CN101713633B - 螺纹量规牙侧角测量仪的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺纹量规牙侧角测量仪，该仪器能方便的测量牙侧角，解决了牙侧角测量困难的问题。所述测量仪主要包括V型定位槽和电感测头，所述定位槽的底座调整工作台安装在滑轨上，所述调整工作台包括上下、左右倾斜手柄，使V型定位槽位置可调，方便电感测头测量。本发明的测量方法是利用本发明的测量仪测量得出端面直线、牙侧轮廓线的多个坐标值，用最小二乘法分别求出端面直线L1及牙侧轮廓线L2，L3的一元线性回归方程，并将各直线的斜率代入公式(1)、公式(2)分别求出右侧、左侧牙侧角。

Description

螺纹量规牙侧角测量仪的测量方法

技术领域

本发明涉及测量工具领域，尤其涉及一种螺纹量规牙侧角测量仪，本发明还涉及所述测量仪的测量方法。 

背景技术

随着油气资源的进一步开发，油田对油井管的需求与日俱增。油井管是油气勘探的主要设备，油井管的性能对油气田开发影响重大。任何一次油井管损坏事故，轻则造成重大的经济损失，重则对施工人员的生命构成重大威胁。所以对油井管的质量控制至关重要。 

油井管柱是由螺纹连接的，油井管柱螺纹连接处是油井管事故的高发地。螺纹量规检测的主要技术参数是大(小)径、中径、锥度、螺距、牙侧角和紧密距，对于以上参数，牙侧角的测定是一个难题。 

现有的高精度三坐标测量机可用接触法测量螺纹牙侧角，但三坐标机为通用测量仪，本身配备的侧头直径较大，小螺距、短齿面的螺纹量规无法测量。如果专门制作与螺纹量规相配的小侧头，则与侧头相连的侧杆很细，碰撞时容易发生断裂，而且瞄准比较困难，测量效率低。传统的影像法、轴切法等光学法测量螺纹量规牙侧角，只能测量小塞规，环规和大螺纹量规会遮挡住光源，无法测量。就是小塞规，其测不确定度也在±4′以上，其测量不确定度不能满足石油螺纹量规牙测角偏差极限值的要求。 

另有一种自动化程度相对较高的螺纹规牙侧角测量仪，可对部分规格螺纹量规的牙侧角进行测量，但操作起来有众多不便，如被测量规必须立式放置，测量时对准困难，调节范围小；侧头与被测螺纹量规齿面需保持在同一平面内；每次测量时都需要标准螺纹量规辅助；测量的结果是牙侧角的偏差，不能直接读出牙侧角值。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以方便测量螺纹量规牙测角的螺纹量规牙侧角测量仪，本发明还提供一种所述测量仪的测量方法。 

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下： 

本发明螺纹量规牙侧角测量仪，包括工作台、调整工作台、V型定位槽、电感测头及其控制箱、立柱，所述的工作台为测量平台，所述的工作平台上固定连接有水平滑轨，所述的 调整工作台通过所述的水平滑轨连接在所述的工作台上，所述的V型定位槽为长形结构，在其中间有一个开口向上的V型槽，所述的V型定位槽的前端固定连接有V型定位板，所述的V型定位板有一个开口向上的V型缺口，所述的V型缺口开宽度小于所述V型槽的开口宽度，所述的V型定位槽固定在所述的调整工作台上，其长度方向和所述水平滑轨的长度方向平行，所述的调整工作台上有两个分别可以使所述V型定位槽上下、左右倾斜的手柄，所述的立柱固定在所述的工作台上、所述水平滑轨的长度方向的侧上方，所述立柱上有竖直滑轨，所述的电感测头控制箱的驱动部上下装置通过所述的竖直导轨连接在所述立柱上。 

本发明还提供一种所述螺纹量规牙侧角测量仪的测量方法，包括： 

S101：对螺纹量规牙侧角测量仪进行校准； 

S102：把工作规放在V型定位槽上，对工作规进行对准，要求测头与工作规的螺纹牙齿面接触； 

S103：通过螺纹量规牙侧角测量仪上的电感测头分别测出所述工作规上一个螺纹牙的端面直线、右侧牙侧轮廓线、左侧牙侧轮廓线每条线上至少两个点的坐标； 

S104：根据测得的端面直线和右侧、左侧牙侧轮廓线的各点的坐标值，用最小二乘法求出所述端面直线和右侧、左侧牙侧轮廓线的一元线性回归方程； 

S105：将所述端面直线和右侧、左侧牙侧轮廓线的斜率分别代入公式(1)、公式(2)，求出所述工作规的右侧、左侧牙侧角； 

$\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}=\mathrm{arctg}\frac{K_2-K_1}{1+K_1{K}_2}---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}=\mathrm{arctg}\frac{K_1-K_3}{1+K_1{K}_3}---\left(2\right)$

式中： 

——螺纹右侧牙侧角测量值； 

       

——螺纹左侧牙侧角测量值； 

K₁——端面直线L₁的斜率； 

K₂——右侧牙侧轮廓线L₂的斜率； 

K₃——左侧牙侧轮廓线L₃的斜率。 

所述的对螺纹量规牙侧角测量仪进行校准，包括测量不确定度，所述的不确定度通过测量牙右侧角不确定度得到，测量牙右侧角不确定度包含如下步骤： 

S201：将待测量规放在螺纹量规牙侧角测量仪的V型定位槽上，进行对准，要求测头与待测量规的牙齿面接触；

S202：通过螺纹量规牙侧角测量仪上的电感测头分别测出所述待测量规的端面直线、右侧牙侧轮廓线每条线上至少两个点的坐标； 

S203：根据各点坐标值，分别求出每条直线同轴坐标的平均值 

并用最小二乘法分别求出端面直线、右侧牙侧轮廓线每条线的斜率K₁、K₂； 

S204：将每条直线的同轴坐标的平均值 

和斜率K₁、K₂分别代入公式(3)、公式(4)，求出求直线L₁的斜率K₁时引入的不确定度分量u_c(K₁)、求直线L₂的斜率K₂时引入的不确定度分量u_c(K₂)，公式(3)、公式(4)中的u(x)、u(y)分别由公式(5)、公式(6)计算得到； 

${\left[\frac{u_c\left(K_1\right)}{K_1}\right]}^2={\left[\frac{-u\left(x\right)}{\stackrel{\‾}{x}}\right]}^2+{\left[\frac{u\left(y\right)}{\stackrel{\‾}{y}}\right]}^2---\left(3\right)$

${\left[\frac{u_c\left(K_2\right)}{K_2}\right]}^2={\left[\frac{-u\left(x\right)}{\stackrel{\‾}{x}}\right]}^2+{\left[\frac{u\left(y\right)}{\stackrel{\‾}{y}}\right]}^2---\left(4\right)$

$u\left(x\right)=2.0/\sqrt{3}---\left(5\right)$

$u\left(y\right)=(1.0+\frac{\stackrel{\‾}{y}}{50})/\sqrt{3}---\left(6\right)$

S205：将u_c(K₁)、u_c(K₂)分别代入公式(7)、公式(8)，求出变量v₁、变量v₂，式中u₁即u_c(K₁)，u₂即u_c(K₂)，σu₁为u₁的不确定度，σu₂为u₂的不确定度； 

$v_1=\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\σu}}_1}{u_1}\right)}^{-2}---\left(7\right)$

$v_2=\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\σu}}_2}{u_2}\right)}^{-2}---\left(8\right)$

S206：将斜率K₁、K₂以及u_c(K₁)和u_c(K₂)代入公式(9)，u_c(K₁)即u₁，u_c(K₂)即u₂，得到测量牙右侧角的标准不确定度 

同时将变量v₁、变量v₂代入Welch-Satterthwaite公式求出有效自由度v； 

$u_c^2\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)={\left(\frac{-1}{1+K_1^2}\right)}^2{u}_1^2+{\left(\frac{1}{1+K_2^2}\right)}^2{u}_2^2---\left(9\right)$

S207：将标准不确定度 和有效自由度v代入公式(10)，求出扩展不确定度  $u{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)}_{99}.$

$u{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)}_{99}=t_{99}\left(v\right)u\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)---\left(10\right)$

本发明的有益效果如下： 

使用本发明的螺纹量规牙侧角测量仪及其测量方法可以方便的对各种量规的牙侧角进行测量，测量效率高，保证了螺纹量规质量，进一步保证了量规对油井管柱的连接螺纹测量结果的准确性。 

附图说明

图1为本发明螺纹量规牙侧角测量仪的主视图； 

图2为本发明螺纹量规牙侧角测量仪的右视图； 

图3为本发明螺纹量规牙侧角测量仪的V型定位板结构示意图； 

图4为本发明螺纹量规牙侧角测量仪的V型定位槽的主视图； 

图5为本发明螺纹量规牙侧角测量仪的V型定位槽的俯视图； 

图6为本发明测量方法的螺纹牙侧角计算原理图。 

具体实施方式

参见附图1、附图2，工作台1是本发明螺纹量规牙测角测量仪的重要组成部分，在工作台1上安装有水平滑轨2，在所述水平滑轨2上安装有调整工作台3，调整工作台3的上方固定连接有V型定位槽4，V型定位槽4的前端固定连接有V型定位板5，在水平滑轨2长度方向侧上方、在工作台1上固定连接立柱6，在立柱6上连接有竖直滑轨7，竖直滑轨7上连接有控制箱8，控制箱8的驱动部上下装置9直接和竖直滑轨7相连，控制箱通过来接在其上的电感测头10进行测量，在所述调整工作台3上有可以使所述V型定位槽4上下倾斜的手柄11、左右倾斜的手柄12，可以根据测量需要对V型定位槽4的位置进行调解，方便测量。 

参见附图3，附图4，附图5，所述V型定位槽4为长形结构，其中间有一个开口向上的V型槽，所述V型定位板5有一个开口向上的V型缺口，所述V型缺口的开口宽度小于V型定位槽4上的V型槽的开口宽度。 

参见附图6，为本发明测量方法的原理图，根据三角形相似原理，端面直线L1和右侧牙侧轮廓线L2的夹角和螺纹右侧牙测角的大小相等，端面直线L1和左侧牙侧轮廓线L3的夹角和螺纹左侧牙测角大小相等，这样求出端面直线L1和右侧牙侧轮廓线L2的一元线形方程就可以根据公式(1)计算得到端面直线L1和右侧牙侧轮廓线L2的夹角也就是螺纹右侧牙测角的大小，同理可以得到螺纹左侧牙侧角的大小。求解端面直线L1、右侧牙侧轮廓线L2、左侧牙侧轮廓线L3的一元线性方程可以使用最小二乘法，具体可以使用本发明的螺纹量规牙测角测量仪分别测量端面工作规上一个螺纹牙的端面直线L1、右侧牙侧轮廓线L2、左侧牙侧轮廓线L3，每条线上至少两个点的坐标，然后用最小二乘法求出端面直线L1、右侧牙侧轮廓线L2、左侧牙侧轮廓线L3的一元线性回归方程。 

在使用本发明的仪器、方法测量牙侧角不确定度的测量是一个重要环节，由于本测量仪在对螺纹左右牙侧角测量时是等精度测量，所以在此通过计算螺纹右侧角不确定度来确定本方法及仪器测量的不确定度。 

右侧牙测角测量标准不确定度计算公式的推导过程如下： 

依据： $u_c^2\left(y\right)=\mathrm{\Σ}{\left(\frac{\∂f}{\∂x_i}\right)}^2\·u^2\left(x_i\right)---\left(11\right)$

得到： $u_c^2\left(y\right)={\left(\frac{\∂f}{\∂x_1}\right)}^2\·u^2\left(x_1\right)+{\left(\frac{\∂f}{\∂x_2}\right)}^2\·u^2\left(x_2\right)---\left(12\right)$

令： $\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}=f(K_1,K_2)=\mathrm{arctg}\frac{K_2-K_1}{1+K_1{K}_2}---\left(13\right)$

有： $u_c^2\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)=c_1^2{u}_1^2+c_2^2{u}_2^2---\left(14\right)$

其中： $c_1=\frac{\∂f}{\∂K_1}=\left(\frac{-1}{1+K_1^2}\right)---\left(15\right)$

$c_2=\frac{\∂f}{\∂K_2}=\left(\frac{1}{1+K_2^2}\right)---\left(16\right)$

得： $u_c^2\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)={\left(\frac{-1}{1+K_1^2}\right)}^2{u}_1^2+{\left(\frac{1}{1+K_2^2}\right)}^2{u}_2^2---\left(9\right)$

式(9)中， 

即为 的标准不确定度，u₁为求端面直线L1的斜率K₁时引入的不确定度分量、u₂为求右侧牙侧轮廓线L2的斜率K₁时引入的不确定度分量；根据公式(17) 可以得到u₁的计算公式(3)，根据公式(18)可以得到u₂的计算公式(4)。 

K₁＝x^-1y                                                (17) 

${\left[\frac{u_c\left(K_1\right)}{K_1}\right]}^2={\left[\frac{-u\left(x\right)}{\stackrel{\‾}{x}}\right]}^2+{\left[\frac{u\left(y\right)}{\stackrel{\‾}{y}}\right]}^2---\left(3\right)$

K₂＝x^-1(y-b₂)                                           (18) 

${\left[\frac{u_c\left(K_2\right)}{K_2}\right]}^2={\left[\frac{-u\left(x\right)}{\stackrel{\‾}{x}}\right]}^2+{\left[\frac{u\left(y\right)}{\stackrel{\‾}{y}}\right]}^2---\left(4\right)$

由轮廓形状测量仪技术规范，示值误差服从均匀发布，可以得到u(x)、u(y)的估算公式： 

$u\left(x\right)=2.0/\sqrt{3}---\left(5\right)$

$u\left(y\right)=(1.0+\frac{\stackrel{\‾}{y}}{50})/\sqrt{3}---\left(6\right)$

下面结合具体实施例进一步说明不确定度的算法 

实施例：首先求端面直线L₁的斜率K₁时引入的不确定度分量u₁

采用本发明的螺纹量规牙测角测量仪测得端面直线L1若干坐标值，具体坐标值见表1。 

表1实测数据表 

X坐标值	y坐标值
		9.1558	7.9249
9.2705	8.1250
		9.3375	8.2456
9.4838	8.4974
		9.5338	8.5850
9.7216	8.9086
		9.8261	9.0830
9.9059	9.2226
		10.0488	9.4819

按照最小二乘法的计算原理，对数据进行处理，计算端面直线斜率K₁，处理过程见表2。 

表2数据处理表 

所以： $K_1=\frac{S_{\mathrm{xy}}}{S_{\mathrm{xx}}}\≈1.734$

根据公式(5)得 

$u\left(x\right)=2.0/\sqrt{3}=1.155\mathrm{\μm}$

根据公式(6)得 

$u\left(y\right)=(1.0+\frac{\stackrel{\‾}{y}}{50})/\sqrt{3}\mathrm{\μm}=0.678\mathrm{\μm}$

将u(x)、u(y)、 

代入公式(3)得： 

${\left[\frac{u_c\left(K_1\right)}{K_1}\right]}^2={\left(\frac{1.115}{9587.09}\right)}^2+{\left(\frac{0.678}{8674.89}\right)}^2\≈1.96\×{10}^{-8}$

故 

$u_c\left(K_1\right)=\sqrt{1.96\×{10}^{-8}}{K}_1=-2.422\×{10}^{-4}$

同时，估计其相对标准不确定度为10％，故 $v_1=\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\σ}{u}_1}{u_1}\right)}^{-2}=50$

同理求得：u_c(K₂)＝2.48941×10^-4

估计其相对标准不确定度为10％，故 $v_2=\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\σ}{u}_2}{u_2}\right)}^{-2}=50$

将将斜率K₁、K₂以及u_c(K₁)和u_c(K₂)代入公式(9)，，得到测量牙右侧角的标准不确定度 

$u_c^2\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)=c_1^2{u}_1^2+c_2^2{u}_2^2=1.612\×{10}^{-8}{\mathrm{rad}}^2$

$u_c\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)=0.00013\mathrm{rad}=0.45^{\′}$

同时将变量v₁、变量v₂代入Welch-Satterthwaite公式求出有效自由度v： 

v＝50 

将标准不确定度 

和有效自由度v代入公式(10)，求出扩展不确定度 

$u{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)}_{99}=t_{99}\left(50\right)u\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)=2.68\×0.45={1.2}^{\′}$

即使用本发明的仪器和方法测量牙测角的不确定度为1.2′。 

Claims (2)

1.一种螺纹量规牙侧角测量仪的测量方法，其特征在于：

所述螺纹量规牙侧角测量仪，包括工作台、调整工作台、V型定位槽、电感测头及其控制箱、立柱，所述的工作台为测量平台，所述的工作台上固定连接有水平滑轨，所述的调整工作台通过所述的水平滑轨连接在所述的工作台上，所述的V型定位槽为长形结构，在其中间有一个开口向上的V型槽，所述的V型定位槽的前端固定连接有V型定位板，所述的V型定位板有一个开口向上的V型缺口，所述的V型缺口开口宽度小于所述V型槽的开口宽度，所述的V型定位槽固定在所述的调整工作台上，其长度方向和所述水平滑轨的长度方向平行，所述的调整工作台上有两个分别可以使所述V型定位槽上下、左右倾斜的手柄，所述的立柱固定在所述的工作台上、所述水平滑轨的长度方向的侧上方，所述立柱上有竖直滑轨，所述的电感测头控制箱的驱动部上下装置通过所述的竖直滑轨连接在所述立柱上；

所述测量方法包括：

S101：对螺纹量规牙侧角测量仪进行校准；

S102：把工作规放在V型定位槽上，对工作规进行对准，要求测头与工作规的螺纹牙齿面接触；

S103：通过螺纹量规牙侧角测量仪上的电感测头分别测出所述工作规上一个螺纹牙的端面直线、右侧牙侧轮廓线、左侧牙侧轮廓线每条线上至少两个点的坐标；

S104：根据测得的端面直线和右侧、左侧牙侧轮廓线的各点的坐标值，用最小二乘法求出所述端面直线和右侧、左侧牙侧轮廓线的一元线性回归方程；

S105：将所述端面直线和右侧、左侧牙侧轮廓线的斜率分别代入公式(1)、公式(2)，求出所述工作规的右侧、左侧牙侧角；

$\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}=\mathrm{arctg}\frac{K_2-K_1}{1+K_1{K}_2}---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}=\mathrm{arctg}\frac{K_1-K_3}{1+K_1{K}_3}---\left(2\right)$

式中：

——螺纹右侧牙侧角测量值；

——螺纹左侧牙侧角测量值；

K₁——端面直线L₁的斜率；

K₂——右侧牙侧轮廓线L₂的斜率；

K₃——左侧牙侧轮廓线L₃的斜率。

2.权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的对螺纹量规牙侧角测量仪进行校准，包括测量不确定度，所述的不确定度通过测量牙右侧角不确定度得到，测量牙右侧角不确定度包含如下步骤：

S201：将待测量规放在螺纹量规牙侧角测量仪的V型定位槽上，进行对准，要求测头与待测量规的牙齿面接触；

S202：通过螺纹量规牙侧角测量仪上的电感测头分别测出所述待测量规的端面直线、右侧牙侧轮廓线每条线上至少两个点的坐标；

S203：根据各点坐标值，分别求出每条直线同轴坐标的平均值

并用最小二乘法分别求出端面直线、右侧牙侧轮廓线每条线的斜率K₁、K₂；

S204：将每条直线的同轴坐标的平均值和斜率K₁、K₂分别代入公式(3)、公式(4)，求出求直线L₁的斜率K₁时引入的不确定度分量u_c(K₁)、求直线L₂的斜率K₂时引入的不确定度分量u_c(K₂)，公式(3)、公式(4)中的u(x)、u(y)分别由公式(5)、公式(6)计算得到；

${\left[\frac{u_c\left(K_1\right)}{K_1}\right]}^2={\left[\frac{-u\left(x\right)}{\stackrel{\‾}{x}}\right]}^2+{\left[\frac{u\left(y\right)}{\stackrel{\‾}{y}}\right]}^2---\left(3\right)$

${\left[\frac{u_c\left(K_2\right)}{K_2}\right]}^2={\left[\frac{-u\left(x\right)}{\stackrel{\‾}{x}}\right]}^2+{\left[\frac{u\left(y\right)}{\stackrel{\‾}{y}}\right]}^2---\left(4\right)$

$u\left(x\right)=2.0/\sqrt{3}---\left(5\right)$

$u\left(y\right)=(1.0+\frac{\stackrel{\‾}{y}}{50})/\sqrt{3}---\left(6\right)$

S205：将u_c(K₁)、u_c(K₂)分别代入公式(7)、公式(8)，求出变量v₁、变量v₂，式中u₁即u_c(K₁)，u₂即u_c(K₂)，σu₁为u₁的不确定度，σu₂为u₂的不确定度；

$v_1=\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\σu}}_1}{u_1}\right)}^{-2}---\left(7\right)$

$v_2=\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\σu}}_2}{u_2}\right)}^{-2}---\left(8\right)$

S206：将斜率K₁、K₂以及u_c(K₁)和u_c(K₂)代入公式(9)，u_c(K₁)即u₁，u_c(K₂)即u₂，得到测量牙右侧角的标准不确定度

同时将变量v₁、变量v₂代入Welch-Satterthwaite公式求出有效自由度v；

$u_c^2\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)={\left(\frac{-1}{1+K_1^2}\right)}^2{u}_1^2+{\left(\frac{1}{1+K_2^2}\right)}^2{u}_2^2---\left(9\right)$

S207：将标准不确定度

和有效自由度v代入公式(10)，求出扩展不确定度

$u{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)}_{99}=t_{99}\left(v\right)u\left(\frac{{\mathrm{\α}}_r}{2}\right)---\left(10\right).$

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