CN106453467A - 螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法 - Google Patents
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Abstract
螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法属于油田采油领域，涉及一种螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法，具体是通过传感器对光杆工作载荷（扭矩、轴力、弯矩、转速和温度）进行实时处理、分析和无线传输的方法。本发明由全参数传感器单元1、超低功耗信号处理单元2和应用服务单元3组成。所述的全参数传感器单元1包括工作载荷宽温应变全桥电路1‑1、数字化温度传感器1‑2、MEMS三轴陀螺仪1‑3。所述的超低功耗信号处理单元2包括宽温电源模块2‑1、工作载荷模拟信号差分放大电路2‑2、电源转换电路2‑3、应变桥路控制电路2‑4、超低功耗处理单元2‑5和远程无线数据通信单元2‑6。操作及使用方便且实用性强；通过不同桥路的组合，用最少的应变片数量实现了全参数的高效测量，有效的解决了现有设备存在的贴片利用率低、数量多，测量参数种类少、精度低，系统功耗高等问题。
Description
技术领域
本发明属于油田采油领域，涉及一种螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法，具体是通过传感器对光杆工作载荷（扭矩、轴力、弯矩、转速和温度）进行实时处理、分析和无线传输的方法。
背景技术
随着技术发展和完善，螺杆泵举升工艺技术已经成熟配套，并在全国油田得到了较大规模应用，成为主要举升方式之一；但现有系统存在以下不足，一是每一种工作载荷的监控都需要由独立的应变片桥路和电路单元组成，所需应变片数量较多，没有充分利用，且粘贴工作量大，同时存在很大的电路冗余。二是传统系统工作时传感器电路全时供电且电压较高，造成系统功耗大，持续工作时间短。三是应变片桥路测量精度与供电电压精度相关，现有系统电压精度受环境因素影响大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有系统所需应变片数量多、粘贴工作量大、测量精度低等弊端，研究了一种螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法，包括2个三向片不同全桥组合测试拉压、扭转和弯曲载荷方法，实现了螺杆泵井全参数的高效测量。
本发明由全参数传感器单元1、超低功耗信号处理单元2和应用服务单元3组成。全参数传感器单元1包括工作载荷宽温应变全桥电路1-1、数字化温度传感器1-2、MEMS三轴陀螺仪1-3组成。
工作载荷宽温应变全桥电路1-1由2个三向片组成，通过超低功耗信号处理单元2控制选择其中四个应变片组成不同全桥电路，实现拉压、扭转和弯曲载荷的测量。
超低功耗信号处理单元2包含宽温电源模块2-1、工作载荷模拟信号差分放大电路2-2、电源转换电路2-3、应变桥路控制电路2-4、超低功耗处理单元2-5和远程无线数据通信单元2-6。
应变桥路控制电路2-4采用程控模拟开关使工作载荷宽温应变全桥电路1-1产生不同全桥组合，分时输出拉压、扭转和弯曲载荷的模拟信号到工作载荷模拟信号差分放大电路2-2，进行差分放大后由超低功耗处理单元2-5进行采集分析，超低功耗处理单元2-5将采集到的数据进行现场处理、加密、打包后，发送至远程无线数据通信单元2-6，通过无线电波发送至应用服务子系统3。电源转换电路2-3负责产生可程控工作载荷宽温应变全桥电路1-1的精密参考电压，以及超低功耗信号处理单元2所需电源。
附图说明
图1是本发明的功能框图；
图2是2个三向片粘贴方式示意图；
图3是扭矩测试全桥电路连接图；
图4是轴力测试全桥电路连接图；
图5是弯矩测试全桥电路连接图；
图6是电路实现原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明由全参数传感器单元1、超低功耗信号处理单元2和应用服务单元3组成。全参数传感器单元1包括工作载荷宽温应变全桥电路1-1、数字化温度传感器1-2、MEMS三轴陀螺仪1-3组成。
工作载荷宽温应变全桥电路1-1由2个三向片组成，通过超低功耗信号处理单元2控制选择其中四个应变片组成不同全桥电路，实现拉压、扭转和弯曲载荷的测量。
超低功耗信号处理单元2包含宽温电源模块2-1、工作载荷模拟信号差分放大电路2-2、电源转换电路2-3、应变桥路控制电路2-4、超低功耗处理单元2-5和远程无线数据通信单元2-6。
应变桥路控制电路2-4采用程控模拟开关使工作载荷宽温应变全桥电路1-1产生不同全桥组合，分时输出拉压、扭转和弯曲载荷的模拟信号到工作载荷模拟信号差分放大电路2-2，进行差分放大后由超低功耗处理单元2-5进行采集分析，超低功耗处理单元2-5将采集到的数据进行现场处理、加密、打包后，发送至远程无线数据通信单元2-6，通过无线电波发送至应用服务子系统3。电源转换电路2-3负责产生可程控工作载荷宽温应变全桥电路1-1的精密参考电压，以及超低功耗信号处理单元2所需电源。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6说明扭矩、轴力、弯矩的测量方法。
步骤一：按同样方向，在圆筒上的对侧分别粘贴1个三向片，其中中间应变片与圆筒轴线垂直，第一个三向片中的3个应变片由上到下编号为1到3，第二个三向片中的3个应变片由上到下编号为4到6，如图2所示；
步骤二：每一个应变片均引出2根导线，一共6个电阻应变片，12根导线，接入工作载荷模拟信号差分放大电路2-2；
步骤三：由应变桥路控制电路2-4选择不同测量桥路组合：测量扭矩时，由R1、R3、R4、R6组成全桥，如图3所示；测量轴力时，由R1、R2、R5、R6组成全桥，如图4所示；测量弯矩时，由R1、R2、R4、R5组成全桥，如图5所示；具体实现步骤如下：
步骤3.1采用应变桥路控制电路2-4来完成应变片的多种组合，电路框图如图6所示，其中AMP1即为图1所述的工作载荷模拟信号差分放大电路2-2的优选模块；
步骤3.2系统供电采用宽温电池BT1，电压在2.2V~3.6V之间系统均可正常工作；
步骤3.3超低功耗处理单元2-5常供电，平时为低功耗深度休眠状态，内部计时器可将其唤醒并进入正常工作流程，达到系统低功耗目的；
步骤3.46片应变片供电（图3，图4，图5中的Acc）采用精密参考电源模块实现，并通过超低功耗处理单元2-5控制程控开关T1，不需要采样时将其电源断开，减小了系统功耗；
步骤3.5应变片通过程控模拟开关S1和S2实现桥路电阻的选择和短接，S1和S2由超低功耗处理单元2-5控制：测试扭矩时，R1和R6短接，R3和R4短接，分别接入AMP1；测试轴力时，R1和R5短接，R2和R6短接，分别接入AMP1；测试弯矩时，R1和R4短接，R5和R2短接，分别接入AMP1；
步骤3.6仪表放大器AMP1进行10~100倍放大后，进入超低功耗处理单元2-5的片上模数转换器ADC中，采样得到应变片桥路的电压差，换算出相应的工作载荷，计算方法见步骤四。AMP1的放大倍数可以由超低功耗处理单元2-5根据桥路电压差大小进行自动增益控制，以便实现高精度电压采集；
步骤四：根据电路公式计算扭矩、轴力、弯矩：
扭矩由公式1计算：
（式1）
其中，是圆筒材料的弹性模量，是圆筒的抗扭截面系数，是圆筒材料的泊松比，是扭转产生的应变，由公式2计算得到：
（式2）
其中，是R1的应变，是R3的应变，是R4的应变，是R6的应变，是圆筒受扭转后外表面的切应力；
轴力由公式3计算：
（式3）
其中，是圆筒材料的弹性模量，是圆筒的横截面积，是圆筒材料的泊松比。是拉力产生的应变，由公式4计算得到：
（式4）
其中，是R1的应变，是R2的应变，是R5的应变，是R6的应变；
弯矩由公式5计算：
（式5）
其中，是圆筒材料的弹性模量，是圆筒的抗截弯面系数，是圆筒材料的泊松比，是圆筒受拉压后外表面的正应力；
是弯矩产生的应变，由公式6计算得到：
（式6）
其中，是R1的应变，是R2的应变，是R4的应变，是R5的应变，是圆筒受弯曲后外表面的正应力。
有益效果：操作及使用方便且实用性强；通过不同桥路的组合，用最少的应变片数量实现了全参数的高效测量，有效的解决了现有设备存在的贴片利用率低、数量多，测量参数种类少、精度低，系统功耗高等问题。
Claims (4)
1.螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法，它由全参数传感器单元1、超低功耗信号处理单元2和应用服务单元3组成，其特征在于：所述的全参数传感器单元1包括工作载荷宽温应变全桥电路1-1、数字化温度传感器1-2、MEMS三轴陀螺仪1-3；所述的超低功耗信号处理单元2包含宽温电源模块2-1、工作载荷模拟信号差分放大电路2-2、电源转换电路2-3、应变桥路控制电路2-4、超低功耗处理单元2-5和远程无线数据通信单元2-6。
2.根据权利要求1所叙述的螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法，其特征在于2个三向片实现了同时测试扭矩、轴力、弯矩的方法。
3.根据权利要求1所叙述的螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法，其特征在于测试扭矩时，R1和R6短接，R3和R4短接，分别接入AMP1；测试轴力时，R1和R5短接，R2和R6短接，分别接入AMP1；测试弯矩时，R1和R4短接，R5和R2短接，分别接入AMP1。
4.根据权利要求1所叙述的螺杆泵井轴载荷全参数无线实时测量方法，其特征在于应变桥路控制电路2-4采用程控模拟开关来完成应变片的多种组合；电路各部分采用程控供电的方式，达到系统低功耗目的。
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