CN1553161A - 泵杆扭力传感装置 - Google Patents

Abstract

一种泵杆扭力传感装置，包括贴片轴、应变计、夹套、电池容置部、检测电路及天线；所述贴片轴为外侧沿轴向开设有槽的轴；所述应变计贴设在贴片轴外侧表面；所述夹套围设在贴片轴除槽以外的表面，并将应变计包覆在该夹套与贴片轴之间；所述夹套还延伸出一腔体，该腔体上连设电池容置部；所述检测电路设置在腔体内，其信号输入端与应变计连接，信号输出端与设置在腔体内并向外延伸的天线连接，该检测电路的电源输入端与电池容置部的电源输出端电气连接。本发明能够方便的安装在油井螺杆泵的泵杆上，对泵杆所受到的扭力及其扭力的变化进行准确的测量，并将扭力信号以电信号的形式通过发射电路传输到信号处理装置，从而实现工作现场的实时数据采集。

Description

泵杆扭力传感装置

技术领域

本发明涉及一种扭力传感装置，尤其是一种通过对采油螺杆泵的泵杆所受扭力进行感应测量，进而获取油井地层状况、采油设备工作状况参数的测量传感装置。属于石油开采技术领域。

背景技术

在石油开采工作中，需要经常性的对油井的产出状况、地层状况、采油设备能力及工作效率进行监测，从而对油井的生产能力及生产能力的变化(包括增产、减产、停产以及故障)原因进行科学判断，保证油井的生产、设备的运转处于良好状态。

目前，大部分油田都采用了螺杆泵采油方式，而对于油井内部状况的判断，往往是根据螺杆泵自身显示出的运行参数(如电压、电流、转速等)以及油井的产出质量、杂质成分、含量等参数进行间接判断，当油井生产过程中发生诸如减产或停产等事故时，准确判断事故的原因成为非常重要工作，而依据上述方式获得的技术参数进行事故原因判断往往具有很大的局限性或片面性。

为解决这一问题，需要获得更加直接的、能够表明油井情况内部变化的参数，而通过油井内部参数的获得可以为科学判断提供更多的新途径。也就是说，从一个事件了解到更多的信息侧面，反映出更多的内在联系。

在实际生产过程中发现，油井内部的多种状况变化会集中体现在螺杆泵泵杆所受扭力力矩的数值变化上，通过对泵杆扭力数值变化的测量采集再结合其他设备参数、产出数据等进行综合判断，就能够比较容易的找到各种事故的发生原因。

螺杆泵上裸露在外，可以被直接接触的部分只有螺杆泵上部的泵杆部分，这一部分恰是最大扭力载荷集中的位置。

过去，对螺杆泵所受扭力的测量是从泵杆的顶端套入测量装置，并使测量装置沿泵杆移至驱动部件上方的测量位置。由于测量装置紧贴在泵杆上，所以，当泵杆较长或者弯曲或者泵杆过短时，套装测量装置具有较大的困难，不利于扭力的测量。

另外，在测量中，如果采用接触式测量，考虑到传感器工作所需的电源引入及测量信号的传输，需要对各种导线进行可靠固定及改造现场的的配电系统等问题，使泵杆扭力的测量存在着较多的安全隐患。所以，有效的解决上述问题，是完成泵杆扭力测量的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对上述对泵杆扭力进行测量的困难提供一种泵杆扭力传感装置，通过该装置可以在工作现场对运行中的螺杆泵所受扭力的参数进行测量，该装置安装简便、可靠，无须更改现场的配电系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种泵杆扭力传感装置，包括贴片轴、应变计、夹套、电池容置部、检测电路及天线。

贴片轴是一个外侧沿轴向开设有槽的轴，该槽内部可容纳被检测泵杆，而且槽的宽度尺寸与被检测泵杆的直径相匹配设置。

应变计贴设在贴片轴外侧表面。夹套围设在贴片轴除槽以外的表面，并将应变计包覆在该夹套与贴片轴之间。

为安装检测电路，夹套还延伸出一腔体，该腔体上连设电池容置部，用于为检测电路提供电力能源。

检测电路的信号输入端与应变计连接，信号输出端与设置在腔体内并向外延伸的天线连接，该检测电路的电源输入端与电池容置部的电源输出端电气连接。

在进行泵杆扭力检测时，贴片轴的槽卡在泵杆表面，外部驱动装置卡固贴片轴并驱动，贴片轴受到来自泵杆阻力而产生扭力变形，应变计随之变形产生电信号，该信号经检测电路的放大、转换及发射，完成扭力信号的测量。

在上述方案中，为使贴片轴牢固的卡设在泵杆上并利于驱动头对其驱动，在贴片轴外侧两端还开设有平台。

贴片轴表面设置的应变计优选为4个，并均匀分布贴设在贴片轴外侧中部。应变计相互连接组成桥式电路。

用于安装电池的电池容置部可以通过多种形式设置，它可以是与上述腔体一体连设的电池容置槽或者是由设置在腔体表面，具有机械连接部件、电气连接触点的连接口，该连接口用于接设外部电池盒或者连接本身具有匹配的机械连接部件、电气连接触点的电池。

夹套内的检测电路包括电源电路、信号检测转换模块、隔离模块、发射模块；所述电源电路的输出端与信号检测转换模块、隔离模块及发射模块的电源端连接；所述信号检测转换模块的信号端与应变计的输出端连接，其输出端与隔离模块的输入端连接；隔离模块的输出端与发射模块的输入端连接；所述信号检测转换模块将应变计的电压信号进行放大并转换为频率信号再经过隔离模块传送至发射模块；发射模块对该频率信号进行调制并通过天线发射。

由上述技术方案可知，本发明能够方便地卡设在位于螺杆泵驱动头上方的泵杆上。通过将驱动头与该扭力传感装置的连接，使其在驱动头的驱动下带动泵杆转动。

由于泵杆受到来自油井、地层及设备本身的反向扭力，该扭力造成扭力传感装置中贴片轴的变形，进而使贴设在贴片轴中的应变计产生变形。

当扭力发生变化时，应变计所产生的电信号也随之发生变化，该电信号的变化幅度与应变计的变形量具有对应的函数关系，因此，泵杆扭力传感装置可将变化的电信号进行转换处理后通过发射电路进行信号发射，从而实现工作现场的实时数据采集，为工程技术人员对油井的状况、设备运行状况以及各种事故原因的了解与判断提供更加完善、直接的现场依据。

附图说明

图1为本发明所涉及泵杆扭力传感装置的一个具体实施例示意图；

图2为图1所示实施例的剖视图；

图3为图1所示实施例中应变计贴设位置示意图；

图4为图1所示实施例中应变计的连接线路图；

图5为图1所示实施例的另一种电池安装示意图；

图6为图1所示实施例的检测电路原理图；

具体实施方式

以下，通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1所示为本发明所涉及的泵杆扭力传感装置的一个具体实施例示意图。图中，贴片轴1是一个外侧沿轴向开设有槽12的轴，该槽12内部可容纳被检测泵杆，而且槽12的宽度尺寸与被检测泵杆的直径相匹配设置。

在贴片轴1的外侧围设有夹套2以及由该夹套2延伸出的用于容置检测电路的腔体26。夹套2通过螺栓21被固设在贴片轴1上。

腔体26的内部安装有用于发射信号的拉杆天线22。电源开关24安装在腔体26的表面，通过操作该开关24，可以启动或关闭内部的检测电路。腔体26的侧面安装的指示灯25用于显示检测电路的工作状态。

贴片轴1的两端部还分别开设有两个凹陷平面13(图中示出3个凹陷平台)。通过该凹陷平台13，可以将贴片轴1卡固在螺杆泵的泵杆上，并且驱动部件可以通过对凹陷平面13的卡固，驱动贴片轴1从而带动泵杆转动。

图2所示为上述泵杆扭力传感装置的剖视图。检测电路4被固定安装在腔体26内，其信号输出端与图1中的拉杆天线22连接。

本实施例的电池容置部为与腔体26一体连设的电池容置腔5，该电池容置腔5中设有与检测电路4的电源端连接的电源触点52，电池51被设置在该电池容置腔5中，通过电源触点52为检测电路4供电。在腔体26的上面装设有用于对电池容置腔5进行封闭的盖板231，开启盖板231后可以装入或更换为检测电路供电的电池51。装入电池51后，将盖板231合上，并用螺钉23固定。从图中还可以看到两个贴设在贴片轴1外侧中部的应变计3。

图3所示为本实施例应变计的贴设位置示意图。本实施例中共有四个应变计，分别为应变计31、应变计32、应变计33及应变计34。四个应变计对称分布贴设在贴片轴1的外侧中部，能够精确的感应出贴片轴1的形变。

每个应变计相当于两个并排设置的可变电阻。如图4所示，应变计31相当于电阻R1、电阻R2并排设置；应变计32相当于电阻R3、电阻R4并排设置；应变计33相当于电阻R5、电阻R6并排设置；应变计34相当于电阻R7、电阻R8并排设置。电阻的两端线相互连接组成图中所示的桥式电路，当应变计发生变形时，组成该桥式电路的各电阻值发生相应变化，从而表现为该桥式电路的电压信号的电压值发生变动，由此产生了电压变化信号。

本实施例中，电池容置部还可以采用另一种设置方式，如图5所示。图中，电池容置部为与腔体26通过机械连接口、电气连接口连接的电池盒6。机械连接口是滑槽连接口7，该滑槽连接口7具有燕尾槽71；电气连接口是电气连接触点53，该连接触点53固定设置在滑槽连接口7的表面并与腔体26内部设置的检测电路4的电源端连接。电池盒6的背面设有燕尾型凸起61，该燕尾型凸起61与燕尾槽71配套设置，使燕尾型凸起61能够滑入燕尾槽71中。燕尾型凸起61与滑槽连接口7表面所设置的连接触点53的对应处还设置有电源输出触点(图中未示出)。在电池盒6的燕尾型凸起61沿滑槽连接口7的燕尾槽71滑入而实现夹套2与电池盒6机械连接的同时，燕尾型凸起61上的电源输出触点与连接触点53实现电气连接，使电池盒6中的电池能够为检测电路4供电。

在使用中，将电池盒6正面上的盖62打开(依照图中箭头64的方向，推动扳手63)，就可以向该电池盒6中装入电池或更换电池。

图6为上述实施例中所述的检测电路4的电路原理图。图中示出的由4个电阻R所组成的桥式电路是图4所示应变计相互连接电路的等效电路。该桥式电路由两个补偿电阻R10为其提供工作电压。桥式电路的电压信号输出端连接到运算放大器U3的输入端，放大后的直流信号被由U4组成的频率转换电路转变为频率信号并通过隔离电路U7传送到发射模块，该发射模块是由IC片U8组成的调制发射线路所组成，被调制的频率信号由天线进行发射。

电池BATTERY通过稳压模块LM2940，经过滤波处理、隔离变换后连接到检测电路的电源输入端，为应变计、运算放大器、频率转换电路、隔离模块及发射模块提供能源。

上述实施例做为螺杆泵的泵杆扭力传感装置，能够在工作现场被安装在泵杆上，并将所受到的扭力信号转换为电流变化频率信号进行高频无线发射。在采集这一扭力信号时，可以通过外部信号接受处理装置对该高频无线电信号进行接收，并对所接收的信号进行转换处理，将测量结果显示或打印或远距离发送。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种泵杆扭力传感装置，其特征在于：它包括贴片轴、应变计、夹套、电池容置部、检测电路及天线；所述贴片轴为外侧沿轴向开设有槽的轴，该槽可容纳泵杆且槽的宽度尺寸与泵杆直径相匹配；所述应变计贴设在贴片轴外侧表面；所述夹套围设在贴片轴除槽以外的表面，并将应变计包覆在该夹套与贴片轴之间；所述夹套还延伸出一腔体，该腔体上连设用于安装电池的电池容置部；所述检测电路设置在腔体内，其信号输入端与应变计连接，信号输出端与设置在腔体内并向外延伸的天线连接，该检测电路的电源输入端与电池容置部的电源输出端电气连接；检测时，所述的槽卡在泵杆表面，外部驱动装置卡固贴片轴并驱动，贴片轴受到扭力变形，应变计随之变形产生电信号，检测电路对电信号进行转换并发射。

2、根据权利要求1所述的泵杆扭力传感装置，其特征在于：所述的贴片轴外侧还设有供外部驱动装置对其卡固的平面。

3、根据权利要求2所述的泵杆扭力传感装置，其特征在于：所述的平面开设在贴片轴的任意端。

4、根据权利要求3所述的泵杆扭力传感装置，其特征在于：所述的平面优选为4个，且两两设置在贴片轴的两端。

5、根据权利要求1所述的泵杆扭力传感装置，其特征在于：所述的应变计为一个以上，并均匀分布贴设在贴片轴外侧，用于精确测量。

6、根据权利要求5所述的泵杆扭力传感装置，其特征在于：所述的应变计优选为4个，对称贴设在贴片轴外侧中部，并相互连接组成桥式电路。

7、根据权利要求1或2或5所述的泵杆扭力传感装置，其特征在于：所述的电池容置部是与所述腔体一体连设的用于装设电池的容置槽。

8、根据权利要求1或2或5所述的泵杆扭力传感装置，其特征在于：所述的电池容置部是由设置在腔体表面，具有机械连接部件、电气连接触点的连接口，该连接口用于接设外部电池盒或电池；所述电气连接触点与所述检测电路的电源端连接。

9、根据权利要求1所述的泵杆扭力传感装置，其特征在于：所述的检测电路包括电源电路、信号检测转换模块、隔离模块、发射模块；所述电源电路的输出端与信号检测转换模块、隔离模块及发射模块的电源端连接；所述信号检测转换模块的信号输入端端与所述应变计连接，其输出信号经过隔离模块传送到发射模块，并通过发射模块发射；所述信号检测转换模块将应变计的电压信号进行放大并转换为频率信号再经过隔离模块传送至发射模块；发射模块对该频率信号进行调制并通过天线发射。

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