光桿載荷和位移測量技術(shù)090324

1、抽油機(jī)井光桿載荷-位移測量方法西安交通大學(xué) 徐明龍匯報內(nèi)容光桿載荷測量技術(shù)應(yīng)變計彈性元件信號調(diào)理電路載荷傳感器標(biāo)定光桿位移測量技術(shù)角位移測量技術(shù)直線加速度測量技術(shù)高精度GPS測量技術(shù)非正常示功圖的危害光桿載荷測量技術(shù)閉口式載荷傳感器 開口式載荷傳感器 光桿載荷測量技術(shù)上壓板殼體信號接口彈性元件應(yīng)變計信號調(diào)理下壓板一種載荷傳感器的組成 光桿載荷測量技術(shù)應(yīng)變計應(yīng)變電測技術(shù)：1856年，W.Thomson，電纜的電阻值與海水深度有關(guān)，銅和鐵的應(yīng)變與其電阻成不同的函數(shù)關(guān)系，微笑的電阻變化可用惠斯頓電橋測量（Sir Charles Wheatstone）1936-1938，E.Simmons和A.Rug

2、e等人制出紙基絲式電阻應(yīng)變計，SR-41952，P.Jackson，第一批箔式電阻應(yīng)變計1954，發(fā)現(xiàn)鍺硅半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，1957年制造出第一批半導(dǎo)體應(yīng)變計 光桿載荷測量技術(shù)應(yīng)變計電阻應(yīng)變測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，重量輕，安裝方便（粘貼），一般不會干擾構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)測量靈敏度高、精度高，分辯率可達(dá)10-6（1m/m，1）。應(yīng)變量程大，一般1%2%（1042104），特殊10%25%常溫箔式電阻應(yīng)變計最小柵長0.2mm頻率響應(yīng)DC500kHz可在極短工況下工作：-269+1000、幾百M(fèi)Pa高壓、強(qiáng)磁場、核輻射配合彈性元件可制成各種傳感器：稱重（德國HBM）、載荷（德國HBM）、扭矩（德國LOR

3、ENZ）、壓強(qiáng)、位移（德國-米銥）、加速度（美國PCB、ENDEVCO，瑞士Kisler）等等，精度0.01%0.5%測量中輸出為電信號，便于實(shí)現(xiàn)自動化和數(shù)字化光桿載荷測量技術(shù)應(yīng)變計電阻應(yīng)變測量技術(shù)的缺點(diǎn)或限制：點(diǎn)測量，不易得到構(gòu)件的全域應(yīng)力應(yīng)變長一般只能測量構(gòu)件的表面應(yīng)變只能測到敏感柵覆蓋面積內(nèi)構(gòu)件表面的平均應(yīng)變光桿載荷測量技術(shù)應(yīng)變計基底，蓋層：膠膜粘結(jié)劑：有機(jī)樹脂引線：鍍錫或鍍銀細(xì)銅絲 敏感柵引線基底，蓋層，粘結(jié)劑導(dǎo)體，L、A、電阻：電阻的變化：光桿載荷測量技術(shù)應(yīng)變計導(dǎo)體，L、A、假設(shè)：則： 泊松效應(yīng)， 為泊松系數(shù)（0.30.5） 得：為靈敏系數(shù)光桿載荷測量技術(shù)應(yīng)變計對于康銅（Cu-Ni）

4、，m=1，K0=2，金屬材料：K0（1.73.6）對于半導(dǎo)體材料，K0=E （ 60150）電阻應(yīng)變計的工作特性：應(yīng)變計電阻（R），120、350、1k等等靈敏系數(shù)（K）橫向效應(yīng)系數(shù)（H）機(jī)械滯后（Zj）蠕變（）絕緣電阻（Rm）疲勞壽命（N）溫度系數(shù)（KT）光桿載荷測量技術(shù)應(yīng)變計電阻應(yīng)變計的粘結(jié)膠： 類型牌號最低固化條件工作溫度用途氰基丙烯酸酯502室溫下指壓1min-30+60常溫應(yīng)變環(huán)氧-酚醛610135/2h（0.10.3MPa）165/2h-269+288高精度傳感器電阻應(yīng)變計的防護(hù)膠：硅膠光桿載荷測量技術(shù)彈性元件彈性元件設(shè)計要素：材料的選取材料的熱處理幾何形狀、尺寸優(yōu)化設(shè)計利于應(yīng)變計

5、牢固粘貼應(yīng)力應(yīng)變分析光桿載荷測量技術(shù)信號調(diào)理電路定位銷柱體接線端子軸向應(yīng)變計R3橫向應(yīng)變計R2接線端子橫向應(yīng)變計R4軸向應(yīng)變計R1R1R2R3R4EABCDU惠斯頓電橋(Wheatstone Bridge)光桿載荷測量技術(shù)信號調(diào)理電路假設(shè)： 若： 推導(dǎo)出： （信號調(diào)理電路第一彈性柱正面應(yīng)變計第一彈性柱反面應(yīng)變計第二彈性柱正面應(yīng)變計第二彈性柱反面應(yīng)變計第三彈性柱正面應(yīng)變計第三彈性柱反面應(yīng)變計惠斯頓全橋電路RISC處理器（A/D、溫度傳感、算法、D/A）電壓/電流轉(zhuǎn)換電路防反接電橋電路橋路激勵電源工作電源二線制信號供電和輸出標(biāo)定設(shè)置通訊口光桿載荷測量技術(shù)載荷傳感器標(biāo)定量程：50kN / 90kN

6、/ 150kN，與抽油機(jī)匹配。舉例：5型機(jī)上安裝150kN載荷傳感器，當(dāng)測量絕對誤差為0.75kN，傳感器精度為0.5%，但5型機(jī)需要的量程是050kN，相對誤差達(dá)1.5%載荷傳感器高低溫試驗(yàn)低溫-30，疲勞加載試驗(yàn)高溫+60，疲勞加載試驗(yàn)光桿載荷測量技術(shù)載荷傳感器標(biāo)定載荷傳感器過載和穩(wěn)定性試驗(yàn)500萬次壓-壓疲勞加載試驗(yàn)，對于沖次為6（次/分）的抽油機(jī)，相當(dāng)于連續(xù)工作一年半1.5倍2倍過載試驗(yàn)光桿位移測量經(jīng)典的拉線式直線位移傳感器，位移010m，分辯率優(yōu)于1mm。司服式低頻加速度-速度-位移傳感器，用于地震工程，沖次很低時誤差大光桿位移測量角位移測量技術(shù)用MEMS微型加速度傳感器、MEMS微

7、型角速度傳感器以及數(shù)字化信號調(diào)理電路設(shè)計角位移測量模塊。通過對游梁角位移的測量實(shí)現(xiàn)了光桿位移的實(shí)時監(jiān)測，同步測量載荷即可得到光桿示功圖由角位移傳感器得到(t)后，光桿位移y(t)=R(t) ，R為游梁支承到驢頭圓弧面的距離。 Ly(t)R彈簧C1C2梁空氣介質(zhì)光桿位移測量角位移測量技術(shù)電容式加速度計C1C2梁空氣介質(zhì)彈簧電容的變化與位置的關(guān)系：光桿位移測量角位移測量技術(shù)角位移傳感器信號調(diào)理電路MEMS加速度計MEMS角速度傳感器RISC處理器（A/D、溫度傳感、算法、D/A）電壓/電流轉(zhuǎn)換電路防反接電橋電路激勵電源工作電源二線制信號供電和輸出標(biāo)定設(shè)置通訊口加速度計的輸出信號中包含夾角 引起的分

8、力和角速度引起的慣性力： 必須減去由角速度引起的慣性力，也就是解耦，以得到如下公式：光桿位移測量直線加速度測量技術(shù)難點(diǎn)舉例：假設(shè)光桿沖程為1.8m，沖次為3次/分，電機(jī)勻速，則上下死點(diǎn)最大加速度僅為9(mg)，不僅很難求得位移，甚至上下死點(diǎn)都無法找到!a(t)MEMS加速度計高分辨率電容式加速度計測量光桿加速度： a(t)作二次積分得到光桿位移： 光桿位移測量直線加速度測量技術(shù)難點(diǎn)舉例：低沖次無法測量示功圖，使用變頻調(diào)速后該缺點(diǎn)將凸現(xiàn)；太陽能電池覆蓋灰塵后效率下降，需要人工清理，大面積推廣后維護(hù)困難；公共頻段微功率無線通訊的可靠性問題利用直線加速度測量實(shí)現(xiàn)的載荷-位移一體化無線傳感器光桿位移測

9、量高精度GPS測量技術(shù)GPS測量位移的視頻演示光桿位移測量高精度GPS測量技術(shù)用RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)的俯仰角測量精度：0.20刷新速率：不低于20Hz用RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)的垂直方向相對位移精度： 1分鐘內(nèi)，3m量程，優(yōu)于5mm刷新速率：不低于20Hz用RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)的指北角測量精度：0.10刷新速率：不低于20Hz非正常示功圖的危害 采用電感式或霍爾（磁）位置傳感器，僅能實(shí)現(xiàn)接近點(diǎn)位置檢測，下死點(diǎn)或上死點(diǎn)測量。一種典型的假位移測量方法非正常示功圖的危害 抽油桿柱的數(shù)學(xué)模型是一個具有粘滯阻尼的縱向振動的細(xì)長圓桿。描述抽油桿柱運(yùn)動和應(yīng)力傳播的粘滯阻尼波動方程如下：泵功圖計算： 其特解為位移 與深度、時間的函數(shù)和載荷 與深度、時間的函數(shù)：載荷-位移實(shí)時同步采集的必要性非正常示功圖的危害西峰油田原始數(shù)據(jù)文件1載荷位移不同步，上沖程時間比實(shí)際少3.0非正常示功圖的危害西峰油田原始數(shù)據(jù)文件1載荷位移不同步，上沖程時間比實(shí)際多3.0非正常示功圖的危害西峰油田原始數(shù)據(jù)文件2沖程變化5.0非正常示功圖的危害西峰油