NO20120965A1

NO20120965A1 - Fremgangsmåte og system for å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinder

Info

Publication number: NO20120965A1
Application number: NO20120965A
Authority: NO
Inventors: øYSTEIN BALTZERSEN
Original assignee: Sensorlink As
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-03-03
Also published as: WO2014033104A1; US20150212220A1; EP2890900A1

Abstract

Fremgangsmåte og system for å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinder omfattende bruk at både ultralydtransducer samt magnetometer for å sende og motta signaler som sammen tolkes i en signalbehandler for å bestemme posisjonen til stempelet.

Description

Introduksjon

Den foreliggende oppfinnelsen omfatter en fremgangsmåte og innretning for å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinder. Mer spesifikt beskrives en fleksibel fremgangsmåte og innretning for nøyaktig posisjonsbestemmelse av et stempel i en sylinder uten å gjøre inngrep i sylinderen.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Bruk av en ikke-invasiv fremgangsmåte for å måle ulike parametere som for eksempel nivå/posisjon til innhold i tanker og sylindere er velkjent.

US-20090282910 beskriver en ikke-invasiv fremgangsmåte for å bestemme fyllingsgraden i en tank ved hjelp av et akustisk måleprinsipp. Måleprinsippet går ut på å generere vibrasjon i tanken fra en ekstern kilde og å bestemme fyllingsgrad basert på vibrasjon som en funksjon av påført frekvens. Akustiske transdusere fungerer som akselerometer for å måle grad av vibrasjon. Den beskrevne fremgangsmåten er imidlertid ikke særlig egnet for å kunne bestemme posisjonen til et stempel med stor nøyaktighet.

DE-102005005965 beskriver en innretning for deteksjon av posisjonen til et stempel ved hjelp av ultralyd. Innretningen har en ultralydsensor festet på utsiden av sylinderen for utsendelse av ultralydpulser samt en elektronikkenhet for tolking av signaler som brer seg gjennom rørveggen til sylinderen samt væske i sylinderen. Ultralydspulsene blir reflektert tilbake fra motstående rørvegg. I tilfeller hvor røret/sylinderen er fylt med gass, væske med luftbobler eller et stempel vil et ekko bli forringet eller forsvinne grunnet stor dempning av signalet. Bruk av en slik fremgangsmåte for å detektere posisjonen til en sylinder i et rør er derfor i mange tilfeller lite egnet grunnet svake signaler og falske deteksjoner.

Det finnes ulike typer vertikalbevegelseskompensatorer for å frikoble en borestreng fra vertikalbevegelsen til en borerigg. Slike systemer innbefatter et stempel i en sylinder, og det er ved spesifikke operasjoner viktig å vite nøyaktig stempelposisjon. Det har vist seg at en nøyaktig bestemmelse av posisjonen til et stempel er vanskelig grunnet kontinuerlige endringer i sammensetninger av gass og fluid over og under stempelet når dette beveger seg.

Det er behov for en pålitelig fremgangsmåte og innretning for nøyaktig og kontinuerlig bestemmelse av stempelposisjon uavhengig av sammensetningen av væske over og under et stempel.

Den foreliggende oppfinnelsen oppnår dette ved å kombinere utsendelse og deteksjon av akustiske pulser med deteksjon av endringer i magnetfelt. Oppfinnelsen presenterer en metode og et apparat som kan bestemme posisjonen til et stempel i en sylinder, hvor sylinderen på den ene siden av stempelet kan være fylt med en væske og på den andre siden kan den være fylt med gass.

Å kjenne nøyaktig posisjon til et stempel i en sylinder er som nevnt viktig for eksempel for å kunne overvåke hydrauliske akkumulatorer for hevekompensering på flytende borerigger, hvor pålitelig kjennskap til stempelposisjonen kan øke b orre sikkerheten.

Systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er modulært og kan monteres på en sylinder uten å åpne denne eller forstyrre drift. Systemet er videre egnet for bruk i områder med eksplosjonsfare.

Kort beskrivelse

Oppfinnelsen er definert ved en fremgangsmåte for å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinder, og hvor dette gjøres ved å plassere minst én ultralydtransduser og minst ett magnetometer i jevn avstand langs lengderetningen og på ytterveggen til sylinderveggen, og å sende og motta signaler fra respektive transdusere. Reflekterte akustiske signaler og endringer i magnetfelt tolkes i en signalbehandler for å bestemme posisjonen til stempelet.

Ytterligere trekk ved fremgangsmåten er definert i kravsettet.

Oppfinnelsen er også definert ved et system for å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinder, hvor systemet omfatter minst én ultralydtransduser og minst ett magnetometer plassert i jevn avstand langs lengderetningen og på ytterveggen til sylinderveggen. Videre er en kontroller forbundet til transduser(ene) og magnetometer(e) omfattende midler for å sende og motta signaler fra respektive transdusere. Systemet omfatter også signalbehandlingsmidler for å tolke reflekterte akustiske signaler og endringer i magnetfelt for å bestemme posisjonen til stempelet, samt fremvisningsmidler for å vise posisjonen til stempelet.

Ytterligere trekk ved systemet er definert i kravsettet.

Detaljert beskrivelse

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj med henvisning til figurene hvor:

Figur 1 viser en skisse av en hydraulisk sylinder med transdusere plassert på utsiden; Figur 2 viser ultralydssignal fra en transduser montert på et rør fylt med væske; Figur 3 viser ultralydssignal fra en transduser montert på en rørvegg med gass bak; Figur 4 viser signal fra en ultralydstransduser i et system for stempel deteksjon, og

Figur 5 viser en typisk installasjon med et komplett målesystem.

Som nevnt er det behov for en fremgangsmåte og innretning for nøyaktig og kontinuerlig bestemmelse av stempelposisjon uavhengig av sammensetningen av væske over og under et stempel.

Den foreliggende oppfinnelsen oppnår dette ved å kombinere utsendelse og deteksjon av akustiske pulser med deteksjon av magnetfelt.

Oppfinnelsen presenterer en metode og et apparat for nøyaktig bestemmelse av posisjonen til et stempel i en sylinder, hvor sylinderen på den ene siden av stempelet kan være fylt med en væske og gass på den andre siden.

Oppfinnelsen kan benyttes i ulike oppsett og nøyaktig posisjon kan finnes uavhengig av gass/væske sammensetning over og under et stempel, tykkelse på rørveggen som sylinderen går inni eller endringer i magnetfeltet i omgivelsene.

Et kjent prinsipp ved bruk av ultralyd som utnyttes i den foreliggende oppfinnelsen er at en overflate mellom stål og gass vil reflektere en større andel av en ultralydspuls enn en overflate mellom stål og væske siden gass har svært lav akustisk impedans. Refleksjonskoeffisienten Rp for en overgang mellom to materialer med akustisk impedans Zi og Z2er gitt som:

For eksempel vil en overflate mellom stål og luft gi en refleksjonskoeffisient tilnærmet Rp = 1 siden all energi i pulsen reflekteres, mens en overgang fra stål til vann vil gi Rp = 0,88. Dette kan utnyttes til å påvise om det er væske eller gass i et rør, og dermed til å bestemme posisjonen til et stempel som skiller gass og væske i en sylinder. Figur 1 viser en skisse på et slikt målesystem. Figuren viser en hydraulikksylinder med væske under et stempel og gass over stempelet. Ultralydstransdusere er montert på utsiden av rørveggen til sylinderen. Figuren illustrerer ulike refleksjoner av lydbølger. Som forklart over vil ikke en ultralydspuls kunne overføres fra stålveggen til gassen. Den øverste transduseren fanger opp refleksjoner fra innsiden av selve rørveggen. Den midterste fanger opp refleksjoner fra rørveggen/stempelet, mens den nederste transduseren fanger opp svakere refleksjoner selve rørveggen og tidsforsinkede refleksjoner fra motstående side av røret. Figur 2 viser et eksempel på et ultralydssignal fra et rør med væske bak rørveggen slik som vist i figur 1. Figuren viser et signal tilsvarende det den nederste transduseren i figur 1 vil gi. Ekko fra motstående rørvegg kan observeres. Figur 3 viser et eksempel på et ultralydssignal fra et rør med gass bak rørveggen. Figuren viser et signal tilsvarende det de to øverste transduserene i figur 1 vil gi. I denne figuren ser en ikke ekko fra motstående rørvegg, men en ser at amplituden til ekkoene fra første rørvegg er sterkere enn i figur 2.

Ved å definere to målevinduer 1 og 2 (vist i figur 2 og 3) kan en definere to størrelser som summen av det likerettede ultralydssignal et over de to respektive vinduene. Disse størrelsene kan så brukes til å bestemme om det er gass eller væske bak rørveggen. Ved å sammensette denne informasjonen fra et flertall transdusere langs sylinderen kan posisjonen til stempelet bestemmes.

Figur 4 viser et eksempel på signaler fra en transduser mens et stempel beveger seg forbi. Heltrukket kurve viser energimengde (vilkårlig enhet) reflektert fra baksiden til den første rørveggen, mens prikket kurve viser energimengde reflektert fra motstående rørvegg. Heltrukket kurve viser et høyt signal når det er gass i røret (stempel er under eller ved transduser), og et lavt signal når det er væske i røret (stempel over transduser). For signalet fra motstående vegg er det motsatt. Ved høy bevegelseshastighet på stempel kan raske endringer i sammensetningen av gass/væske over og under stempelet gjøre at det akustiske signalet fra motstående vegg bli forstyrret av bobler i væska.

Kjernen i oppfinnelsen er som nevnt å kombinere bruk av ultralyd med deteksjon av endringer i magnetfelt. Ved store stempelbevegelser vil signalene for endringer av magnetfelt være tydelige, mens reflekterte akustiske signaler kan være utydelige og vanskelig å tolke grunnet stor dempning av signaler.

Et magnetometer er et måleinstrument som måler egenskaper til magnetiske felt, f.eks. endring av retning og styrke til magnetfelt. Anvendt i den foreliggende oppfinnelsen kan et magnetometer måle komponenten av et magnetfelt parallelt med sylinderaksen (1-akse), eller det kan måle alle tre komponentene i et magnetfelt (3-akse). Hva som velges i et systemoppsett vil være avhengig av type behov, rørveggtykkelse etc. Oppfinnelsen er fleksibel ved at den er modulær og antall og type sensorer kan festes på aktuelle steder på utsiden av sylinderrøret til et stempel etter behov. Hvordan sensorene festes ansees som fagmessig. I et fleksibelt oppsett er de gjerne festet og koblet til rørveggen ved bruk av klammere, strips eller strammbare bånd.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen dreier seg om å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinder og omfatter flere trinn.

Det første trinnet er å plassere minst én ultralydtransduser og minst ett magnetometer i jevn avstand langs lengderetningen og på ytterveggen til sylinderveggen.

I en utførelse kan hver ultralydtransduser og hvert magnetometer være plassert sammen som et par i jevn avstand langs lengderetningen og på ytterveggen til sylinderveggen. I en annen utførelse er hver ultralydtransduser og hvert magnetometer plassert enkeltvis i jevn avstand langs lengderetningen. Konfigurasjon og oppsett av transdusere er modulært og kan konfigureres etter behov. Når det f.eks. er ønskelig med en høyere måleoppløsning av posisjonsdata kan transdusere plasseres tettere sammen langs lengderetningen på ytterveggen til sylinderveggen.

Det neste trinnet i fremgangsmåten er å sende og motta signaler fra respektive transdusere.

I en utførelse er utsendte signaler fra ultralydtransdusere akustiske pulser som over og under et stempel vil reflekteres fra baksiden til første rørvegg samt fra motstående rørvegg. Reflekterte signaler tolkes i signalbehandleren ved at denne kombinerer målte tidsforsinkelser og amplituder på signalene fra flere transdusere.

Når et stempel passerer en akustisk transduser vil signalformen til mottatte akustiske signaler påvirkes. Som en ser fra de forskjellige signalkurvene i figur 2 og 3 er amplituden på signalet som reflekteres fra baksiden av første rørvegg større når gass eller et stempel er i signalbanen til det akustiske utbredelsessignalet. Denne informasjonen utnyttes videre ved tolkningen av mottatte signaler.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen benyttet et flertall akustiske transdusere plassert langs lengderetningen og på utsiden av sylinderen til stempelet. Ved å tolke og sammenlikne amplituder og tidsforsinkelser på mottatte akustiske signaler på et flertall transdusere kan en få informasjon om tidsforløpet for posisjonen til et stempel, dvs. posisjon som funksjon av tid.

Som nevnt kan akustiske målinger forstyrres og dempes av væske med stort gassinnhold, noe som typisk skjer ved store stempelbevegelser. I henhold til oppfinnelsen unngås unøyaktige målinger eller tap av målinger (grunnet svakt signal eller signal som drukner i støy) med bruk av et eller flere magnetometere i tillegg til akustiske transdusere.

Når et stempel passerer et magnetometer vil magnetfelt som måles endre seg. For å oppnå større endringer i målt magnetfelt forårsaket av et stempel kan stempelet være magnetisert eller det kan være en magnet som er forbundet eller festet til stempelet.

Det siste trinnet i den oppfinneriske fremgangsmåten er å tolke reflekterte akustiske signaler som forklart over samt tolke endringer i magnetfelt.

Sistnevnte gjøres ved å se på endringer i magnetfeltet målt av en rekke sensorer plassert langs sylinderen. Posisjonen til et stempel i bevegelse kan da bestemmes uten å bli forstyrret av endringer i magnetfeltet i omgivelsene (f.eks. fra endring av orientering mot jordmagnetfeltet, eller fra magnetiserte objekter). For en sylinder med tykke stålvegger kan bidraget fra stempelet til magnetfeltet på utsiden av sylinderen bli lite sammenlignet med bidraget fra omgivelsene. Posisjonering med magnetometer alene kan derfor alene fungere dårlig ved liten eller ingen stempelbevegelse.

Tolkingen av signaler utføres med bruk av en signalbehandler for å bestemme posisjonen til stempelet.

Signalbehandleren kan være plassert lokalt der hvor transdusere er plassert, eller den kan være plassert på et fjernliggende sted og hvor den mottar målesignaler via trådløse sendemidler som er forbundet til transduserne.

Ved å kombinere tolking av signaler fra ultralydtransdusere og magnetometere kan stempelposisjonen bestemmes med sikkerhet til enhver tid og under ulike operasjonsforhold. De to målemetodene utfyller hverandre. Ultralydsignalene gir sikrest deteksjon av stempelet ved liten eller ingen bevegelse, da det ikke vil være bobler eller turbulens i væska. Magnetometer målingene vil gi sikrest deteksjon ved stor stempelbevegelse. Det vil da være hurtig endring av magnetfeltet fra stempelet, noe som vil være lett å skille fra magnetfeltet fra omgivelsene. En detektert endring av magnetfeltet er helt uavhengig av bobler eller turbulens i væska over eller under et stempel.

Som nevnt vil reflekterte akustiske signaler fra motstående rørvegg kunne forringes ved store stempelbevegelser. Ved deteksjon av store stempelbevegelser kan, i en utførelse av oppfinnelsen, tolkning av reflekterte akustiske signaler gå over fra å tolke akustiske signaler reflektert fra motstående rørvegg til å tolke akustiske signaler reflekterte fra første rørvegg. Dette vil bidra til økt nøyaktighet.

Oppfinnelsen er også definert av et system for å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinder.

Figur 5 viser er typisk oppsett med et system som omfatter minst én ultralydtransduser og minst ett magnetometer plassert i jevn avstand langs lengderetningen og på ytterveggen til sylinderveggen. Figuren viser et flertall ultralydtransdusere og magnetometere som er merket som Sensor 1 til n. Sensorene er videre forbundet til en kontroller.

En kontroller kan også i en alternativ utførelse av systemet være innlemmet i hver sensor. En unngår da å sende analoge signaler gjennom lange kabler. Signalene fra hver kontroller er digitale og er mindre utsatt for støy.

Som tidligere nevnt kan de ulike typene sensorer plasseres som par eller hver for seg. Slik sett kan Sensor 1 omfatte en ultralydtransduser og et magnetometer. Alternativt kan Sensor 1 være en ultralydtransduser, mens Sensor 2 kan være et magnetometer. Ulike konfigurasjoner av enkeltvise og/eller parvise sensorer er mulig, alt etter behov.

Kontrollerens primæroppgave er å sende og motta analoge og digitale signaler til/fra sensorene. Kontrolleren kan imidlertid også omfatte midler for å digitalisere og sende signaler trådløst til en fjerntliggende signalbehandler.

Kontrolleren mottar signaler fra de ulike sensorene som er omfattet av systemet. Kontrolleren kan omfatte en signalbehandler og selv prosessere data og via sendemidler sende ferdig prosessert informasjon om stempelposisjon. Alternativt kan kontrolleren samordne mottatte analoge signaler fra de ulike sensorene, digitalisere disse og sende signalene til en fjerntliggende enhet for videre behandling. I et slikt oppsett omfatter systemet kommunikasjonsmidler for å kommunisere signaler til og fra en fjerntliggende enhet.

Kontrolleren kan videre i en utførelse av systemet fjernstyres ved at den mottar informasjon om hvilke signaler som til enhver tid skal sendes på Sensor 1 til n, dvs. hvilke ultralydsignaler som skal sendes. En slik mulighet øker fleksibiliteten til systemet når det gjelder tilpasning til hvor og hva det skal måles på.

Systemet kan også omfatte flere enheter plassert i et instrumentrom. Her kan det være en strømforsyning med IS (Intrinsic Safety) barriere og som er forbundet til en datalogger for å logge og lagre historikken til posisjonsdata for stempelet samt fremvisningsmidler for å vise posisjonen til stempelet. Dataloggeren kan være forbundet til fremvisningsmidler, hvor en sluttbruker av systemet blir fremvist forskjellig informasjon som sanntidsdata for posisjonen til et stempel, historikken for posisjonen etc.

Dataloggeren kan også være forbundet til et kontrollsystem som på bakgrunn av stempelposisjon sender instruksjoner om å utføre nødvendige handlinger som for eksempel å varsle om at stempelposisjonen er utenfor et forhåndssatt intervall.

Ved å kombinere utsendelse og deteksjon av akustiske pulser med deteksjon av endringer i magnetfelt slik som i den foreliggende oppfinnelsen oppnås en pålitelig og fleksibel fremgangsmåte og innretning for nøyaktig bestemmelse av stempelposisjon uavhengig av kontinuerlige endringer av sammensetningen av væske over og under et stempel.

Den foreliggende oppfinnelsen vil gi nøyaktig og pålitelig informasjon om posisjonen til et stempel i en sylinder under ulike operasjoner hvor et stempel i en sylinder er innbefattet som f.eks. i vertikalbevegelseskompensatorer på borrerigger hvor maksimal fokus på sikkerhet er viktig.

Claims

1. Fremgangsmåte for å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinderkarakterisert ved: - å plassere minst én ultralydtransduser og minst ett magnetometer i jevn avstand langs lengderetningen og på ytterveggen til sylinderveggen; - å sende og motta signaler fra respektive transdusere, og - å tolke reflekterte akustiske signaler samt endringer i magnetfelt i en signalbehandler for å bestemme posisjonen til stempelet.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat hver ultralydtransduser og hvert magnetometer er plassert sammen som et par i jevn avstand langs lengderetningen og på ytterveggen til sylinderveggen.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat hver ultralydtransduser og hvert magnetometer er plassert enkeltvis i jevn avstand langs lengderetningen.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat utsendte signaler fra ultralydtransdusere er akustiske pulser, og hvor reflekterte akustiske pulser tolkes ved å kombinere målte tidsforsinkelser og amplituder på disse i signalbehandleren.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat stempelet er magnetisert ved at det omfatter en magnet.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat tolking av akustiske signaler reflektert fra rørveggen til sylinderen hvor transduserene er montert kombineres med tolking av akustiske signaler reflektert fra den motstående rørveggen.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat kun tolking av akustiske signaler reflektert fra rørveggen til sylinderen hvor transduserene er montert utføres når store stempelbevegelser detekteres.

8. System for å bestemme posisjonen til et stempel i en sylinderkarakterisert vedat det omfatter: - minst én ultralydtransduser og minst ett magnetometer plassert i jevn avstand langs lengderetningen og på ytterveggen til sylinderveggen; - en kontroller forbundet til transduser(ene) og magnetometer(e) omfattende midler for å sende og motta signaler fra respektive transdusere, og - signalbehandlingsmidler for å tolke reflekterte akustiske signaler og endringer i magnetfelt for å bestemme posisjonen til stempelet, samt - fremvisningsmidler for å vise posisjonen til stempelet.

9. System i henhold til krav 8, karakterisert vedat nevnte kontroller er innlemmet i hver transduser og hvert magnetometer.

10. System i henhold til krav 8, karakterisert vedat systemet ytterligere omfatter en datalogger for å logge og lagre posisjonsdata til stempelet.

11. System i henhold til krav 8, karakterisert vedat systemet ytterligere omfatter trådløse kommunikasjonsmidler for å kommunisere signaler til og fra en fjerntliggende enhet.