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往复式泥浆泵出口流量的一种非接触测量方法 |
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作者： |
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钻井用的往复式泥浆泵，俗称钻井的“心脏”，它的主要功能是向井下循环输送钻井泥浆，将钻井过程中钻头破碎的岩屑从井底携带出来并为井下动力动力钻具提供动力。泵的出口流量是影响钻井效率的一个重要参数，也是最优化钻井工艺中必须优选的参数，泵的出口出压力很高（一般在20—25MPa），且输送含砂量较高的泥浆，采用普通的流量计对其流量进行直接计量存在两个问题；一是高压密封问题，二是泥浆得沉积和堵塞问题。因此直接计量较为困难。
根据往复泵的工作原理，其在单位时间内输送的液体体积（既泵的理论平均流量Q理）与泵的活塞截面积S，活塞行程长度I，以及活塞每分种在缸套种往复的次数（称作泵的冲数或泵数）n有关。S和I是泵的结构参数，对于给定的泵是确定不变的量，因此，若能测量出泵的冲数n 。就可计算出泵的出口流量。
1. 泵冲数的测量
由于往复式泵的冲数与其驱动轴的转速成正比，因此可通过测量其驱动轴的转速换算出泵冲数
1.1 转速传感器的工作原理
泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量，图1和图2分别为霍尔转速传感器的结构原理和接线图。
图1 霍尔转速传感器机构原理图
图2 霍尔转速传感器接线图
传感器的定子上有2个互相垂直的饶组A和B，在绕组的中心线上粘有霍尔片Ha和Hb，转子为永久磁钢，霍尔元件Ha和Hb的激励电机分别与绕组A和B相连，它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。
下面推导传感器输出的霍尔电动势的表达式。
当永磁转子转动时，在转子和定子的气隙中变形成随时间按正弦规律变化的交便磁场，设穿过霍尔元件Ha的磁通密度Bh为
Bha=Bm Sin ωt
因为绕组A在空间上带后Ha90º，故绕组A处的磁通密度Ba为
Ba=Bm sin(ωt-90°)=-Bmcos
该交变磁场将在绕组 A中感应出交变电动势Ea由楞次定律
Ea=L1(dBa/dt)=L1Bmω sinωt
而Ea在Ha中将产生交变激励电源；
Iha=Ea/R1=L1/R1 * Bm ω sinωt
由于霍尔元件Ha本身也处于磁场中，其霍尔电极上将产生霍尔电动势；
Eha=K1 Bha Iha=(K1L1/R1)Bm2ω sin2ωt=Kω sin2ωt
式中，L1为绕组A的电感；R1为绕组A和霍尔元件Ha组成的回路等效电阻；K1为霍尔元件的灵敏度，它是与霍尔元件的材料及结构有关的参数。
类似地，由于霍尔元件Hb所出得空间位置超前Ha90º，而绕组B又超前Hb90º，同理可推出Hb产生的霍尔电动势Ehb为
Ehb=Kωcos2ωt
故传感器总的输出电动势为
E=Eha+Ehb=Kω
它与被测转速成正比。
1.2 转速传感器的现场安装
为了用转速传感器测量出泵驱动轴的转速，可在泵驱动轴上装上皮带轮或链轮来驱动转速传感器的转子转动，这种安装方式既简便易行，又不影响泵的正常工作。
2. 泵出口流量的计算
测出泵的冲数n后，既可根据往复泵的结构和作用方式计算其出口的理论平均流量Q理。
对于单缸单作用泵，理论平均流量为
Q理=Sln(m3=Sln/603/s)
式中，S为泵的活塞面积；l为活塞行程长度。
对于多缸单作用泵，设缸数位M，则其理论平均流量为
Q理=MSln(m3/min)
对于多缸双作用泵，活塞往复一次，各液缸输送液体两次，体积为（2S-S’）式中S’为活塞杆截面积，则M各缸的理论平均流量为
Q理=M(2S-S')ln (m3/min)
在实际测量中发现，往复式泥浆泵工作时，由于吸入阀和排除阀关闭的不及时，泵阀，活塞和其他蜜封出有高压液体陋失；泵缸中或液体内含有气体等原因，使泵的实际平均流量Q要低于理论平均流量，既
Q=aQ理
a的大小视泵的工作情况，一般取0.85-0.95。
3. 结束语
本文提出的通过测量泵的冲数来间接测量泵的出口流量的方法，简单易行，避免了直接测量中传感器承受高压和液体腐蚀的问题，且拆装方便，易行维护，实际测量中发现，当泵的充满度不高或不恒定是，此法的测量误差将增大，因此，当对测量精确要求高时，则应考率采用其他非接触式测量方法。(end)
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(9/16/2009) |
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