非满管流量测量仪及其测量流量的方法和流量监测系统的制作方法
【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A α，并根据△ α计算使△ α = 0所需的补偿电流 A I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△ I的计算公式为：
[0010]其中，:^力分别表示实际位置处即电机停止转动时的电流、转角；Ιο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;amax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 Sina计算排水管中流体的液面高度h，其中，Η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Α，当液面高度h小于排水管的半径R时，Α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；
[0020] (4)根据公式五F = Ti/L sina计算连杆与初始位置成转角a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a = 180°时的状态根据公式六，计算流体的比重P，
[0022]公式六：
[0023] p=(T2/Lg-Mo)/Vo
[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：
[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Τ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 sina
[0044] 其中，Η