阅读说明：本技术 一种智能涡轮式液体流量测量工具 (Intelligent turbine type liquid flow measuring tool ) 是由 高飞 宋元洪 党冬红 和建勇 田宝振 张伟 陈斌 杨棋翔 程海林 张晔 蒋世伟 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：一种智能涡轮式液体流量测量工具。其包括流量测量探头、测量系统和数据接收终端；流量测量探头包括外壳本体、左导向轮、涡轮、旋转轴、右导向轮、两个紧固套筒和测量芯片；测量系统包括：单片机、A/D模数转换模块、Flash数据存储模块、无线通信模块、通信模块、测量探头接口、电源接口和锂电池。本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具是通过内部涡轮的转速来实时测量液体流量,能将测量的数据实时地进行传输并存储,并可通过手持终端上的APP查看测量参数与参数曲线,并可根据不同流体性质设定流量标定系数。本工具具有测量精度高、测量功能全、稳定性高等特点。(An intelligent turbine type liquid flow measuring tool. The system comprises a flow measurement probe, a measurement system and a data receiving terminal; the flow measurement probe comprises a shell body, a left guide wheel, a turbine, a rotating shaft, a right guide wheel, two fastening sleeves and a measurement chip; the measurement system includes: the device comprises a singlechip, an A/D (analog/digital) conversion module, a Flash data storage module, a wireless communication module, a measuring probe interface, a power interface and a lithium battery. The intelligent turbine type liquid flow measuring tool provided by the invention measures the liquid flow in real time through the rotating speed of the internal turbine, can transmit and store the measured data in real time, can check the measured parameters and parameter curves through the APP on the handheld terminal, and can set the flow calibration coefficient according to different fluid properties. The tool has the characteristics of high measurement precision, complete measurement function, high stability and the like.)

一种智能涡轮式液体流量测量工具

技术领域

本发明属于石油开发装置技术领域，特别是涉及一种智能涡轮式液体流量测量工具。

背景技术

在石油勘探开发过程中，液体的使用量较大，如常规钻井过程中的钻井液。钻井液出入口流量的准确测量是发现石油勘探开发过程中出现异常现象的重要手段之一(如：地层漏失、坍塌等)，因此准确及时地测量出钻井液出入口的流量，对于油气资源的安全开采具有重要的意义。

目前，在石油工程中，对液体排量进行测量的工具主要包括：1)靶体流量计，其主要是通过钻井液的冲击使靶体发生位移，由此产生信号变化，从而反映出钻井液的流量变化；2)超声波传感器，其主要是通过超声波测量出流过固定尺寸管线或槽体钻井液的液位高度来反映出钻井液的流量。

而根据目前这两种工具的使用情况来看，靶体流量计的成本相对较低，但是安装条件要求严格，现场环境对传感器的影响较大，使得测量的误差较大。超声波传感器测量的精度较高，且不受温度的影响，稳定性较高，但是其测量结果和钻井液的性质直接相关，对测量的条件要求比较苛刻。

涡轮流量计使用较为普遍，在一定条件下，流体流量与叶轮转速呈一定的比例关系。但往往涡轮流量计设计时仅仅针对单一流体，使用了固定的流量系数，因此当流体类型改变时，流量测量值与真实值会出现一定的偏差。

在现代固井工程中，对工具的智能化具有更高的要求，需要大量的钻井过程中的参数，并通过对这些参数的分析做出相应的判断，从而实现智能固井。其中，流量作为固井过程中的一个重要参数，对该参数进行准确及时的监测对高质量固井可起到很重要的作用。

因此，为了提高固井质量，优化固井参数，在现代固井过程中，需要研制新型的液体流体测量工具。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种智能涡轮式液体流量测量工具。

为了达到上述目的，本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具包括：流量测量探头、测量系统和数据接收终端；

所述的流量测量探头包括：外壳本体、左导向轮、涡轮、旋转轴、右导向轮、两个紧固套筒和测量芯片；

其中，外壳本体呈圆管状，两端内圆周面上形成有内螺纹，两侧内圆周面上沿圆周方向均匀分布有多个键槽，分别用于左导向轮和右导向轮的安装和定位；

旋转轴由一个大径段和两个分别连接在大径段两端的小径段一体构成，以与外壳本体同心的方式设置在外壳本体的内中部；

涡轮的中心孔以能够转动的方式设置在旋转轴的大径段上，因此涡轮能以旋转轴为轴进行转动，外部均布有多个螺旋叶片；

左导向轮设置在涡轮的一侧，中部形成有一个用于***旋转轴上一个小径段的圆孔，外部均布有多个直叶片，并且每个直叶片的外端***固定在外壳本体11上的一个相应键槽内；右导向轮与左导向轮为左右对称的结构，设置在涡轮的另一侧；

紧固套筒的外圆周面上带有外螺纹，每个紧固套筒与外壳本体的一个外端的内螺纹相连接，用于分别将左导向轮和右导向轮压紧固定；

测量芯片为转速测量传感器，安装在外壳本体内部靠近涡轮的位置，其测量输出端与设置在外壳本体外部的测量系统电连接；

所述的测量系统包括：单片机、A/D模数转换模块、Flash数据存储模块、无线通信模块、通信模块、测量探头接口、电源接口和锂电池；

其中，单片机分别与A/D模数转换模块、Flash数据存储模块、无线通信模块和通信模块相连接，A/D模数转换模块通过测量探头接口与流量测量探头中的测量芯片连接，通信模块与电源接口连接，锂电池用于为本装置中各用电部件供电；

无线通信模块具有wifi通信和蓝牙通信功能，用于实现测量系统与数据接收终端之间的无线数据连接；通信模块为USB通信模块，用于通过USB串口连接外部计算机，以实现数据的快速读取；

电源接口为USB数据端口，用于为锂电池充电，并且用于与外部计算机实现数据交换。

所述的锂电池采用可充电锂电池。

所述的数据接收终端采用能够运行安卓系统并带有无线通信功能和GPS的手机或平板电脑。

本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具是通过内部涡轮的转速来实时测量液体流量，能将测量的数据实时地进行传输并存储，并可通过手持终端上的APP查看测量参数与参数曲线，并可根据不同流体性质设定流量标定系数。本工具具有测量精度高、测量功能全、稳定性高等特点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1为本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具的系统示意图。

图2为本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具中流量测量探头内部结构剖视图。

图3为本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具中流量测量探头结构分解示意图。

图4为本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具中测量系统构成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具包括：流量测量探头10、测量系统20和数据接收终端30；

所述的流量测量探头10为采集传感器，测量系统20为测量控制装置，数据接收终端30为用户操作平台；测量系统20读取流量测量探头10输出的电压信号，进行频率分析、计算，并将相关的信息上传给数据接收终端30，供用户使用。

如图2、图3所示，所述的流量测量探头10包括：外壳本体11、左导向轮12、涡轮13、旋转轴14、右导向轮15、两个紧固套筒16和测量芯片17；

其中，外壳本体11呈圆管状，两端内圆周面上形成有内螺纹，两侧内圆周面上沿圆周方向均匀分布有多个键槽，分别用于左导向轮12和右导向轮15的安装和定位；

旋转轴14由一个大径段和两个分别连接在大径段两端的小径段一体构成，以与外壳本体11同心的方式设置在外壳本体11的内中部；

涡轮13的中心孔以能够转动的方式设置在旋转轴14的大径段上，因此涡轮13能以旋转轴14为轴进行转动，外部均布有多个螺旋叶片；

左导向轮12设置在涡轮13的一侧，中部形成有一个用于***旋转轴14上一个小径段的圆孔，外部均布有多个直叶片，并且每个直叶片的外端***固定在外壳本体11上的一个相应键槽内；右导向轮15与左导向轮12为左右对称的结构，设置在涡轮13的另一侧；

紧固套筒16的外圆周面上带有外螺纹，每个紧固套筒16与外壳本体11的一个外端的内螺纹相连接，用于分别将左导向轮12和右导向轮15压紧固定；

测量芯片17为转速测量传感器，安装在外壳本体11内部靠近涡轮13的位置，其测量输出端与设置在外壳本体11外部的测量系统20电连接；

所述的流量测量探头10可以通过测量芯片17将涡轮13的转速转换成具有一定频率的电压信号，电压信号的频率值与涡轮13的转速成正比。

如图4所示，所述的测量系统20包括：单片机21、A/D模数转换模块22、Flash数据存储模块23、无线通信模块24、通信模块25、测量探头接口26、电源接口27和锂电池；

其中，单片机21为本装置的核心控制器，其分别与A/D模数转换模块22、Flash数据存储模块23、无线通信模块24和通信模块25相连接，A/D模数转换模块22通过测量探头接口26与流量测量探头10中的测量芯片17连接，通信模块25与电源接口27连接，锂电池采用可充电锂电池，用于为本装置中各用电部件供电。

无线通信模块24具有wifi通信和蓝牙通信功能，用于实现测量系统20与数据接收终端30之间的无线数据连接；通信模块25为USB通信模块，用于通过USB串口连接外部计算机，以实现数据的快速读取。

所述的单片机21按照设定程序，控制A/D模数转换模块22、Flash数据存储模块23和无线通信模块24完成信号运算、存储和通信任务。

电源接口27为USB数据端口，用于为锂电池充电，并且用于与外部计算机实现数据交换。

所述的数据接收终端30采用能够运行安卓系统并带有无线通信功能和GPS的手机或平板电脑。

现将本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具的工作原理阐述如下：

使用前，将本发明提供的智能涡轮式液体流量测量工具上外壳本体11的两端连接在管线上。在正常工作时，钻井液经过泥浆泵后输出进入管线，并通过流量测量探头10上外壳本体11的内部。此时钻井液首先进入位于进口侧的左导向轮12或右导向轮15的直叶片中，直叶片可使流体流动趋于稳定，然后流向涡轮13，在此过程中，由于涡轮13的叶片呈螺旋形状，因此使得流体的流向发生改变，由此驱动涡轮13沿某一方向进行转动，将一部分的流体动能转换为涡轮13的动能，使得涡轮13持续转动。

根据流体力学可知，涡轮13的转速与钻井液的流速直接相关。钻井液的流速越大，涡轮13的转速越高，并呈一定的比例关系。因此，可根据测量的涡轮13的转速来反映流体的流量。

在上述过程中，测量芯片17将实时检测涡轮13处的转速信号，然后转换成具有一定频率的电压信号并以无线的方式实时传输给测量系统20。

测量系统20的工作流程为：

(1)A/D模数转换模块22将测量芯片17输出的模拟信号转换为单片机21可以处理的数字信号；

(2)单片机21读取A/D模数转换模块22的数据后，对数据进行滤波并计算频率，并按照一定时间将计算后的频率发送给无线通信模块24，然后由无线通信模块24传输给数据接收终端30；同时将该数据写入Flash数据存储模块23中。

数据接收终端30接收到测量系统20发射的频率数据后，按照下面公式计算出瞬时流量：

Q₁＝Af

其中，Q₁为通过流量测量探头10的瞬时流量；A为通过流量测量探头10的对应流体的流量标定系数，流量标定系数可通过标定试验获取；f为数据接收终端30接收到的频率值。

数据接收终端30接收到测量系统20发射的频率数据后，按照下面公式计算出累积流量：

其中，Q为自流量测量探头10本次开机时刻起，通过流量测量探头10的累积流量；A为通过流量测量探头10的对应流体的流量标定系数，流量标定系数可通过标定试验获取；f_t为当前时刻t数据接收终端30接收到的频率值。

针对固井作业中常用的不同流体，可通过室内标定试验获取相应的流量标定系数，并将这些流量标定系数存储在数据接收终端30中。本测量工具在使用时，操作人员可根据测量的不同流体选择对应的流量标定系数。

数据接收终端30将计算后的瞬时流量、累积流量、时间、GPS坐标值以文件的形式存储在数据接收终端30自带的存储器中。同时可利用相应的程序将转速参数转换为相应的参数曲线。

数据接收终端30可以直接读取测量系统20中Flash数据存储模块23中保存的数据，也可以擦除测量系统20中Flash数据存储模块23中的数据。

工作人员可通过数据接收终端30上的APP随时查看瞬时流量、累积流量、时间、GPS坐标值等参数及参数曲线，并通过GPS坐标值定位该工具的位置。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。