CN112781772A - 一种在线式张力计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线式张力计系统及方法，采用处理器单元和调理电路，通过调理电路采集张力传感器芯轴输出电压信号并对输出电压信号进行预处理后传输至处理器单元，同时采集标准张力计的输出信号并进行预处理后传输至处理器单元，根据张力传感器芯轴输出电压信号的差分信号，以标准张力计输出信号为标准对张力传感器芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差进行校正，实现对张力传感器芯轴输出非线性和测量轮磨损造成的误差进行校正，测量电缆的拉力值更为精确，通过单片机控制自动完成在线式张力计的刻度，提高电缆拉力的测量精度和准确性，保障测井施工的安全性。

Description

一种在线式张力计系统及方法

技术领域

本发明涉及油田测井技术领域，特别涉及一种在线式张力计系统及方法。

背景技术

张力计是石油行业测井施工中必不可少的设备，测井使用张力计时基于不平衡电桥的特点，把张力计的铂金丝或者应力片做成电桥的一个可变电阻臂，当不受力时，电桥平衡，没有输出信号，受力时，电桥将输出与可变电阻呈现性关系的电压信号，进而转化成张力值，利用张力计能够快速检测；而现有在线式张力计在使用过程中存在以下问题：原有在线式张力计通过手动调节电位计进行校验，输出信号精度低，误差大。)张力测量轮磨损稍微深一些时，无法通过调节电位计输出正确张力信号，影响测井安全；使用13.2mm加强型电缆时，张力信号线性度差，造成张力输出误差大，无法保障施工安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在线式张力计系统及方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在线式张力计系统，包括处理器单元和调理电路，调理电路的输入端连接张力传感器芯轴，用于采集张力传感器芯轴输出电压信号并对输出电压信号进行预处理后传输至处理器单元；调理电路的输入端连接有标准张力计，用于采集标准张力计的输出信号并进行预处理后传输至处理器单元，若预处理后的张力传感器芯轴输出电压信号差分信号小于1.2V时，进入刻度状态，处理器单元以标准张力计输出信号为标准对张力传感器芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差进行校正；若预处理后的张力传感器芯轴输出电压信号差分信号大于等于1.2V时，以校正后拟合公式计算张力传感器芯轴输出电压信号得到张力值。

进一步的，张力传感器芯轴采用CPA-0.5-1传感器芯轴。

进一步的，调理电路包括标定调理电路、校验调理电路和转换电路，校验调理电路用于将张力传感器的输出信号进行预处理成差分信号送处理器单元处理，标定调理电路用于将标准张力传感器输出信号进行预处理成差分信号送处理器单元处理，转换电路用于调高校验调理电路和标定调理电路输出负端信号。

进一步的，校验调理电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R29、电阻R30、电阻R34、电容C21、电容C23、电容C17、电容C24和运算放大器U5，电阻R34的一端连接可变电阻POT一端，电阻R34的另一端连接电阻R25的一端后为连接点P2，电阻R25的另一端连接电容C21的一端和运算放大器U5的同相输入端，运算放大器U5的同相输入端和反向输入端连接有电阻R26，电容C21的另一端连接运算放大器U5的反向输入端和电阻R29的一端，电阻R29的另一端为连接点P1，运算放大器U5的电源正极和电源负极分别并联有电容C17和电容C24，运算放大器U5连接15V电源，电容C17的另一端和电容C24另一端接地，运算放大器U5的输出端连接电阻R30的一端，电阻R30的另一端连接电容C23的一端后作为正极输出TEN1+，电容C23的另一端接地。

进一步的，标定调理电路包括电阻R27、电阻R21、电阻R24、电阻R6、电阻R33、电容C33、电容C43、电容C35、电容C20、电容C38、稳压二极管D3、运算放大器U6，电阻R27的一端为连接点P11，电阻R27的另一端连接稳压二极管D3的负极和电阻R21的一端，稳压二极管D3的正极接地，电阻R21的另一端连接电阻R24的一端、电容C33的一端和运算放大器U6的同相输入端，电阻R24的另一端和电容C33的另一端和运算放大器U6的反相输入端接地，运算放大器U6的输出端连接电容C20一端后作为正相输出，电容C20的另一端接地，运算放大器U6的调零端连接于电阻R33一端，电阻R33的另一端连接电阻C38一端后作为负相输出。

进一步的，转换电路包括运算放大器U1A，运算放大器U1A的输出端连接电阻R32一端以及电阻R33的一端，电阻R32的另一端连接电容C37一端，电容C37的另一端接地；运算放大器U1A的反向输入端连接电阻R32的一端，运算放大器U1A的同向输入端连接处理器单元。

进一步的，处理器单元连接有输出缓冲放大电路，输出缓冲放大电路包括运算放大器U1B、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R23、电容C18和电容C19，运算放大器U1B的反向输入端连接电阻R2、电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接转换电路的输出端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1B的输出端，运算放大器U1B的同向输入端连接电阻R10、电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电容C19的一端和电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接处理器单元的DAC输出端，电容C19的另一端接地；运算放大器U1B的输出端连接电阻R8的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端为正极输出端SIG-OUT+P7，电阻R8的另一端连接电容C18的一端、稳压二级管D4正极和稳压二极管D5负极，稳压二极管D5正极接地，稳压二级管D4负极接电源，电容C18的另一端接地，电阻R9的一端接地，电阻R9的另一端为负极输出端SIG-OUT-P6。

进一步的，处理器单元采用ADUC7060单片机。

一种在线式张力计测力方法，实时采集张力传感器芯轴输出端的差分信号，张力传感器芯轴输出端的差分信号小于1.2V时，以标准张力计输出信号为标准，施加压力时，间隔500磅采样一个点数据，每个点采集时同时记录标准张力计输出的张力值和张力传感器芯轴输出的电压值，利用采样数据通过最小二乘法拟合和三点做抛物线拟合相结合的方式实现对张力计芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差的校正形成校正后的拟合公式；当张力传感器芯轴输出端的差分信号大于1.2V时，利用校正后的拟合公式计算出张力值，从而实现在线式张力计测力。

进一步的，采样时最高采样拉力为9000磅。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种在线式张力计系统，采用处理器单元和调理电路，通过调理电路采集张力传感器芯轴输出电压信号并对输出电压信号进行预处理后传输至处理器单元，同时采集标准张力计的输出信号并进行预处理后传输至处理器单元，根据张力传感器芯轴输出电压信号的差分信号，以标准张力计输出信号为标准对张力传感器芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差进行校正，实现对张力传感器芯轴输出非线性和测量轮磨损造成的误差进行校正，测量电缆的拉力值更为精确。

进一步的，通过采用信号噪音小的专用传感器弱信号处理芯片进行信号接收，提高了采集精度，降低了干扰信号对测量结果的影响。通过抬高负端信号电压提高了A/D转换精度。

进一步的，增强信号驱动能力，对输入到张力信号处理面板的张力信号起到钳位、保护作用，防止信号幅度过大损坏张力信号处理面板。

本发明一种在线式张力计测力方法，利用采集的数据通过最小二乘法拟合和三点做抛物线拟合相结合的方式实现对张力计芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差的校正，同时把拟合参数存储到数据存储器中，使用刻度状态时计算的拟合公式计算出张力值，通过单片机控制自动完成在线式张力计的刻度，提高电缆拉力的测量精度和准确性，保障测井施工的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中系统框图。

图2为本发明实施例中调理电路图。

图3为本发明实施例中输出缓冲放大电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明智能在线式张力计系统，以处理器单元为主的接口电路，针对张力传感器芯轴输出电压与施加在芯轴上的拉力存在非线性问题，提出适用于弱信号采集、处理的接口电路板。

如图1所示，一种在线式张力计系统，包括处理器单元和调理电路，调理电路的输入端连接张力传感器芯轴，用于采集张力传感器芯轴输出电压信号并对输出电压信号进行预处理后传输至处理器单元；调理电路的输入端连接有标准张力计，用于采集标准张力计的输出信号并进行预处理后传输至处理器单元，若预处理后的张力传感器芯轴输出电压信号差分信号小于1.2V时，进入刻度状态，处理器单元以标准张力计输出信号为标准对张力传感器芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差进行校正；若预处理后的张力传感器芯轴输出电压信号差分信号大于等于1.2V时，进入测井状态，以张力传感器芯轴输出电压信号拟合计算出张力值。

张力传感器芯轴采用CPA-0.5-1传感器芯轴。

如图2所示，调理电路针对张力传感器输出的弱信号，通过传感器弱信号采集芯片进行放大、滤波处理后送给处理器单元处理。

调理电路包括标定调理电路、校验调理电路和转换电路，校验调理电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R29、电阻R30、电阻R34、电容C21、电容C23、电容C17、电容C24和运算放大器U5，电阻R34的一端连接可变电阻POT一端，电阻R34的另一端连接电阻R25的一端后为连接点P2，电阻R25的另一端连接电容C21的一端和运算放大器U5的同相输入端，运算放大器U5的同相输入端和反向输入端连接有电阻R26，电容C21的另一端连接运算放大器U5的反向输入端和电阻R29的一端，电阻R29的另一端为连接点P1，运算放大器U5的电源正极和电源负极分别并联有电容C17和电容C24，运算放大器U5连接15V电源，电容C17的另一端和电容C24另一端接地，运算放大器U5的输出端连接电阻R30的一端，电阻R30的另一端连接电容C23的一端后作为正极输出TEN1+，电容C23的另一端接地；张力传感器的输出信号SIG+和SIG-分别通过连接点P2和连接点P1输入到运算放大器U5的正端和负端，经过运算放大器U5放大后(本申请放大倍数为86.9倍)，输出后经过电阻R30、电容C23滤波；同时通过处理器单元送出800uA的电流源转换成544mv的电压信号，抬高输出负端信号至544mv，然后同正端输出信号一起作为差分信号送处理器单元处理；

标定调理电路包括电阻R27、电阻R21、电阻R24、电阻R6、电阻R33、电容C33、电容C43、电容C35、电容C20、电容C38、稳压二极管D3、运算放大器U6，电阻R27的一端为连接点P11，电阻R27的另一端连接稳压二极管D3的负极和电阻R21的一端，稳压二极管D3的正极接地，电阻R21的另一端连接电阻R24的一端、电容C33的一端和运算放大器U6的同相输入端，电阻R24的另一端和电容C33的另一端和运算放大器U6的反相输入端接地，运算放大器U6的输出端连接电容C20一端后作为正相输出TURE-TEN+，电容C20的另一端接地，运算放大器U6的调零端连接于电阻R33一端，电阻R33的另一端连接电阻C38一端后作为负相输出TURE-TEN-；

转换电路包括运算放大器U1A，运算放大器U1A的输出端连接电阻R32一端以及电阻R33的一端，电阻R32的另一端连接电容C37一端，电容C37的另一端接地；运算放大器U1A的反向输入端连接电阻R32的一端，运算放大器U1A的同向输入端连接处理器单元。

处理器单元输出800uA的电流源转换成544mv的电压信号，抬高校验调理电路输出负端信号至544mv，然后同校验调理电路正端输出信号一起作为差分信号送处理器单元；标准张力传感器输出信号通过连接点P11输入到运算放大器U6，经过运算放大器U6后输出经电阻R6、电容C20滤波，处理器单元输出800uA的电流源转换成544mv的电压信号，抬高标定调理电路负端输出至544mv，然后同标定调理电路正端输出信号一起作为差分信号送处理器单元。本发明通过采用调理电路，能够有效降低信号噪音，提高了采集精度，降低了干扰信号对测量结果的影响；通过抬高负端信号电压提高了A/D转换精度。

处理器单元连接有输出缓冲放大电路，输出缓冲放大电路包括运算放大器U1B、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R23、电容C18和电容C19，运算放大器U1B的反向输入端连接电阻R2、电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接转换电路的输出端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1B的输出端，运算放大器U1B的同向输入端连接电阻R10、电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电容C19的一端和电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接处理器单元的DAC输出端，电容C19的另一端接地；运算放大器U1B的输出端连接电阻R8的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端为正极输出端SIG-OUT+P7，电阻R8的另一端连接电容C18的一端、稳压二级管D4正极和稳压二极管D5负极，稳压二极管D5正极接地，稳压二级管D4负极接电源，电容C18的另一端接地，电阻R9的一端接地，电阻R9的另一端为负极输出端SIG-OUT-P6。输出缓冲放大电路通过对处理器单元输出的模拟张力信号进行滤波、放大，增强驱动能力，送给张力信号处理面板进行显示。

处理器单元处理后输出的模拟张力信号经过电阻R23、电容C19滤波后输入到运算放大器U1B的同向输入端，运算放大器U1B的反向输入端信号抬高544mv用来消除调理电路抬高的544mv电压，经运算放大器U1B放大后经正极输出端P7和负极输出端P6送给张力信号处理面板。D4起钳位、保护作用。通过输出缓冲放大电路增强信号驱动能力，对输入到张力信号处理面板的张力信号起到钳位、保护作用，防止信号幅度过大损坏张力信号处理面板。

如图1所示，本发明处理器单元采用ADUC7060单片机，ADUC7060单片机包括程序处理器、数据处理器、A/D转换器和D/A转换器的。ADUC7060单片机A/D转换器由两个差分对或者四个单端通道的主ADC和内置7个通道的辅助的ADC组成。

本发明使用主ADC通道的ADC0和ADC1采集在线式张力计输出信号，同时利用辅助ADC通道的ADC2和ADC3采集标准张力计的输出信号。

ADUC7060单片机通过采样ADC0和ADC1两端的差分信号，判断是测井状态还是刻度状态，当ADC0和ADC1两端的差分信号小于1.2V时，进入刻度状态，刻度原理为以标准张力计输出信号为标准，施加压力时，间隔500磅采样一个点数据，每个点采集时同时记录标准张力计输出的张力值和CPA张力计芯轴输出的电压值，共采样19个点的38个数据，最高采样拉力为9000磅，将19个点的采样数据存贮到数据存储器中；利用19个点的采样数据通过最小二乘法拟合和三点做抛物线拟合相结合的方式实现对CPA-0.5-1张力计芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差的校正，同时将拟合参数存储到数据存储器中；当ADC0和ADC1两端的差分信号大于1.2V时，进入测井状态，CPA张力计芯轴输出信号进入单片机后，使用刻度状态时计算的拟合公式计算出张力值，然后通过16位D/A转换器的DAC0端口转换成模拟信号，输出到输出缓冲放大器，然后送到绞车面板显示。

Claims (10)

1.一种在线式张力计系统，其特征在于，包括处理器单元和调理电路，调理电路的输入端连接张力传感器芯轴，用于采集张力传感器芯轴输出电压信号并对输出电压信号进行预处理后传输至处理器单元；调理电路的输入端连接有标准张力计，用于采集标准张力计的输出信号并进行预处理后传输至处理器单元，若预处理后的张力传感器芯轴输出电压信号差分信号小于1.2V时，进入刻度状态，处理器单元以标准张力计输出信号为标准对张力传感器芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差进行校正；若预处理后的张力传感器芯轴输出电压信号差分信号大于等于1.2V时，以校正后拟合公式计算张力传感器芯轴输出电压信号得到张力值。

2.根据权利要求1所述的一种在线式张力计系统，其特征在于，张力传感器芯轴采用CPA-0.5-1传感器芯轴。

3.根据权利要求1所述的一种在线式张力计系统，其特征在于，调理电路包括标定调理电路、校验调理电路和转换电路，校验调理电路用于将张力传感器的输出信号进行预处理成差分信号送处理器单元处理，标定调理电路用于将标准张力传感器输出信号进行预处理成差分信号送处理器单元处理，转换电路用于调高校验调理电路和标定调理电路输出负端信号。

4.根据权利要求3所述的一种在线式张力计系统，其特征在于，校验调理电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R29、电阻R30、电阻R34、电容C21、电容C23、电容C17、电容C24和运算放大器U5，电阻R34的一端连接可变电阻POT一端，电阻R34的另一端连接电阻R25的一端后为连接点P2，电阻R25的另一端连接电容C21的一端和运算放大器U5的同相输入端，运算放大器U5的同相输入端和反向输入端连接有电阻R26，电容C21的另一端连接运算放大器U5的反向输入端和电阻R29的一端，电阻R29的另一端为连接点P1，运算放大器U5的电源正极和电源负极分别并联有电容C17和电容C24，运算放大器U5连接15V电源，电容C17的另一端和电容C24另一端接地，运算放大器U5的输出端连接电阻R30的一端，电阻R30的另一端连接电容C23的一端后作为正极输出TEN1+，电容C23的另一端接地。

5.根据权利要求3所述的一种在线式张力计系统，其特征在于，标定调理电路包括电阻R27、电阻R21、电阻R24、电阻R6、电阻R33、电容C33、电容C43、电容C35、电容C20、电容C38、稳压二极管D3、运算放大器U6，电阻R27的一端为连接点P11，电阻R27的另一端连接稳压二极管D3的负极和电阻R21的一端，稳压二极管D3的正极接地，电阻R21的另一端连接电阻R24的一端、电容C33的一端和运算放大器U6的同相输入端，电阻R24的另一端和电容C33的另一端和运算放大器U6的反相输入端接地，运算放大器U6的输出端连接电容C20一端后作为正相输出，电容C20的另一端接地，运算放大器U6的调零端连接于电阻R33一端，电阻R33的另一端连接电阻C38一端后作为负相输出。

6.根据权利要求3所述的一种在线式张力计系统，其特征在于，转换电路包括运算放大器U1A，运算放大器U1A的输出端连接电阻R32一端以及电阻R33的一端，电阻R32的另一端连接电容C37一端，电容C37的另一端接地；运算放大器U1A的反向输入端连接电阻R32的一端，运算放大器U1A的同向输入端连接处理器单元。

7.根据权利要求1所述的一种在线式张力计系统，其特征在于，处理器单元连接有输出缓冲放大电路，输出缓冲放大电路包括运算放大器U1B、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R23、电容C18和电容C19，运算放大器U1B的反向输入端连接电阻R2、电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接转换电路的输出端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1B的输出端，运算放大器U1B的同向输入端连接电阻R10、电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电容C19的一端和电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接处理器单元的DAC输出端，电容C19的另一端接地；运算放大器U1B的输出端连接电阻R8的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端为正极输出端SIG-OUT+P7，电阻R8的另一端连接电容C18的一端、稳压二级管D4正极和稳压二极管D5负极，稳压二极管D5正极接地，稳压二级管D4负极接电源，电容C18的另一端接地，电阻R9的一端接地，电阻R9的另一端为负极输出端SIG-OUT-P6。

8.根据权利要求1所述的一种在线式张力计系统，其特征在于，处理器单元采用ADUC7060单片机。

9.一种基于权利要求1所述智能在线式张力计系统的在线式张力计测力方法，其特征在于，实时采集张力传感器芯轴输出端的差分信号，张力传感器芯轴输出端的差分信号小于1.2V时，以标准张力计输出信号为标准，施加压力时，间隔500磅采样一个点数据，每个点采集时同时记录标准张力计输出的张力值和张力传感器芯轴输出的电压值，利用采样数据通过最小二乘法拟合和三点做抛物线拟合相结合的方式实现对张力计芯轴输出非线性和张力测量轮磨损造成误差的校正形成校正后的拟合公式；当张力传感器芯轴输出端的差分信号大于1.2V时，利用校正后的拟合公式计算出张力值，从而实现在线式张力计测力。

10.根据权利要求9所述一种在线式张力计测力方法，其特征在于，采样时最高采样拉力为9000磅。

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