CN114183124B - 示功仪载荷位移一体化校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种示功仪载荷位移一体化校准装置及校准方法，该校准装置包括：支撑体；滑块，其可滑动地安装于支撑体；竖向驱动机构，竖向驱动机构与滑块连接，能够驱动滑块在支撑体上沿竖直方向移动；位移测量机构，其安装于支撑体，用于测量滑块在支撑体上沿竖直方向移动的位移量；用于固定示功仪的固定机构，其安装于滑块；压力施加机构，其安装于滑块，压力施加机构能够对固定于固定机构的示功仪施加压载；压力测量传感器，其能测量压力施加机构对示功仪施加的压载。通过本发明，实现了载荷、位移的一体化高精度标定，缓解了现有技术中示功仪的校准效果较差的技术问题。

Description

示功仪载荷位移一体化校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及油田开采装备的技术领域，尤其涉及一种示功仪载荷位移一体化校准装置及校准方法。

背景技术

示功仪是一种油田用采集载荷、位移信号，生成示功图的测量装置。在油田生产过程中，陆上油田通常使用抽油机进行生产。示功仪通常安装在抽油机悬绳器上下夹 板之间，用于测量应力载荷和位移，示功仪能够将位移、载荷数据生成示功图，是油 井工况诊断、软件量油的重要依据，因此示功仪的精度对于油田生产具有较高的重要性。

为了保障示功仪的精度，实现示功仪采集的位移、载荷数据的精度符合行业标准，示功仪在使用前需要通过校准，以能够更好更精确地帮助工作人员了解油田生产情况。 示功仪主要的物理参量包括位移和载荷，将示功仪采集到的位移和载荷的值，分别与 位移和载荷的真值进行对比，以实现校准。但是目前，示功仪校准时的工况，与示功仪在抽油机上运行时的工况的差别较大，影响了对示功仪的校准。

发明内容

本发明的目的是提供一种示功仪载荷位移一体化校准装置及校准方法，以缓解现有技术中示功仪的校准效果较差的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种示功仪载荷位移一体化校准装置，包括：

支撑体；

滑块，其可滑动地安装于所述支撑体；

竖向驱动机构，所述竖向驱动机构与所述滑块连接，能够驱动所述滑块在所 述支撑体上沿竖直方向移动；

位移测量机构，其安装于所述支撑体，用于测量所述滑块在所述支撑体上沿 竖直方向移动的位移量；

用于固定示功仪的固定机构，其安装于所述滑块；

压力施加机构，其安装于所述滑块，所述压力施加机构能够对固定于所述固 定机构的示功仪施加压载；

压力测量传感器，其能测量所述压力施加机构对所述示功仪施加的压载。

在优选的实施方式中，所述压力施加机构包括电泵和液压缸，所述压力测量传感器设于所述液压缸的活塞杆的端部，所述电泵与所述液压缸连接，能够驱动所述液压 缸的活塞杆移动。

在优选的实施方式中，所述压力施加机构包括缓冲罐，所述电泵提供的压力液流经所述缓冲罐后，流向所述液压缸。

在优选的实施方式中，所述液压缸设于所述固定机构的上方，所述液压缸的活塞杆对所述示功仪向下施加压载。

在优选的实施方式中，所述竖向驱动机构包括牵引轮、牵引电机、钢丝绳、设于 所述支撑体的顶部的上导向轮和设于所述支撑体的底部的下导向轮，所述钢丝绳缠绕 于所述牵引轮，所述钢丝绳的第一端经所述上导向轮与所述滑块固接，所述钢丝绳的 第二端经所述下导向轮与所述滑块固接；所述牵引电机与所述牵引轮连接。

在优选的实施方式中，所述竖向驱动机构还包括副牵引轮，所述钢丝绳往复缠绕于所述牵引轮和所述副牵引轮。

在优选的实施方式中，所述牵引轮设有多个第一V形槽，所述副牵引轮设有多 个第二V形槽，所述钢丝绳缠绕于所述第一V形槽和所述第二V形槽。

在优选的实施方式中，所述示功仪载荷位移一体化校准装置包括配重块、配重滑轮和配重绳，所述配重块滑动连接于所述支撑体，所述配重滑轮设于所述支撑体的顶 部；所述配重绳绕设于所述配重滑轮，所述配重绳的第一端与所述滑块固接，所述配 重绳的第二端与所述配重块固接。

在优选的实施方式中，所述位移测量机构包括沿竖直方向固设于所述支撑体的磁栅尺、和固设于所述滑块的磁头。

在优选的实施方式中，所述支撑体为箱梁式结构。

本发明提供一种示功仪载荷位移一体化校准方法，采用上述的示功仪载荷位移一体化校准装置，所述示功仪载荷位移一体化校准方法包括：

步骤S10，将示功仪固定于所述固定机构；

步骤S20，所述竖向驱动机构驱动所述滑块移动，所述位移测量机构测量所 述滑块的位移量；

步骤S30，所述压力施加机构对所述示功仪施加压载，所述压力测量传感器 测量压载；

步骤S40，所述示功仪测量位移量和压载；

所述步骤S20、所述步骤S30和所述步骤S40同步实施。

本发明的特点及优点是：

使用该示功仪载荷位移一体化校准装置时，待校准的示功仪可以通过固定机构来固定于滑块。竖向驱动机构带动滑块和示功仪沿竖直方向移动，该移动方式比较接近 抽油机的运动方式；位移测量机构测量滑块与示功仪的位移量。与此同时，示功仪测 量位移量。

压力施加机构对示功仪施加载荷，压力测量传感器测量载荷；与此同时，示功仪测量载荷。该示功仪载荷位移一体化校准装置可以实现在滑块和示功仪沿竖直方向移 动的同时，施加和测量载荷，这样可以更准确地模拟抽油机的工况，保证位移、载荷 数值在时间轴上的一致性，实现了载荷、位移的一体化高精度标定，能更好地指导示功仪进行校准，有助于了解位移与载荷数值之间的联系，提高了校准效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。

图1为本发明提供的示功仪载荷位移一体化校准装置的结构示意图；

图2为图1所示的示功仪载荷位移一体化校准装置的正视图；

图3为图2中A处的局部放大图；

图4为图3的B-B向的剖视图；

图5为图1所示的示功仪载荷位移一体化校准装置中的配重块、配重滑轮和配重绳的结构示意图；

图6为图1所示的示功仪载荷位移一体化校准装置中的竖向驱动机构的结构示意图；

图7为图1所示的示功仪载荷位移一体化校准装置中的牵引轮与副牵引轮的结构示意图；

图8为图1中C处的局部放大图；

图9为本发明提供的示功仪载荷位移一体化校准方法的示意图。

附图标号说明：

100、示功仪；10、支撑体；

20、滑块；21、牵引导轨；

30、竖向驱动机构；31、牵引轮；311、第一V形槽；32、副牵引轮；321、第 二V形槽；

33、钢丝绳；331、钢丝绳的第一端；332、钢丝绳的第二端；

34、上导向轮；35、下导向轮；36、牵引电机；

41、配重块；42、配重滑轮；43、配重绳；

50、位移测量机构；51、磁栅尺；52、磁头；

60、固定机构；61、固定底板；62、压板；63、压紧螺栓；

70、压力施加机构；71、电泵；72、液压缸；73、传力杆；74、缓冲罐；75、压 力测量传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

校准示功仪100时，对所要校准的物理参量，通常是分别采用相应的装置来进行校准，即不同的物理参量，通常需要不同的校准装置，例如，校准载荷时，使用载荷 产生装置生成较高精度的载荷真值；校准位移时，使用位移产生装置生成较高精度的 位移真值，分别将示功仪100采集到的值与之对比并进行处理实现校准。通常存在以 下不足：(1)无法模拟油田抽油机运动形式。传统的示功仪校准装置由于载荷、位移 的校准是分开进行，无法模拟油田生产周期中设备的运行情况；(2)校准载荷、位移 时，由于分别校准，导致两组数据时间轴不重合，没有耦合关系。

实施例一

本发明提供了一种示功仪载荷位移一体化校准装置，如图1、图2、图6和图8 所示，该校准装置包括：支撑体10、滑块20、竖向驱动机构30、位移测量机构50、 固定机构60、压力施加机构70和压力测量传感器75；滑块20可滑动地安装于支撑 体10；竖向驱动机构30与滑块20连接，能够驱动滑块20在支撑体10上沿竖直方 向移动；位移测量机构50安装于支撑体10，用于测量滑块20在支撑体10上沿竖直方向移动的位移量；固定机构60安装于滑块20，用于固定示功仪100；压力施加机 构70安装于滑块20，压力施加机构70能够对固定于固定机构60的示功仪100施加 压载；压力测量传感器75能测量压力施加机构70对示功仪100施加的压载。

使用该示功仪载荷位移一体化校准装置时，待校准的示功仪100可以通过固定机构60来固定于滑块20。竖向驱动机构30带动滑块20和示功仪100沿竖直方向移动， 该移动方式比较接近抽油机的运动方式；位移测量机构50测量滑块20与示功仪100 的位移量。与此同时，示功仪100测量位移量。

压力施加机构70对示功仪100施加载荷，压力测量传感器75测量载荷；与此同 时，示功仪100测量载荷。该示功仪载荷位移一体化校准装置可以实现在滑块20和 示功仪100沿竖直方向移动的同时，施加和测量载荷，这样可以更准确地模拟抽油机 的工况，保证位移、载荷数值在时间轴上的一致性，实现了载荷、位移的一体化高精 度标定，能更好地指导示功仪100进行校准，有助于了解位移与载荷数值之间的联系， 提高了校准效果，有利于提高示功仪100运行时的精度。

支撑体10为滑块20提供支撑。优选地，支撑体10为箱梁式结构。如图1所示， 支撑体10可以呈四棱锥状。在保证强度的情况下，支撑体10的四侧面开设有长方形 方孔，以减小支撑体10整体重量。在支撑体10的背面配有直爬梯。加工时，支撑体 10的毛坯作整体退火处理，防止使用过程中发生变形，影响精度。

如图2所示，支撑体10安装有沿竖直方向设置的牵引导轨21，滑块20安装于 牵引导轨21。优选地，支撑体10的正面并排安装有两个牵引导轨21，牵引导轨21 与滑块20的燕尾槽配合，形成垂直移动副。为了保障牵引导轨21的精度，支撑体10设有用于安装牵引导轨21的导轨安装面，导轨安装面采用一次装夹，整体铣削处 理，保证导轨安装面竖直方向直线度和两个导轨安装面的位置度。优选地，垂直方向 直线度小于或者等于0.25mm，两个导轨安装面位置度小于或者等于0.02mm，安装垂直精度小于或者等于1mm。

在本发明的一实施方式中，该示功仪载荷位移一体化校准装置包括上位机和PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)。示功仪100本身可检测出位 移数据和受到的压力数据，这些数据与该示功仪载荷位移一体化校准装置通过位移测 量机构50和压力测量传感器75实测得的位移数据和压力数据，一起上传给上位机进行存储和对比分析。再由上位机下发示功仪100的校准指令。上位机作为控制端以进 行复杂的逻辑运算，并对PLC回传数据进行处理和给予动作执行命令；PLC作为执 行端，进行数据采集，伺服驱动指令等操作。

在本发明的一实施方式中，位移测量机构50包括沿竖直方向固设于支撑体10 的磁栅尺51、和固设于滑块20的磁头52。采用磁栅尺51作为位移测量的器件，具 体地，如图2所示，磁栅尺51垂直固定于箱梁侧面，磁头52固定在滑块20上。随 着滑块20的移动，磁栅尺51产生密集正交脉冲，PLC记录这些脉冲，并据此计算出 滑块20的位置。通过磁栅尺51测量运动位移，精度可达到0.1mm。

通过固定机构60，将待校准的示功仪100固定到滑块20上。如图8所示，固定 机构60包括固定底板61、压板62和至少两个压紧螺栓63。示功仪100可以设于固定底板61与压板62之间，压紧螺栓63与固定底板61和压板62连接，能驱动压板 62向下靠近固定底板61，以将示功仪100夹紧。

压力施加机构70的结构不限于一种，例如：在一实施方式中，压力施加机构70 包括电动机和丝杠机构，电动机与丝杠机构连接，电动机驱动丝杠机构产生平移运动， 以对示功仪100施加推力；在另一实施方式中，压力施加机构70包括气缸，气缸的 活塞与示功仪100抵接，以产生推力。

发明人对压力施加机构70作了改进：如图8所示，压力施加机构70包括电泵 71和液压缸72，压力测量传感器75设于液压缸72的活塞杆的端部，电泵71与液压 缸72连接，能够驱动液压缸72的活塞杆移动。电泵71能够提供压力液，压力液流 入液压缸72，驱动液压缸72的活塞杆移动；活塞杆移动至压力测量传感器75与示 功仪100抵接，通过压力测量传感器75向示功仪100施加压载，同时压力测量传感 器75测量压载的大小。具体地，液压缸72的活塞杆连接有传力杆73，压力测量传 感器75设于传力杆73的端部。该压力施加机构70可以施加较大的压载，电泵71 包括电机和泵；优选地，电机为伺服电机，以便于控制，提高控制精度。

进一步地，压力施加机构70包括缓冲罐74，电泵71提供的压力液流经缓冲罐 74后，流向液压缸72。电泵71提供的压力液首先流入缓冲罐74中进行缓存，缓冲 罐74内的压力液流向液压缸72，这样可以使流入液压缸72中的压力液更加平稳， 使得液压缸72向示功仪100施加的压载更加平稳，有利于提高精度。

如图8所示，液压缸72设于固定机构60的上方，液压缸72的活塞杆对示功仪 100向下施加压载，这样可以更准确地模拟示功仪100在抽油机上的受到压载的工况。

竖向驱动机构30的结构形式可以有很多种，例如：竖向驱动机构30包括电动机 和丝杠机构，电动机与丝杠机构连接，滑块20与丝杠机构连接，电动机驱动丝杠机 构产生平移运动，带动滑块20一起运动。

在本发明的一实施方式中，如图2和图6所示，竖向驱动机构30包括牵引轮31、 牵引电机36、钢丝绳33、设于支撑体10的顶部的上导向轮34和设于支撑体10的底部的下导向轮35，如图3、图4、图6和图7所示，钢丝绳33缠绕于牵引轮31，钢 丝绳的第一端331经上导向轮34与滑块20固接，钢丝绳的第二端332经下导向轮 35与滑块20固接；牵引电机36与牵引轮31连接。牵引电机36可以正反转动，牵 引电机36驱动牵引轮31转动，可以通过上导向轮34和钢丝绳的第一端331来拉动 滑块20向上移动，或者通过下导向轮35和钢丝绳的第二端332来拉动滑块20向下移动，使滑块20在竖直方向上模拟抽油机的运动状态。

通过牵引轮31的正反转，来拉动钢丝绳的第一端331与钢丝绳33的第二运动。 进一步地，竖向驱动机构30还包括副牵引轮32，牵引电机36与牵引轮31连接，如 图7所示，钢丝绳33往复缠绕于牵引轮31和副牵引轮32，这样可以防止钢丝绳33 在牵引轮31上发生打滑，以保证滑块20运动的平稳性。牵引轮31和副牵引轮32 可以安装于支撑体10的底部。

更进一步地，如图7所示，牵引轮31设有多个第一V形槽311，副牵引轮32设 有多个第二V形槽321，钢丝绳33缠绕于第一V形槽311和第二V形槽321。通过 设置多个第一V形槽311和第二V形槽321，可以对钢丝绳33的缠绕动作起到导向 作用，阻止牵引过程中钢丝绳33沿轮的轴向移动，有利于保障钢丝顺畅地缠绕到牵 引轮31和副牵引轮32，提高滑块20运动的平稳性；并且，第一V形槽311可以增大钢丝绳33与牵引轮31之间的摩擦力，第二V形槽321可以增大钢丝绳33与副牵 引轮32之间的摩擦力，有利于防止牵引速度快速变化时钢丝绳33发生打滑。

在本发明的一实施方式中，该示功仪载荷位移一体化校准装置包括配重块41、 配重滑轮42和配重绳43，如图5所示，配重块41滑动连接于支撑体10，配重滑轮 42设于支撑体10的顶部；配重绳43绕设于配重滑轮42，配重绳43的第一端与滑块 20固接，配重绳43的第二端与配重块41固接。配重块41的重力可以与滑块20及 安装于滑块20的部件的总重力相平衡，这样可以使滑块20向上移动时与向下移动时， 牵引电机36的功率保持稳定，有利于竖向驱动机构30的稳定运行，实现降低动力扭 矩，节约能耗，减少了牵引轮31与钢丝绳33相对滑动。

为了减少自重，支撑体10设有空腔，牵引轮31、副牵引轮32、牵引电机36、 配重块41和配重滑轮42可以均设于该空腔内。具体地，该空腔的内壁安装有两个用于引导配重块41移动的配重导轨，配重导轨沿竖直方向设置，配重导轨与配重块41 的燕尾槽配合，形成垂直移动副。配重导轨通过研磨工艺处理，表面光洁度优选地为 ▽12。

本发明具有以下优点：

(1)示功仪100的载荷、位移参数的时间同步性。

传统的示功仪校准，对于载荷、位移分别采用不同的设备进行校准，无法保证位移、载荷数值在时间轴上的一致性，校准的仅仅是位移、载荷的数值，两者的关联性、 生产中运动形式对于误差的影响等因素无法模拟。

本发明提供的示功仪载荷位移一体化校准装置，实现载荷、位移一体化校准，能够实时得到载荷、位移的真值，可以同时对示功仪100的载荷与位移进行校准，指导 示功仪100进行校准；示功仪校准过程中，载荷、位移参数的时间一致性；用滑块 20机构实现载荷和位移加载的时间同步，对于示功仪校准甚至示功仪算法研究提供平台及测量真值。

(2)运动形式与油田生产过程的一致性。

本发明提供的示功仪载荷位移一体化校准装置模拟了油田抽油机在垂向的运动形式，更接近生产运行情况，运动形式与油田抽油机生产过程保持一致。可以通过上 位机系统，设置冲程、冲次、载荷、运动形式等参数，实现对油田生产不同工况的模 拟。

(3)在支撑体10结构划分的抽油机行程模拟范围内，量程连续可调；在压力施 加机构70最大载荷范围内，施加压力连续可调。

实施例二

本发明提供了一种示功仪载荷位移一体化校准方法，采用上述的示功仪载荷位移一体化校准装置，如图9所示，该示功仪载荷位移一体化校准方法包括：步骤S10，将示功仪100固定于固定机构60；步骤S20，竖向驱动机构30驱动滑块20移动，位 移测量机构50测量滑块20的位移量；步骤S30，压力施加机构70对示功仪100施加压载，压力测量传感器75测量压载；步骤S40，示功仪100测量位移量和压载； 步骤S20、步骤S30和步骤S40同步实施。

采用该示功仪载荷位移一体化校准方法，待校准的示功仪100可以通过固定机构60来固定于滑块20。竖向驱动机构30带动滑块20和示功仪100沿竖直方向移动， 该移动方式比较接近抽油机的运动方式；位移测量机构50测量滑块20与示功仪100 的位移量。与此同时，示功仪100测量位移量。

压力施加机构70对示功仪100施加载荷，压力测量传感器75测量载荷；与此同 时，示功仪100测量载荷。该示功仪载荷位移一体化校准方法可以实现在滑块20和 示功仪100沿竖直方向移动的同时，施加和测量载荷，这样可以更准确地模拟抽油机 的工况，保证位移、载荷数值在时间轴上的一致性，实现了载荷、位移的一体化高精 度标定，能更好地指导示功仪100进行校准，有助于了解位移与载荷数值之间的联系， 提高了校准效果。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种示功仪载荷位移一体化校准装置，其特征在于，包括：

支撑体；

滑块，其可滑动地安装于所述支撑体；

竖向驱动机构，所述竖向驱动机构与所述滑块连接，能够驱动所述滑块在所述支撑体上沿竖直方向移动；

位移测量机构，其安装于所述支撑体，用于测量所述滑块在所述支撑体上沿竖直方向移动的位移量；

用于固定示功仪的固定机构，其安装于所述滑块；

压力施加机构，其安装于所述滑块，所述压力施加机构能够对固定于所述固定机构的示功仪施加压载；

压力测量传感器，其能测量所述压力施加机构对所述示功仪施加的压载；

所述压力施加机构包括电泵和液压缸，所述压力测量传感器设于所述液压缸的活塞杆的端部，所述电泵与所述液压缸连接，能够驱动所述液压缸的活塞杆移动；

所述压力施加机构包括缓冲罐，所述电泵提供的压力液流经所述缓冲罐后，流向所述液压缸；

所述缓冲罐、所述电泵和所述液压缸安装于所述滑块；

所述竖向驱动机构包括牵引轮、牵引电机、钢丝绳、设于所述支撑体的顶部的上导向轮和设于所述支撑体的底部的下导向轮，所述钢丝绳缠绕于所述牵引轮，所述钢丝绳的第一端经所述上导向轮与所述滑块固接，所述钢丝绳的第二端经所述下导向轮与所述滑块固接；所述牵引电机与所述牵引轮连接；

所述竖向驱动机构还包括副牵引轮，所述钢丝绳往复缠绕于所述牵引轮和所述副牵引轮。

2.根据权利要求1所述的示功仪载荷位移一体化校准装置，其特征在于，所述液压缸设于所述固定机构的上方，所述液压缸的活塞杆对所述示功仪向下施加压载。

3.根据权利要求1所述的示功仪载荷位移一体化校准装置，其特征在于，所述牵引轮设有多个第一V形槽，所述副牵引轮设有多个第二V形槽，所述钢丝绳缠绕于所述第一V形槽和所述第二V形槽。

4.根据权利要求1所述的示功仪载荷位移一体化校准装置，其特征在于，所述示功仪载荷位移一体化校准装置包括配重块、配重滑轮和配重绳，所述配重块滑动连接于所述支撑体，所述配重滑轮设于所述支撑体的顶部；

所述配重绳绕设于所述配重滑轮，所述配重绳的第一端与所述滑块固接，所述配重绳的第二端与所述配重块固接。

5.根据权利要求1所述的示功仪载荷位移一体化校准装置，其特征在于，所述位移测量机构包括沿竖直方向固设于所述支撑体的磁栅尺、和固设于所述滑块的磁头。

6.根据权利要求1所述的示功仪载荷位移一体化校准装置，其特征在于，所述支撑体为箱梁式结构。

7.一种示功仪载荷位移一体化校准方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的示功仪载荷位移一体化校准装置，所述示功仪载荷位移一体化校准方法包括：

步骤S10，将示功仪固定于所述固定机构；

步骤S20，所述竖向驱动机构驱动所述滑块移动，所述位移测量机构测量所述滑块的位移量；

步骤S30，所述压力施加机构对所述示功仪施加压载，所述压力测量传感器测量压载；

步骤S40，所述示功仪测量位移量和压载；

所述步骤S20、所述步骤S30和所述步骤S40同步实施。