonelle, integrerte komparatorer. En komparator har to utgangstilstander: den leverer en høynivåspenning eller en lavnivåspenning og gjør dette som en funksjon av de signalene som påtrykkes dens innganger. Et forenklet skjema over prinsippet til en konvensjonell komparator er vist på fig. 3. Den omfatter et inngangstrinn med forskjellige par dannet av transistorene Q1 og Q2. Inverteringsinngangen blir gjort på basiselektroden til transistoren Q1. Den ikke-inverterende inngangen blir gjort på basiselektroden til transistoren Q2. Differensialparet er plassert mellom to forsyningsterminaler via, på en side av en kilde som utgjøres av et strømspeil som omfatter transistorene Q6 og Q7, og en polariseringsresistans R', og på den annen side en ladning utformet av et strømspeil som omfatter transistorene Q3 og Q4. Den omfatter et inngangstrinn som utgjøres av en åpen kollektortransistor Q5. Transistoren Q5 er en avbruddstransistor. Utgangen fra komparatoren blir foretatt på kollektoren til transistoren Q5.

I anordningen for å måle hastigheten og rotasjonsretningen, er det derfor denne kollektoren som er koplet til lederen 4 via én av kalibreringsresistorene R1, R2. Kalibreringsresistorene R1 og R2 erstatter de nedbrytingsresistorene som tradisjonelt blir brukt i utgangen av denne komparatortypen og som generelt har verdier på omkring 10 kilo-ohm.

Vi vil nå minne om virkemåten til komparatoren. Når den spenningen som påtrykkes den ikke-inverterende inngangen er mer positiv enn den spenningen som påtrykkes den inverterende inngangen, faller spenningen på basiselektroden til transistoren Q5 og transistoren Q5 blokkeres. Spenningen ved utgangen fra komparatoren blir satt til det høye nivået; det er lik forsyningsspenningen. Nedtrek-kingsresistoren trekker ned utgangsspenningen fra komparatoren til forsyningsspenningen når transistoren Q5 er blokkert.

Når den spenning som påtrykkes den ikke-inverterende inngangen er mindre positiv enn den spenningen som leveres til inverteringsinngangen, øker spenningen på basiselektroden til transistoren Q5, og transistoren Q5 blir mettet. Utgangsspenningen fra komparatoren blir satt til det lave nivået.

Komparatorene C1 og C2 som er representert på fig. 1, kan så brytes ned i en inngangsblokk C10, C20 som omfatter differensialparet, ladningen og kilden, hvor inngangsblokken blir fulgt av et utgangstrinn C11, C21 som utgjøres av transistoren Q5, med andre ord et kommuteringselement.

Strømmottakeranordningen 6 er så dannet av to seriekoplinger 61, 62, hvor den første 61 omfatter utgangstrinnet C11 fra komparatoren C1, og resistoren R1 er seriekoplet, idet den annen 62 omfatter utgangstrinnet C21 fra komparatoren C2 og med resistoren R2 i serie.

Strømmottakeranordningen 6 blir styrt av den spenning som påtrykkes basiselektroden til transistorene Q5 i utgangstrinnet C11, C21 til de to komparatorene C1, C2.

Strømmen lout som flyter i den elektriske kraftforsyningslederen 4, kan brytes ned til en forsyningsstrøm Is for å forsyne den magnetiske deteksjonsanordningen 2 med strøm, og komparatorene C1, C2, en strøm Ivc absorbert av strømmottakeranordningen 6, hvor strømmen Ivc selv blir brutt ned i en strøm Ivc1 absorbert av den første enheten 61 i strømmottakeranordningen 6, og en strøm Ivc2 absorbert av den andre enheten 62 i strømmottakeranordningen 6.

Fig. 4A viser skjematisk formen av strømmen Is, fig. 4B formen til strømmen Icv1 og fig. 4C formen til strømmen Icv2 som en funksjon av tid. Fig. 4D viser strømmen Ivc som absorberes av strømmottakeranordningen 6, som er summen av strømmen Ivc1 og strømmen Ivc2. Man antar at objektet 3 foretar en rotasjon i én retning og én rotasjon i den andre retningen.

Forsyningsstrømmen Is er hovedsakelig konstant over tid når objektet 3 blir drevet i rotasjon. Strømmene Ivc1, Ivc2, er ute av fase med nl2 siden én avspeiler sinusverdien og den andre avspeiler cosinusverdien til én og samme vinkel. Når objektet roterer i én retning, er strømmen Ivc1 i forkant av strømmen Ivc2, og når objektet 3 roterer i den andre retningen, er den det motsatte. Amplitudene til strøm-mene Ivc1 og Ivc2 er forskjellige siden kalibreringsresistorene R1 og R2 er forskjellige. Det å velge resistoren R1, R2 i et forhold lik 2, gjør det mulig å doble én av strømmene i forhold til den andre.

Strømmen Ivc inntar form av et asymmetrisk signal i trinn som blir gjentatt to ganger for hver omdreining av objektet 3. Den har en viss form når objektet 3 roterer i én retning, og den samme formen, men betraktet i et speil, når objektet 3 roterer i den andre retningen. Dens frekvens eller antall overganger av det asymmetriske signalet avspeiler hastigheten til objektet. Strømmen avspeiler både hastigheten og rotasjonsretningen til objektet 3.

Strømmen lout har 8 overganger pr. omdreining av objektet 3. Selv om objektet 3 roterer ved lav hastighet, har strømmen lout god hastighetsoppløsning.

Anordningen for å detektere hastigheten og rotasjonsretningen trenger ikke å bli satt inn i nærvær av et stabilisert magnetfelt for å operere korrekt. Målingene som blir tatt, blir ikke påvirket av en temperaturvariasjon selv om de virker på intensiteten til magnetfeltet og/eller på følsomheten til den magnetiske sensoren.

Denne type anordning for måling av hastighet og rotasjonsretning er ikke særlig følsom for en svak variasjon i den relative posisjonen til objektet i forhold til den magnetiske sensoren på grunn av nærværet av komparatorene C1 og C2 som hver mottar to signaler i faseopposisjon fra den samme følsomme cellen.

Fig. 5 viser fra en samme magnetisk sensor 2, et annet middel for behandling av signalene som den leverer. Komparatorene C1 og C2 som er vist på fig. 1, er igjen representert. Deres utgang er koplet til den elektriske forsyningslederen 4 via en nedtrekkingsresistor Ra. Nå blir komparatorene C1 og

C2 brukt på konvensjonell måte og ikke lenger som strømmottakeranordninger for å modulere den strømmen som flyter i kraftforsyningsledningen 4. Som før, leverer komparatorene signaler i impulser som har sykliske forhold nær 50%. De blir bare skjelnet fordi de er ute av fase med%I2. Deres frekvens er representativ for rotasjonshastigheten til objektet.

I denne utførelsesformen finner man også strømmottakeranordningen 6 plassert mellom den magnetiske deteksjonsanordningen 2 og kraftforsyningslederen 4 for å modulere den strømmen som flyter i kraftforsyningslederen for å avspeile både hastigheten og rotasjonsretningen til objektet.

Nå blir strømmottakeranordningen 6 imidlertid angrepet av et unikt signal S fremskaffet fra de signalene som leveres av komparatorene C1, C2.

Vi vil nå se hvordan det unike signalet S som transporterer informasjon om både hastigheten og rotasjonsretningen, skal genereres. Vi skal først trekke ut et signal S1 som direkte avspeiler rotasjonsretningen. For å gjøre dette bruker man anordninger for koding av rotasjonsretningen 50 som kan være i form av en vender D. Utgangen fra den første komparatoren C1 er koplet til datainngangen D på venderen D, og utgangen fra den andre komparatoren C2 er koplet til inngangen H i tidskretsen til venderen D. Det omvendte er mulig. Utgangen Q fra venderen D sender ut signalet S1; det har høyt nivå når objektet dreier i én retning og lavt nivå når objektet dreier i den andre retningen.

Det er også tilveiebrakt blandeanordninger 51 som kombinerer signalene fra komparatorene C1, C2 (det refereres henholdsvis til C1, C2 for å forenkle ting) og fra anordningen for koding av rotasjonsretningen 50, for å generere det unike signalet S som er representativt for både hastigheten og rotasjonsretningen til objektet. Signalet S er ment å styre strømmottakeranordningen 6 som er ment å modulere den strømmen som flyter i lederen 4.

Blandeanordningene 51 har en virkning på det sykliske forholdet. De leverer et signal som har et syklisk forhold høyere enn den forutbestemte terskelen når objektet roterer i én retning og et signal som har et syklisk forhold mindre enn den forutbestemte terskelen når objektet roterer i den andre retningen. Frekvensen til signalet er direkte representativ for rotasjonshastigheten til objektet. Den forutbestemte terskelen er i denne utførelsesformen lik 50%.

Blandeanordningene 51 kan utgjøres av den logiske kretsen som er illustrert på fig. 6. Den logiske kretsen omfatter en første OG-port 60, som har én inngang koplet til utgangen fra den første komparatoren C1 og den andre inngangen er koplet til utgangen fra den andre komparatoren C2. Utgangen fra den første OG-porten 60 er koplet til inngangen på en første inverter 61. Utgangen fra den første inverteren 61 er koplet til én av inngangene på en annen OG-port 63. Den andre inngangen til den andre OG-porten 63 er koplet til utgangen fra anordningen for koding av rotasjonsretningen 50. Utgangen Q fra kodingsanordningen 50 er også forbundet med inngangen til en annen inverter 62. Utgangen fra den andre inverteren 62 er koplet til én av inngangene å en tredje OG-port 64. Den andre inngangen til den tredje OG-porten 64 er koplet til utgangen fra den første OG-porten 60. Utgangen fra den andre OG-porten 63 er koplet til én av inngangene på en eksklusiv ELLER-port 65. Den andre inngangen til den eksklusive ELLER-porten 65 er koplet til utgangen fra den tredje OG-porten 64. Utgangen fra den eksklusive ELLER-porten 65 leverer det unike signalet S som avspeiler både rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen til objektet. Et slikt signal S er illustrert i diagrammet på fig. 7A. I det første segmentet har signalet S et syklisk forhold mindre enn 50%; dette betyr at objektet roterer i én retning. I det andre segmentet har signalet S et syklisk forhold større en 50%; dette betyr at objektet roterer i den andre retningen. Frekvensen til signalet S er direkte representativ for rotasjonshastigheten til objektet.

Det unike signalet S blir levert til inngangen på strømmottakeranordningen 6 istedenfor å modulere strømmen lout som flyter i den elektriske lederen 4. Strøm-mottakeranordningen 6 utgjøres av et kommuteringselement Q representert i form av en transistor hvis basiselektrode er koplet til utgangen fra blandeanordningene 51, og hvis kollektor er koplet til lederen 4 via en motstand R, og hvis emitter er koplet til den andre lederen 5.

Strømmen lout som flyter i den elektriske lederen 4, kan brytes ned i en forsyningsstrøm Is for den magnetiske deteksjonsanordningen 2 og elektronikken som er plassert oppstrøms for strømmottakeranordningen 6, og en strøm Ivc absorbert av strømmottakeranordningene 6 når de blir styrt av signalet S. Diagrammet på fig. 7B viser formen til strømmen Is, diagrammet på fig. 7C viser formen til strømmen Ivc, dens form blir sporet over formen til signalet S. Diagrammet på fig. 7D viser formen av strømmen lout.

Istedenfor å bruke en lineær magnetisk sensortype som den magnetiske deteksjonsanordningen, er det mulig å bruke en kommersielt tilgjengelig, digital magnetisk sensor 80 som har en utgang 81 for levering av et signal Sv som direkte avspeiler rotasjonshastigheten til objektet 3 og en utgang 82 som leverer et signal Ss som direkte avspeiler rotasjonsretningen til objektet 3. Denne utførelsesformen er representert på fig. 8A. Den magnetiske sensoren kan være en magnetisk Hall-effektsensor eller en stor magnetisk magnetoresistans-sensor.

De to utgangene fra den magnetiske sensoren er koplet til blandingsanordningene 83 for å generere det unike signalet S som er representativt for både rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen til objektet 3, idet det unike signalet S er ment å styre strømmottakeranordningene 6 som er innrettet for å modulere den strøm som flyter i kraftforsyningslederen 4.

Blandingsanordningene 83 kan sammenlignes med de på figurene 5 og 6 og utfører en koding av de signalene som påtrykkes dens inngang på grunnlag av et syklisk forhold.

Fig. 8B viser en utførelsesform av blandingsanordningen 83. Den innbefatter en logisk krets som omfatter en monostabil krets 85 hvis inngang er koplet til utgangen 81 fra den magnetiske sensoren 80 (den som leverer signalet Sv). Den monostabile kretsen 805 blir brukt til å bryte opp symmetrien til signalet Sv som har et syklisk forhold lik 50%. Den genererer pulser med regulert bredde for å fremskaffe et signal som har et syklisk forhold forskjellig fra 50%. Utgangen fra den monostabile kretsen 805 er koplet til inngangen på en første inverter 800. Utgangen fra den første inverteren 800 er koplet til én av inngangene på en første OG-port 801. Den andre inngangen til den første OG-porten 801 er koplet til utgangen 82 fra den magnetiske sensoren 80 (den som leverer signalet Ss). Utgangen 82 fra den magnetiske sensoren 80 er også koplet til inngangen på den andre inverteren 802. Utgangen fra den andre inverteren 802 er koplet til én av inngangene på en annen OG-port 803. Den andre utgangen fra den andre OG-porten 803 er koplet til utgangen 81 fra den magnetiske sensoren 80. Utgangen fra den første OG-porten 801 er koplet til én av inngangene på en eksklusiv ELLER-port 804. Den andre inngangen til den eksklusive ELLER-porten er koplet til utgangen fra den andre OG-porten 803. Utgangen fra den eksklusive ELLER-porten leverer det unike signalet S som avspeiler både rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen til objektet. Når den har et syklisk forhold mindre enn 50% f.eks., betyr det at objektet roterer i én retning. Når den har et syklisk forhold større enn 50% f.eks., betyr at objektet roterer i den andre retningen. Frekvensen til det unike signalet S er direkte representativ for rotasjonshastigheten til objektet. Det unike signalet S blir brukt til å regulere strømmottakeranordningene 6 som har samme form som den

som er vist på fig. 5. En annen forskjell ved anordningen for måling av rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen på fig. 8A, er at den andre lederen 5 også er tilgjengelig fra utsiden av beskyttelseshuset 1. Den andre lederen 5 er ikke lenger begrenset til å være innenfor beskyttelseshuset 1.

Beskyttelseshuset 1 kan være laget av et ikke-magnetisk materiale som er resistent mot miljøet som det skal neddykkes i.

I en oljeanvendelse har fluidet en temperatur på omkring 150 °C, et trykk omkring 10<8>Pa og det kan være meget korrosivt. Det kan inneholde svovelforbind-elser, sand eller annet avfall i oppløsning, osv. Beskyttelseshuset 1 kan f.eks. være laget av ikke-magnetisk titan eller rustfritt stål.

Det kan være i form av et lite sylindrisk rør med akse XX', som har en ytre diameter på omkring 5 mm og en lengde på omkring 25 mm. Den magnetiske deteksjonsanordningen 2 og de tilhørende kretsene C1, C2, R1, R2 er i form av en multibrikkemodul eller MCM (multi-chip modul). Modulen er innsatt i huset for å gjøre det mulig for lederen 4 å bli strukket ut, og om det passer, den andre lederen 5. Huset 1 blir så fylt med et fyllmateriale slik som epoksyharpiks for å låse alt sammen.

Fig. 9 representerer et magnetsystem for innsamling av data i en strømning, spesielt for hydrokarbonbrønner. Den omfatter i tverrsnitt anordningen for måling av rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen i henhold til oppfinnelsen i henhold til utførelsesformen på fig. 1. Systemet omfatter i tillegg objektet 3 som er i form av en ikke-magnetisk propell 30 integrert med minst én magnet 31. Den magnetiske sensoren 2, komparatorene C1, C2 og kalibreringsresistorene R1, R2 er montert på en bærer 6, f.eks. av den fleksible, trykte kretstypen. De elektriske forbindels-ene mellom den magnetiske vinkelsensoren 2, komparatorene C1, C2 og kalibreringsmotstandene R1, R2 er dannet på bæreren 6. De komponentene som brukes (f.eks. komparatorene C1, C2) når de er integrert, kan være montert uisolerte på bæreren 6. Fyllmaterialet er betegnet med henvisningstall 7. For å oppta så lite plass som mulig, bærer de to hovedflatene til bæreren 6 komponentene. I eksempelet på fig. 9 er resistorene R1, R2 festet på én flate av bæreren 6, og komparatorene C1, C2 på den andre flaten. Den magnetiske sensoren 2 er lokalisert ved enden av bæreren 6. Den er hovedsakelig festet perpendikulært til bærerens 6 plan.

Objektet 3 kan være plassert i forlengelsen av huset 1 langs rotasjonsaksen 32, som vist på figurene 1, 5, 8A og 9. Rotasjonsaksen 32 til objektet og aksen XX' til huset 1 er sammenfallende. Når objektet er posisjonert som på fig. 1, 5, 8A og 9, kan avstanden mellom objektet 3 og den magnetiske sensoren 2 være omkring flere millimeter. Denne avstanden er avhengig av følsomheten til sensoren og intensiteten til magnetfeltet, som er en funksjon av dimensjonene til magneten og dens materiale.

På fig. 9 har vi forsøkt å vise at objektet 3 kan være posisjonert like ved siden av huset 1, at deres akser 32, XX' er forskjøvet men hovedsakelig parallelle. Objektet 3 i denne posisjonen er vist som en brutt linje.

Selv om flere utførelsesform er av foreliggende oppfinnelse er blitt representert og beskrevet på en detaljert måte, vil man forstå at forskjellige endringer og modifikasjoner kan gjøres uten å avvike fra oppfinnelsens ramme.

Claims

1. Anordning for måling av rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen til en ikke-magnetisk propell (3), integrert med minst én magnet, idet propellen er i en strømning og anordningen er plassert i nærheten av denne, karakterisert ved: - en magnetisk deteksjonsanordning (2) som leverer, som reaksjon på en rotasjon av propellen (3) som genererer en magnetfeltvariasjon, signaler som er representative for dens rotasjonshastighet og dens rotasjonsretning, - en leder (4) innrettet for å være tilkoplet til en kraftkilde for å levere strøm til minst den magnetiske deteksjonsanordningen (2), - strømmottakeranordninger (6) plassert mellom den magnetiske deteksjonsanordningen (2) og lederen (4) som frembringer, fra signaler som kommer fra den magnetiske deteksjonsanordningen (2), en modulasjon av strømmen (lout) som flyter i lederen (4), hvor, frekvensen til den modulerte strømmen (lout) eller antallet overgan ger til den modulerte strømmen i et tidsintervall, avspeiler hastigheten til objektet (3); og formen av den modulerte strømmen (lout) avspeiler rotasjonsretnin gen til objektet (3).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat strømmottakeranordningene (6) omfatter minst én seriesammenstilling (61, 62) dannet av en resistor (R1, R2) og et kommuteringselement (C5).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat den magnetiske deteksjonsanordningen (2) er en lineær sensor som leverer to par med signaler som er ute av fase med hverandre, idet signalene er relatert til den vinkelmessige posisjonen til objektet.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert vedat den omfatter to komparatorer (C1, C2), idet inngangen til hver av disse mottar signalene i et par, hvor utgangen fra komparatoren (C1, C2) er koplet til lederen (4) via en resistor (R1, R2) i en seriesammenstilling, hvor de to resistorene (R1, R2) har forskjellige verdier.

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert vedat hver komparator (C1, C2) innbefatter et kommuteringselement (Q5) for strømmottakeranordningene (6).

6. Anordning i følge noen av kravene 1 til 5, karakterisert vedat den modulerte strømmen (lout) har en første asymmetrisk form når objektet roterer i én retning, og den samme formen, men speilvendt når objektet (3) roterer i den andre retningen.

7. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat den magnetiske deteksjonsanordningen (2) er en digital sensor som leverer et signal som er representativt for rotasjonshastigheten og et signal som er representativt for rotasjonsretningen til objektet.

8. Anordning ifølge noen av kravene 1 til 7, karakterisert vedat den modulerte strømmen (lout) har et syklisk forhold større enn en forutbestemt terskel når objektet (3) roterer i én retning, og et syklisk formål mindre enn den forutbestemte terskelen når objektet (3) roterer i den andre retningen.

9. Anordning ifølge krav 8, når det henviser til noen av kravene 1 til 3,karakterisert vedat den omfatter to komparatorer (C1, C2), hvor inngangen til hver av disse mottar signalene i et par, anordninger for koding (50) av rotasjonsretningen til objektet, idet inngangen til denne er koplet til utgangen fra komparatorene (C1, C2), blandeanordninger (51) hvis inngang er koplet til utgangen fra komparatorene (C1, C2) og til utgangen fra anordningene for koding (50), idet utgangen fra blandeanordningene (51) leverer et unikt signal (S) som avspeiler rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen til objektet (3), hvor det unike signalet styrer strømmottakeranordningene (6).

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert vedat anordningene (50) for koding av rotasjonsretningen, omfatter en vender D.

11. Anordning ifølge krav 8, når det er forbundet med krav 7,karakterisert vedat den omfatter blandeanordninger (83) hvis utgang er koplet til den magnetiske deteksjonsanordningen (80) og hvis utgang leverer et unikt signal (S) som avspeiler rotasjonshastigheten og rotasjonsretningen til objektet (3), hvor det unike signalet styrer strømmottakeranordningene (6).

12. Anordning ifølge noen av kravene 9 til 11, karakterisert vedat blandeanordningene (51, 83) er dannet av en krets basert på logiske porter (60 til 65), (800 til 805).

13. Anordning ifølge noen av kravene 1 til 12, karakterisert vedat i det minste den magnetiske deteksjonsanordningen (3, 80), lederen (4) og strømmottakeranordningen (6) er innkapslet i et hus (1) laget av et ikke-magnetisk materiale, hvor lederen (4) er tilgjengelig fra utsiden av huset (1).

14. Anordning ifølge krav 13, karakterisert vedat huset (1) er laget av metall slik som titan eller rustfritt stål.

15. Anordning ifølge noen av kravene 1 til 14, karakterisert vedat den magnetiske deteksjonsanordningen (3, 80) er koplet til en annen leder (5) for å levere kraft til denne, hvor den andre lederen (5) kommer i elektrisk kontakt med huset (1).

16. Anordning ifølge noen av kravene 1 til 15, karakterisert vedat den videre omfatter et objekt (3) i form av en ikke-magnetisk propell (30) utformet i ett med minst én magnet (31.

17. Anordning ifølge krav 16, karakterisert vedat propellen (30) og måleanordningen er på linje med hverandre langs propellens akse.