小量程泥浆浓度测量仪的设计

　　一、引言

　　在石油工业生产中，堵水驱油对于油田的后期开采是一种有效的增产手段。在该技术的实施过程中，需要将一种高膨胀土配置的稀泥浆(含土0一15%)注入井下，根据不同的情况需要不同的泥浆浓度，因此需要检测泥浆浓度并合理配比。然而，由于泥浆浓度测量范围小，并且测量环境恶劣，市场上销售的各种浓度计、比重计、泥浆浓度仪均不能用来进行现场测量。因此，泥浆浓度只能凭经验进行配比，这给生产带来了极大的盲目性。为此，我们与胜利油田合作，研制了这种适用于现场测量的小量程泥浆浓度测量仪。

　　二、基本量原理

　　泥浆浓度的测量范围为0一15%(含土重量).换算为密度为1.00一1.10g/cm³。考虑到现场的使用条件，经过方案的分析、对比，选用浮力原理测量泥浆浓度更合适，其基本测量原理框图如图1所示。整个测量系统由传感器和二次仪表组成。传感器由取样筒、浮子、差动变压器组成。泥浆池的泥浆经传感器的入口进入取样筒，泥浆灌满后从溢出口向外溢出，因此，取样筒内的液面保持一定。当泥浆浓度发生变化时，浮子所受的浮力发生变化，带动其上部的铁芯在差动变压器中上下移动，差动变压器副边的信号作相应变化;经二次仪表的信号调理、习D转换、译码显示后，可直接读取泥浆浓度。

　　三、传感器设计

　　1.浮子设计根据浮力定律，浮子所受浮力正比于浮子浸入液体的体积。

　　式中，m为浮子质量，v为浮子体积，p为液体密度，g为重力加速度。测量泥浆浓度或密度时，由浮子浮出液面的高度来反映密度的变化。图2为浮子的几何形状。D为浮子下部躯体的有效直经，H为浮子下部躯体的有效直经，h为浮子上部的有效高度。

　　当泥浆浓度为零时，即纯水时，让浮子全部淹没在水中，如图2所示。浮子所受浮力为:

　　式中，P_x为水的密度。

　　当泥浆浓度满量程时，浮子淹没深度为H，浮子所受浮力为

　　为了提高传感器灵敏度，应使位移量h尽可能大。

　　取H=14cm D=4cm h=15.5cm

　　由式(5)得d=1.2cm.

　　按照上述尺寸，用有机玻瑞(p=1.2以cm³)加工了这一浮子。经过适当配重，使浮子的位移满足了要求。

　　2.差动变压器的设计

　　当差动变压器原边加上一定颇率的交流信号后，副边感应的电压信号的变化量△V正比于铁芯的位移变化量由于该传感器的位移h较大，故差动变压器的骨架为一细长的团柱型结构，如图4所示。考虑到变压器边沿的非线性，骨架长度选为20cm，这样，铁芯在差动变压器中移动时，拾出信号仍有15cm的线性区，正好对应15%的泥浆浓度。差动变压器的匝数比选为120/1200经过实验，原边加60Hz, 2 V的正弦波信号激励时较理想，副边可在整个测量范围内产生500mV-1200mV的信号。