专利名称：涡轮法测流量的装置和方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮法测流量的装置和方法，特别涉及一种石油测井中 的涡轮法测流量的装置和方法及其应用。
背景技术：
在以涡轮法测流量的装置中，目前广泛采用的涡轮法测流量的主要方法 是在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体通过管道时，冲击涡 轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋 转.在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流 体流速成正相关。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以 计算得到通过管道的流体流量。
目前在涡轮法测流量中测量旋转角速度的主要方法是在涡轮轴的一端
横放一磁钢A，在就近于磁钢一端的封闭支撑端点内同样横放一磁钢B，当 涡轮轴转动时以同样的角速度带动磁钢A转动，磁钢A又以同样的角速度 带动磁钢B转动。在磁钢的非圆心处打一小孔，通过光感测量小孔的转动角 速度从而得知磁钢B转动角速度，最终达到测量涡轮轴的旋转角速度。
但是，在实际运用中，例如在石油测井领域中，井内流体含有大量的杂 质，如沙子等粒子。涡轮轴承与两端支撑点之间容易进沙，从而产生沙卡现 象，致使涡轮旋转角速度变慢或不转，大大降低了装置的准确性和可靠性。 另一方面，由于静摩擦的存在，使该类流量计存在一个所谓的启动排量，也 限制了该类流量计的使用范围。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述现有的涡轮法测流量的装置和方法存在 的启动排量和沙卡问题而导致的上述缺点和不足，提供一种可以避免上述缺 点和不足的涡轮法测流量的装置和方法。本发明的另一目的是提供所述涡轮 法测流量的装置和方法在石油测井中的应用。
本发明所提供的涡轮法测流量的装置包括一个通过旋转角速度反映流 体流动速度的涡轮和支撑所述涡轮的磁悬浮轴承，所述涡轮通过磁悬浮轴承 和装置的支架部分连接。其中，所述装置的支架上安装有一组测量电极，所 述涡轮上安装有一组通过导体连接在一起的辅助电极。所述涡轮转动导致辅 助电极和各测量电极之间的距离发生改变，进一步导致各测量电极与辅助电 极之间的电阻和电容发生改变，更进一步导致各测量电极之间的电阻和电容 也发生相应的改变。所述测量电极上连接有测量电路，通过测量各测量电极 之间的电阻和电容就可以确定所述涡轮的转动角度，并推算出流体的流速和 流量。这种磁悬浮模式的涡轮法测流量的装置和方法大大地降低了涡轮轴与 支撑端点的摩擦，从而避免了沙卡和启动排量等问题，提高了测量的准确性 和可靠性。通过电极测量涡轮的转动角度，可以降低装置的实现成本，还可 以极大地改进其性能。
图1是本发明所提供的模式1涡轮法测流量的装置的模型； 图2是本发明所提供的模式2涡轮法测流量的装置的模型； 图3是本发明所提供的模式1涡轮法测流量的电极平面模型; 图4是本发明所提供的模式2涡轮法测流量的电极平面模型; 图5是本发明所提供的涡轮法测流量的支架截面模型； 图6是本发明所提供的模式1涡轮法测流量的电路示意模型; 图7是本发明所提供的模式2涡轮法测流量的电路示意模型;
图8是本发明所提供的涡轮法测流量的电极电压差和比较电平的波形模型。
具体实施例方式
下面通过具体实施方式
并结合附图对本发明作进一步详细的描述。 本发明所提供的这种涡轮法测流量的装置可以应用在各个领域，并不局 限于下面的实施方式中所详细说明的领域。下面选取典型领域涡轮法测流量 的装置来详细说明本发明的具体实施方式
。
如图1、 2所示，本发明所提供的涡轮法测流量的装置包括用于使装置 转动角速度与流速成正相关的涡轮5、用于磁悬浮的两个磁性支撑端点2以 及一个磁性涡轮轴4、用于测量涡轮转动角度的固定在涡轮轴4上的辅助电 极7以及固定在支架1上的测量电极6和地极10、用于传输被测信号的导线 8和11、用于隔离电极6、 10与支架1的绝缘体9，其中，所述两个磁性支 撑端点2和一个磁性涡轮轴4利用磁极的同性相斥原理使涡轮轴4悬浮，是 磁悬浮轴承的一种实现方式。所述固定在涡轮轴4上的辅助电极7和固定在 支架1上的测量电极6利用金属导电性优于流体导电性原理测量涡轮转动角 速度。
所述支架1为灯笼罩，如图5所示。所述支架1可以以本领域人员公知 的方式固定内部器件。
所述两个磁性支撑端点2可以是各种具有磁性的圆筒形物体，如磁铁、 磁钢等，但两端的磁极性必须相反。如图l、 2所示，下面以上端为N极、 下端为S极为例，说明本发明所提供的涡轮法测流量的装置，但是两端的极 性可以互换，并且涡轮轴4两端磁极性也必须互换。磁悬浮轴承有很多实现 形式，属相关专业技术人员所共知，前文只是以其中一种永久磁铁类磁推轴 承为例，对所述磁悬浮轴承技术略做说明。
所述磁性涡轮轴3、 4可以为各种具有磁性的长条状物体，如磁铁、磁 钢等。如图l、 2所示，靠近上端为N极，靠近下端为S极，其磁极性也可互 换，但必须与就近端的端点极性保持一致。
所述涡轮5可以为本领域人员公知的适用的涡轮，在此不作特别限定。 所述涡轮5可以以本领域人员公知的方式保证装置转动角速度与流速成正相 关。
所述测量电极6和地极10可以是各种导电性能良好的金属片。本发明 所提供的装置的模式1共有4个测量电极6和1个地极10，如图1、 3所示 分布，以下按顺时针分布以A、 B、 C、 D加以区分；本发明所提供的装置的 模式2共有8个测量电极，如图2、 4所示分布，以下按顺时针分布以L1、 L2、 L3、 L4、 Ll，、 L2'、 L3'、 L4，加以区分。
所述辅助电极7可以是各种导电性能良好的金属制成的具有奇数个或者 2*奇数个辅助电极在涡轮轴上均匀分配的叶片。4+1个测量电极+奇数个辅 助电极模式的模式l如图l、 3所示，下面以5个辅助电极为例说明本发明 所提供的涡轮法测流量的装置，但其辅助电极数不限定5个，可以为任意奇 数个；8个测量电极+2*奇数个辅助电极模式的模式2如图2、 4所示，下面 以6个辅助电极为例说明本发明所提供的涡轮法测流量的装置，但其辅助电 极数不限定6个，可以为任意2*奇数个。
所述导线8和11可以为本领域人员公知的适用的导线，在此不作特别 限定。
所述绝缘体9可以为本领域人员公知的适用的绝缘体，在此不作特别限定。
本发明所提供的涡轮法测流量的方法包括以下步骤使用两个磁性支撑 端点2以及一个磁性涡轮轴4使涡轮轴4悬浮，通过电极方式检测角速度方 法测量涡轮5的转动角速度达到测量流量的目的。
所述使用两个磁性支撑端点2以及一个磁性涡轮轴4使涡轮轴4悬浮是 利用磁极的同性相斥原理。
所述电极方式检测角速度方法是利用金属导电性优于流体导电性原理。 下面举例详细叙述电极方式检测角速度方法
模式l如图l、 3、 6所示，由于金属导电性优于流体导电性，因此当辅 助电极离某电极越近时该电极的电压越低。又由于辅助电极的辅助电极数为 奇数，因此当电极A离辅助电极最近时，其相对的电极C必然离辅助电极 最远，其两侧的电极B、 D离辅助电极的距离必然相等，以此类推，必然使 K-^与K-^相差90。。在如图3所示的5辅助电极时，当辅助电极顺时针转 动(即涡轮轴顺时针转动)时，K,-Kc在前，^-^在后，即IV&先于K,-Kc90。， 如图8所示；当辅助电极逆时针转动(即涡轮轴逆时针转动)时，则相反。 若辅助电极数为其他情况则视辅助电极数而推之。因此根据F」-)^与^-Kd的 先后顺序判断涡轮的顺、逆时针转向，从而可判断流体的上、下水流情况。 K-^或K-^的角速度与涡轮轴的角速度相等，因此只要测得^-)^或^-& 的角速度即可达到测流量的目的。
模式2如图2、 4、 7所示，由于辅助电极的辅助电极数为2*奇数个，因此 当电极L1离辅助电极最近时，其相对的电极L1'必然离辅助电极最近，则/ , 必然最小，相反&必然最大。由图5可知
V1=_ ￡_KCC (1)
因此，此时V1最大；而此时的/ ,和/ d相等，因此V2为零。以此类推，
必然使V1与V2相差90。。在如图4所示的6个辅助电极时，当辅助电极逆 时针转动(即涡轮轴逆时针转动)时，VI在前，V2在后，即VI先于V290。，
如图8所示；当辅助电极顺时针转动(即涡轮轴顺时针转动)时，则相反。 若辅助电极数为其他情况则视辅助电极数而推之。因此根据VI与V2的先 后顺序判断涡轮的顺、逆时针转向，从而可判断流体的上、下水流情况。VI 或V2的角速度与涡轮轴的角速度成正比，在如图4所示的6个辅助电极时 VI和V2的角速度均为涡轮轴的角速度的6倍，即倍数与辅助电极的个数相 同，因此只要测得VI或V2的角速度即可达到测流量的目的。
本发明中为了得到F,-^ (VI)和K,-^ (V2)采用比较器进行处理，如 图7所示，处理后的波形图如图8所示。但是并不局限于附图中所提供的比 较器，也可采用其他比较器，还可以采用减法器进行处理。
需要理解的是，上述的描述只是根据本发明优选实施方式的运行过程， 但并不局限于该过程，任何本领域内技术人员根据本发明不经创造性劳动而 做出的修改及变化都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种涡轮法测流量的装置，所述装置包括一个涡轮、一个涡轮支架、一副轴承、一组测量电极、一组辅助电极和一套测量电路，所述涡轮通过所述轴承与所述涡轮支架连接在一起，在所述涡轮支架上安装有测量电极，所述涡轮上安装有一组通过导体连接在一起的辅助电极，所述涡轮转动导致部分辅助电极与部分测量电极之间的距离发生改变，或者导致所有辅助电极与所有测量电极之间的距离均发生改变，进一步导致相应的测量电极与相应的辅助电极之间的电阻和电容发生改变，更进一步导致这些测量电极之间的电阻和电容也发生相应的改变。所述测量电极上连接有测量电路，通过测量各测量电极之间的电阻和电容就可以推算出推动所述涡轮转动的流体的流量。
全文摘要
提供一种涡轮法测流量的装置和方法，所述装置包括一个通过旋转角速度反映流体流动速度的涡轮和支撑所述涡轮的磁悬浮轴承，所述涡轮通过磁悬浮轴承和装置的支架部分连接。其中，在所述装置的支架上安装有一组测量电极，在所述涡轮上安装有一组通过导体连接在一起的辅助电极。所述涡轮转动导致辅助电极和各测量电极之间的距离发生改变，进一步导致各测量电极与辅助电极之间的电阻和电容发生改变，更进一步导致各测量电极之间的电阻和电容也发生相应的改变。所述测量电极上连接有测量电路，通过测量各测量电极之间的电阻和电容就可以测量所述涡轮的转动角度。
文档编号G01F1/32GK101101225SQ20061009099
公开日2008年1月9日 申请日期2006年7月6日 优先权日2006年7月6日
发明者李代甫 申请人:北京紫贝龙科技有限责任公司;李代甫