非满管流量测量仪及其测量流量的方法和流量监测系统

摘要

本发明公开一种非满管流量测量仪，以及利用非满管流量测量仪计算流量的方法和流量检测系统，非满管流量测量仪包括支架、转轴、与转轴连接的连杆、固定于连杆活动端的容器，其中：支架安装于顶部开口的排水管的上方，转轴处安装有扭矩传感器、角度传感器，扭矩传感器检测并显示转轴处承受的扭矩T，角度传感器检测并显示转轴相对于初始位置的转角α。所述非满管流量测量仪根据液位高度、所受阻力和流体比重计算非满管情况下管道中的流量，进而对流量进行监测。

权利要求

1.一种非满管流量测量仪，其特征在于，包括支架、转轴、与转轴连接的连杆、固定于连杆活动端的容器，其中：支架安装于顶部开口的排水管的上方，转轴处安装有扭矩传感器、角度传感器，扭矩传感器检测并显示转轴处承受的扭矩T，角度传感器检测并显示转轴相对于初始位置的转角α；

还包括驱动转轴的力矩电机、与力矩电机的电流输入端连接的电流控制器，与力矩电机的电流输出端和电流控制器连接的电流传感器，以及分别与角度传感器和电流控制器连接的角度控制器，其中：电流传感器检测、和/或显示电机的输出电流，并将检测值传输至电流控制器；

电流控制器控制力矩电机的输入电流，使负载大于力矩电机的输出扭矩时力矩电机停止转动；

角度控制器配置为当转轴转动到预定角度后向电流控制器发送停止信号，电流控制器停止增大或减小力矩电机的输入电流，使电机的输出扭矩保持不变，连杆在流体中保持受力平衡状态；然后角度传感器检测转轴的实际转角，并计算实际转角与预定角度之间的差值Δα，并根据Δα计算使Δα＝0所需的补偿电流ΔI并发送至电流控制器，电流控制器增大或减小输出电流，补偿电流ΔI的计算公式为：其中，I1、α1分别表示实际位置处即电机停止转动时的电流、转角；

I0表示初始位置时电机中通过的电流；

表示转轴自初始位置转动到最大位置时电机的平均电流；

表示排水管中无流体即电机空转时转轴自初始位置转动到最大位置时电机的平均电流；

αmax表示最大位置处的转角。

2.根据权利要求1所述的非满管流量测量仪，其特征在于，其中电流控制器配置为在转轴的转动期间对力矩电机的输入电流进行收集而计算平均电流。

3.根据权利要求1或2权利要求所述的非满管流量测量仪的流量监测系统，其特征在于，包括管道、设置在两段管道中顶部开口的排水管、设置在排水管上的非满管流量测量仪、控制管道开关的控制阀、处理器单元、报警器，其中：控制阀上设有检测阀门开关时间的检测仪，

处理器单元包括有用于储存测量的流量的第一存储器、用于储存阀门开关时间值的第二存储器，用于储存预设流量值的第三存储器，用于根据计算的流量和预设流量以及阀门开关时间值计算实际流体体积和预设流体体积的处理器，用于比较实际流体体积和预设体积的比较器，用于根据比较器的输出发送报警信号的报警器，第一存储器与非满管流量测量仪连接，

第二存储器与检测仪的输出端连接，比较器的输出端与报警器连接。

说明书

非满管流量测量仪及其测量流量的方法和流量监测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种流量测量仪，尤其是涉及一种用于非满管状态下测量流量的非满管流量测量仪。

背景技术

[0002] 对于流量测量，现在工业上用的较多的是电磁流量计，其利用公式Q＝A*V计算流量，其中A表示管道的横截面积，V表示流体的流速，上述参数中A固定不变，因此电磁流量计只能针对满管情况进行流量测量，而当管道内流体为非满管时，即流体的横截面积不等于管道的横截面积时，电磁流量计就不能使用。在非满管情况下，流体的横街面积随管道中流体的高度h的变化而变化，因此可通过测量管道内流体高度进而计算流体的横截面积，从而计算得到流量的流量测量仪。

[0003] 根据上述原理，市场上出现两种非满管流量测量仪，其中一种对现有的电磁流量计作出改进，把电磁流量计的两电极点位置放低，并在电磁流量计管道的横截面正中再安装一液位计以测量液体介质的液位高度。如使两电极点位置的高度为管子直径D的1/10，这样当流体高度为D/10时，流体截面积为管道横截面积的14.4％。这种流量计能保证液体高度大于D/10时的测量精度，但是当流体小于此高度时则无法使用，因此要求管道中流体高度高于D/10，造成适用范围有限。

[0004] 另一种是明渠流量计，主要与各种标准堰或槽配套，用于各类水质排放总量的计量或监测，在液体流经标准堰或槽时，将形成液位高度与流量的对应关系，仪表测量液位高度再根据相应公式转换成流量进行显示和累计。明渠流量计使用探头测量液位高度，探头有一定盲区，要求其安装高度大于该盲区；并且探头发波是个扩散过程，即有方向角，因此安装的时候需注意，否则可能探测到池壁的凸起物或渠道边沿，影响精度，因此要求工程量大；而且明渠流量计通过多次计算发波、收波时间而计算流量，计算量大。

[0005] 除以上缺陷外，上述两种非满管流量测量仪对于使用环境有一定要求，无法使用于石油钻井情况下。在石油钻井过程中可能会发生井漏或井涌，甚至发生井喷，造成严重灾害，因此需要对钻井过程进行监测，提前发现提前采取措施，保证钻井过程的安全。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题在于提供可用于钻性过程中的结构简单、便于安装和使用的非满管流量测量仪，以及利用非满管流量测量仪测量流量的方法和流量监测系统。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明的非满管流量测量仪，包括支架、转轴、与转轴连接的连杆、固定于连杆活动端的容器，其中支架安装于顶部开口的排水管的上方，转轴处安装有扭矩传感器、角度传感器，扭矩传感器检测并显示转轴处承受的扭矩T，角度传感器检测并显示转轴相对于初始位置的转角α。

[0008] 优选的，非满管流量测量仪还包括驱动转轴的力矩电机、与力矩电机的电流输入端连接的电流控制器，与力矩电机的电流输出端和电流控制器连接的电流传感器，以及分别与角度传感器和电流控制器连接的角度控制器，其中电流传感器检测、和/或显示电机的输出电流，并将检测值传输至电流控制器；电流控制器控制力矩电机的输入电流，使负载大于力矩电机的输出扭矩时力矩电机停止转动；角度控制器配置为当转轴转动到预定角度后向电流控制器发送停止信号，电流控制器停止增大或减小力矩电机的输入电流，使电机的输出扭矩保持不变，连杆在流体中保持受力平衡状态；然后角度传感器检测转轴的实际转角，并计算实际转角与预定角度之间的差值Δα，并根据Δα计算使Δα＝0所需的补偿电流ΔI并发送至电流控制器，电流控制器增大或减小输出电流，补偿电流ΔI的计算公式为：

[0009]

[0010] 其中，I1、α1分别表示实际位置处即电机停止转动时的电流、转角；I0表示初始位置时电机中通过的电流； 表示转轴自初始位置转动到最大位置时电机的平均电流； 表示排水管中无流体即电机空转时转轴自初始位置转动到最大位置时电机的平均电流；αmax表示最大位置处的转角。

[0011] 优选的，非满管流量测量仪中电流控制器配置为在转轴的转动期间对力矩电机的输入电流进行收集而计算平均电流。

[0012] 根据非满管流量测量仪测量排水管中的流量的方法包括：

[0013] (1)设定初始位置，设定连杆处于水平位置且容器处于转轴的下游方向时为转轴初始位置；

[0014] (2)根据公式一h＝H-L sinα计算排水管中流体的液面高度h，其中，H表示转轴距排水管的底面的高度；L为连杆的长度；

[0015] (3)计算流体的横截面积A，当液面高度h小于排水管的半径R时，A的计算如公式二所示；当液面高度h大于排水管的半径R时，A的计算如公式三所示；

[0016] 公式二：

[0017]

[0018] 公式三：

[0019]

[0020] (4)根据公式五F＝T1/L sinα计算连杆与初始位置成转角α时容器在流体中受到的作用力F，其中T1表示此时转轴处的扭矩；

[0021] (5)按照α＝180°时的状态根据公式六，计算流体的比重ρ，

[0022] 公式六：

[0023] ρ＝(T2/Lg-M0)/V0

[0024] 其中，T2表示此时转轴处的扭矩；g表示重力系数；M0表示容器自身的重量；V0表示容器的体积；

[0025] (6)根据公式四计算排水管中流体的流速V，公式四：

[0026]

[0027] 其中，Cd表示流体阻力系数；

[0028] (7)根据公式Q＝AV计算流体的流量。

[0029] 根据非满管流量测量仪的流量监测系统包括管道、设置在两段管道中顶部开口的排水管、设置在排水管上的非满管流量测量仪、控制管道开关的控制阀、处理器单元、报警器，其中：控制阀上设有检测阀门开关时间的检测仪，处理器单元包括有用于储存测量的流量的第一存储器、用于储存阀门开关时间值的第二存储器，用于储存预设流量值的第三存储器，用于根据计算的流量和预设流量以及阀门开关时间值计算实际流体体积和预设流体体积的处理器，用于比较实际流体体积和预设体积的比较器，用于根据比较器的输出发送报警信号的报警器，第一存储器与非满管流量测量仪连接，第二存储器与检测仪的输出端连接，比较器的输出端与报警器连接。

[0030] 采用上述技术方案的非满管流量测量仪结构简单、便于安装和使用，能够测量非满管情况下管道中的流体的流量，且计算简单，性能可靠，克服了传统的电磁流量计和传统的非满管流量测量仪以及明渠流量计的缺点。根据本发明的非满管流量测量仪的流量监测系统实施监测管道中的流量，当用于钻井作业监测时，监测灌入油井中泥浆的体积与从油井中抽出的泥浆体积在一定范围内是否相等，若抽出的泥浆体积大于灌入的泥浆体积，则可认为发生了井涌；若小于，则可视作发生了井漏。

附图说明

[0031] 图1是本发明的非满管流量测量仪的第一实施例的示意图。

[0032] 图2是计算管道中液面高度的示意图。

[0033] 图3是计算比重的示意图。

[0034] 图4是本发明的第二实施例的电机控制的示意图。

[0035] 图5是第二实施例中电流控制器的示意图。

[0036] 图6是根据非满管流量测量仪的流量监测系统的示意图。

具体实施方式

[0037] 下文参照附图对本发明的实施例进行说明。

[0038] 如图1所示，本发明的第一实施例包括支架1、转轴2、与转轴连接的连杆3、固定于连杆活动端的容器4，其中支架1安装于顶部开口的排水管的上方，转轴2处安装有扭矩传感器，连杆3与转轴2的连接处安装有角度传感器，扭矩传感器配置为检测并显示转轴处承受的扭矩，角度传感器配置为检测并显示转轴相对于初始位置的转角，在本实施例中，初始位置设为连杆处于水平位置且容器处于转轴的下游方向时。当转轴2旋转时，容器4、连杆3自初始位置开始做圆周运动，容器4依次经历开始接触水面、完全没入水中、连杆垂直、开始露出水面、脱离水面的阶段最终到达最大位置，即连杆3水平且容器4处于转轴的上游方向，即与初始位置成180°角。

[0039] 下文对利用第一实施例的非满管流量测量仪计算流量的原理和方法进行说明。

[0040] 根据流量公式Q＝AV可知，欲计算流体的流量，需要计算流体的横截面积A和流速V。

[0041] 当排水管中为非满管情况时，流体的横截面积不确定，因此需要根据流体的液面高度求得。设定连杆3处于转轴2的下游位置且连杆3水平时为初始位置即α＝0°，然后连杆3以转轴2为中心运动，与流体逐渐靠近、浸没、脱离，这一过程中连杆3与水平面的转角α、转轴2承受的力矩T不断变化。

[0042] 在图2所示位置，当容器4与流体脱离接触的时刻，连杆3与水平面成转角α，此时根据公式一计算流体液面高度h：

[0043] 公式一：h＝H-L sinα

[0044] 其中，H为转轴2距排水管的底面的高度；L为连杆3的长度。

[0045] 则此时流体的横截面积A的计算公式为：

[0046] (1)当h

[0047] 公式二：

[0048]

[0049] (2)当h>R时为公式三所示：

[0050] 公式三：

[0051]

[0052] 公式二和三中，R为排水管的半径。

[0053] 根据靶式流量计的测速原理，按照公式四计算排水管中流体的流速V：

[0054] 公式四：

[0055]

[0056] 其中，F为容器5所受的作用力；Cd为流体阻力系数；A为流体的横截面积；ρ为工况下介质比重；且Cd属于给定，A可通过公式一、二、三计算，因此只需要计算F和ρ即可。

[0057] 当连杆3与水平方向成转角α时，根据公式五计算作用力F：

[0058] 公式五：F＝T1/Lsinα

[0059] 其中，T1为扭矩，由扭矩传感器测得。为便于计算，可优选为α成90°时，即连杆3处于竖直方向时。

[0060] 在图3所示位置，当连杆3又处于水平方向即α＝180°时，容器4内装满流体，根据公式六计算出比重ρ：

[0061] 公式六：ρ＝(T2/Lg-M0)/V0

[0062] 其中，T2为此时的扭矩，由扭矩传感器测得；g为重力系数；M0为容器5自身的重量；V0为容器5的体积。

[0063] 根据以上公式即可计算流体的流速。

[0064] 如图4、图5所示，在本发明的第二实施例中，本发明还包括由驱动转轴的力矩电机、与力矩电机的电流输入端连接的电流控制器，与力矩电机的电流输出端和电流控制器连接的电流传感器，以及分别与角度传感器和电流控制器连接的角度控制器，其中：电流传感器检测、和/或显示电机的输出电流，并将检测值传输至电流控制器；电流控制器控制力矩电机的输入电流，使负载大于力矩电机的输出扭矩时力矩电机停止转动；当连杆3与水平面之间的转角α即转轴的转角达到预定角度时，角度控制器向电流控制器发送停止信号，电流控制器停止增大或减小力矩电机的输入电流，使电机的输出扭矩保持不变，维持转角α不变；之后角度传感器检测连杆与水平面之间的实际转角，并计算实际转角与预定转角之间的差值Δα，并根据Δα计算使Δα＝0所需的补偿电流ΔI，视实际转角与预定转角的偏离方向Δα可为正值或负值，相应地电流控制器增大或减小输出电流。经过一次或多次补偿，实际转角达到预定转角，然后读取扭矩传感器的输出并计算流量。补偿电流ΔI的计算公式为：

[0065]

[0066] 其中，I1、α1分别表示实际位置处即电机停止转动时的电流、转角；

[0067] I0表示初始位置时电机中通过的电流；

[0068] 表示转轴自初始位置转动到最大位置时电机的平均电流；

[0069] 表示排水管中无流体即电机空转时转轴自初始位置转动到最大位置时电机的平均电流；

[0070] αmax表示最大位置处的转角。

[0071] 平均电流由电流控制器在转轴的转动期间通过对电机输入的电流进行收集而计算。

[0072] 本发明还包括一种根据非满管流量测量仪的流量监测系统，如图6所示，包括管道、设置在两段管道中顶部开口的排水管、设置在排水管上的非满管流量测量仪、控制管道开关的控制阀、处理器单元、报警器，其中：

[0073] 控制阀上设有检测阀门开关时间的检测仪，

[0074] 处理器单元包括有用于储存测量的流量的第一存储器、用于储存阀门开关时间值的第二存储器，用于储存预设流量值的第三存储器，用于根据计算的流量和预设流量以及阀门开关时间值计算实际流体体积和预设流体体积的处理器，用于比较实际流体体积和预设体积的比较器，用于根据比较器的输出发送报警信号的报警器，其中第一存储器与非满管流量测量仪连接，第二存储器与检测仪的输出端连接，比较器的输出端与报警器连接。

[0075] 当应用于钻井作业时，预设流量值为泥浆灌入油井中的流量，由此判断灌入油井中泥浆的体积与从油井中抽出的泥浆体积在一定范围内是否相等，若抽出的泥浆体积大于灌入的泥浆体积，则可认为发生了井涌；若小于，则可视作发生了井漏；相应的，报警器发出报警信号。。

[0076] 上面结合附图对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。