【正文】 ....................... 49 超聲波測距傳感器的標定 ................................................................ 51 攪拌器參數(shù)測量試驗研究 ........................................................................... 53 第六章 結(jié)論與展望 .................................................................................................... 57 結(jié)論 ............................................................................................................... 57 展望 ............................................................................................................... 57 致 謝 ........................................................................................................................ 60 參考文獻 ...................................................................................................................... 60 附錄 .............................................................................................................................. 63 附錄 1 超聲波測距模塊串口電路原理圖 ........................................................... 63 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果 .............................................................. 64 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 第一章 緒論 在石油工程鉆井中，鉆井液攪拌器在鉆井固控過程中發(fā)揮了 極其 重要的作用。而且在工業(yè)過程中起到很重要的作用，這就要求攪拌設(shè)備安全、可靠及易于維護。攪拌器向介質(zhì)輸入機械能量，介質(zhì)對攪拌葉片必然會產(chǎn)生相應(yīng)的流體作用。 鉆井液技術(shù)是鉆井系統(tǒng)工程中的一個重要組成部分。 鉆井液攪拌器在整個工作狀態(tài)下主要受力方面來自受泥漿反作用力的，對鉆井液密度起到調(diào)控的作用。鉆井液的密度必須符合地質(zhì)和工程的要求，密度過大有很大害處：損害油氣層；降低鉆井速度；過大壓差容易造成壓差卡鉆；容易引起過高的粘切； 容易憋漏地層； 多消耗鉆井液材料及功力；抗污染的能力下降。 本 題目 是 基于 大港油田固控設(shè)備工況參數(shù)系統(tǒng)研究課題 預(yù)研內(nèi)容 。但是由于各固控設(shè)備制造廠的設(shè)備性能和技術(shù)參數(shù)不統(tǒng)一，特別是近些年來引進的國外設(shè)備的性能缺乏基礎(chǔ)測試研究，導(dǎo)致目前固控設(shè)備的配套和使用存在一定程度的盲目 性，造成固控設(shè)備使用效果差、利用率低的現(xiàn)象。 攪拌混合設(shè)備是一種應(yīng)用范圍廣泛、品種繁多的流體機械，適用于油田化工、醫(yī)藥、冶金等多種領(lǐng)域。 [3]我國也逐漸生成出高性能的攪拌器，比如華北第一石油機械廠 ZJC 系列鉆井液攪拌器、青州市南張石油機械廠 NJ 型泥漿攪拌機、川中石油機械有限公司新型注漿攪拌器，但國內(nèi)對簡單機械鉆井液攪拌器的實時監(jiān)測系統(tǒng) 尚未 出現(xiàn) 在 市面 上 。 此外 近年來我國提出節(jié)約型社會，對攪拌器的實時工況研究可以減少能源損耗。 攪拌設(shè)備 的測量方法要基于準確、實時、不影響運行的原則，測量方案要使測量設(shè)備簡單，直接安裝在 攪拌軸且不影響攪拌設(shè)備的正常運行 ，獲取的數(shù)據(jù)準確，傳 輸方式便捷 的原則 。 上述工作為指導(dǎo)，設(shè)計出 鉆井液 攪拌器檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以準確的 檢 測 鉆井液 攪拌器 各分支結(jié)構(gòu)的運行，并對 攪拌器 各分支機構(gòu)的工作效率和安全性做出評價。 ， 通過整個檢測系統(tǒng) 發(fā)現(xiàn)和協(xié)調(diào) 攪拌容器中泥漿的密度差值反饋出泥漿密度， 鉆井液 攪拌器得到的泥漿密度和間接測量得到的密度進行實時比較，更能實時有效地檢測整個鉆井液的密度，對整個鉆井的安全運行起到了一定的作用。 由于 鉆井過程中對鉆井液的要求比較嚴格，任何環(huán)節(jié)都要配合整個鉆井的順利進行。 攪 拌器檢測系統(tǒng)的設(shè)計原則 （ 1） 安全性：針對 攪拌器運行現(xiàn)場的惡劣工作環(huán)境 的特殊因素，采用多學(xué)科領(lǐng)域安全環(huán)保技術(shù)，確保實驗條件與 現(xiàn)場 環(huán)境的 一致 性； （ 2） 可靠性：測控系統(tǒng)運行安全可靠，性能穩(wěn)定，可以在 鉆井高惡劣的環(huán)境 內(nèi)長期工作； （ 3） 通用性：在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮其應(yīng)用對象的共性，使裝置具有較強的通用性，可以在各種類型的 攪拌設(shè)備中 推廣應(yīng)用； （ 4） 擴展性：系統(tǒng)的設(shè)計考慮預(yù)留空間，滿足系統(tǒng) 日 后的擴充需要； （ 5） 經(jīng)濟性：系統(tǒng)的造價經(jīng)濟合理，性能價格比高； （ 6） 操作維護方便性：在 確保整個鉆井系統(tǒng) 安全 運行 前提下，兼 顧經(jīng)濟承受能力， 爭取 配套設(shè)備模塊化，合理降低使用 以 及維護成本，提高 整個設(shè)備的 經(jīng)濟效益。為了能夠?qū)崟r檢測攪拌器的性能， 所以提出攪拌器實時工況參數(shù)檢測系統(tǒng)。 它的受力來自鉆井液反作用力，所以鉆井液是影響攪拌軸受力的主要方面。 檢測攪拌軸的扭矩對整個檢測系統(tǒng)來說，是主要檢測方面，有了攪拌軸扭矩的實時變化，可以 總體把握鉆井液的泥漿密度。 （ 3） 鉆井液液位高度檢測功能 液位高度檢測能實時有效地檢查鉆井液的液位高度，可以 實時傳輸給 上位機 ，能夠檢測 鉆井液 的 液位高度 是否符合標準 ； 能夠 在 不影響 攪拌器 的 正常 工作下，總體把握鉆井液的狀態(tài) ； 能夠采集存儲數(shù)據(jù)，以備后面的數(shù)據(jù)的對比和參考 ,同時保證 檢測 數(shù)據(jù)的準確 性 。 圖 21攪拌器檢測系統(tǒng)框圖 電機 功率的測量 方案 （ 1） 影響攪拌功率的因素 在不同的攪拌過程中，不同的物性、不同的物料量在完成其攪拌過程中所需要的動力肯定不同，這就是由于工藝過程中的物性所決定的。例如在裝有同一物料的攪拌槽中，無界面時與有氣液界面或者自由表面時相比較，都會有不同值的消耗功率存在?，F(xiàn)在測量功率的方法很多 ，比如有機械功率表法和測量轉(zhuǎn)速求功率法。 根據(jù)牛頓阻力定律，可以求出攪拌器的功率關(guān)系。 所以檢測攪拌器電機功率最終轉(zhuǎn)化為檢測攪拌器的轉(zhuǎn)速來反映攪拌器電機功率的大小。同時，扭矩又可以分為靜態(tài)扭矩和動態(tài)扭矩。 隨著科技的進步，測量扭矩的方法很多。但這種方法有一定的局限性，它只能測量靜態(tài)扭矩，比如采用這種方法的扭矩測量案例中有：扭力扳手，靜態(tài)扭矩實驗測量 設(shè)備 等 。 根據(jù)磁彈性效應(yīng)的原理，可以制成各種不同類型的磁彈性扭矩傳感器。 這種扭矩傳感器設(shè)計的關(guān)鍵是磁彈性元件的選取和制造，磁彈性元件的磁致伸縮效應(yīng)越明顯，該傳感器的靈敏度就會越高。 測相位差測量扭矩 在轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器中， 激光式、磁電式和 振弦式 扭矩傳感器都是利用相位差來進行扭矩測量 ，轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器是基于材料力學(xué)中圓柱形彈性軸扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比例的關(guān)系來測量扭矩，可以用傳遞法求出。 在近些年中一些新型 光電轉(zhuǎn)角型 扭矩傳感器不斷的開發(fā)、研制出來。此外， 在扭矩測量發(fā)展過程中還出現(xiàn)了一些更加實用的新型傳感器，例如美國弗吉尼亞西蒙斯飛行器公司利用光纖技術(shù)研制出的光纖傳感器，可應(yīng)用于飛行器渦輪發(fā)動機扭矩 的測試；英國福特汽車鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 12 公司委托南安普大學(xué)機械工程系為其研制出的電容式扭矩測試儀，可以用來連續(xù)的監(jiān)測汽車發(fā)動機或者齒輪箱中傳動軸扭矩測試。 應(yīng)變型扭矩傳感器 應(yīng)變式扭矩傳感器是目前國內(nèi)使用較多的一種測量扭矩的傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，技術(shù)較成熟 。 綜合以上比較，由于 鉆井液 攪拌器屬于簡單機械結(jié)構(gòu)，而且在泥漿攪拌過程中始終處于比較惡劣的工作環(huán)境下，且對扭矩測量大小的精度要求不高 。 （ 2） 電子類液位傳感器 電子類液位測量的原理是把液位的實時變化轉(zhuǎn)換為電子參數(shù)的變化，然后利用測量電路將電參數(shù)測量出來，最終達到測量液位高度的目的。雷達液位傳感器的輸出信號是特殊的電磁波，其物理特性和可見光類似。此類傳感器結(jié)構(gòu)小，很適合用于玻璃柱、管道、圓筒容器等，但這種方法僅僅適合進行點測量，而不能用在液位的連續(xù)測量。超聲波測量精度雖然不是很高，但是它簡單實用，價格便宜。 旋轉(zhuǎn)機械在數(shù)據(jù)信號傳輸方面通常采用接觸式和非接觸式扭矩數(shù)據(jù)的傳輸。這種距離的通信主要使用 在 全球適用的 ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，ISM工業(yè)頻段在世界絕大部分國家都獲 取 了官方的使用許可，只需在許可的功率范圍之內(nèi)，通過相關(guān)的限制，都可自由使用，而無 需提出 使用 申請。 IrDA技術(shù) 設(shè)計 初期 時 ，運用 了 IrDA 標準的無線傳輸設(shè)備在 l米范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)僅能達到 kb/s的速率，但是該技術(shù)很快就發(fā)展到 4Mb/S 16Mb/S 的速率。 IrDA具有設(shè)備成本低廉 的優(yōu)勢 ，同樣無需申請頻率的使用權(quán)，通用性強， 功西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 15 耗低， 連接方便等 很多 優(yōu)點。但是 與其他技術(shù)相比較 在數(shù)據(jù)安全性方面要差一些，它的優(yōu)勢是電波的覆蓋范圍大， 傳輸 可 以達到100m 左右。 WiFi采用 的 波段是 ,是 現(xiàn)在 應(yīng)用 較 廣泛的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準。 Wi Fi 協(xié)議不斷發(fā)展 ,隨著新版本的相繼推出， WiFi的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。 ZigBee技術(shù) ZigBee技術(shù) 是一種 剛剛 新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與 WiFi技術(shù) 一樣屬于短距離無線通信技術(shù)。 利用 ZigBee技術(shù) 搭建的無線傳感器只需要很低的功耗，同時 也 可以以接力的方式 ,將數(shù)據(jù)通過無線電波從一個采集點 再 傳到另一個采集點，因此它們的通信效率 很 高。 ZigBee聯(lián)盟在安全層上做了 非常 多 的 工作，這樣 就可以保證基于 ZigBee的便攜設(shè)備的通信不會泄漏標識，同時利用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備遠距離傳輸 時 也不會被其它通信節(jié)點獲得。 藍牙技術(shù) Bluetooth藍牙技術(shù)，本質(zhì)上是一種低成本、短距離無線連接技術(shù)，藍牙技術(shù)是一種語音通訊 和 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_放性全球規(guī)范。藍牙技術(shù)解決了小型無線移動設(shè)備 之 間的互連問題。這些問題突出表現(xiàn) 在 傳輸距離太短、芯片大小 與 價格難以下調(diào)、信 息安全問題 和 抗干擾能力 較弱等等。 RF技術(shù)使用 的是 工業(yè)特定頻率中的頻率傳輸數(shù)據(jù)，這與前面介紹的 WLAN無線通信 使用 的 頻率 不同 。 RF技術(shù)開放性強 ， 廣泛用 在 工業(yè) 生產(chǎn)中， 可以選擇很多射頻芯片來完成工業(yè)測試中數(shù)據(jù)無線傳輸，且開發(fā)相對簡單，易于實現(xiàn)。 另外， WiFi技術(shù)和ZigBee技術(shù)的傳輸距離雖然 能夠滿足要求， 但它們的接口方式 、 通訊協(xié)議 及 硬件設(shè)計都 很 復(fù)雜，開發(fā)周期長、應(yīng)用成本高，這些因素使上述技術(shù)都不適合在 鉆井液 測試系統(tǒng)中應(yīng)用。 圖 31攪拌器測試系統(tǒng)硬件設(shè)計圖 扭矩測量 傳感器的設(shè)計 電阻應(yīng)變片的工作原理 攪拌器轉(zhuǎn)動軸在電機的作用 下 ，轉(zhuǎn)動軸 首先會發(fā)生彈性變形， 通過傳感器來測量變形的大小 ， 即所謂的轉(zhuǎn)動軸扭矩大 小。 若一根長為 L、橫截面積為 A、電阻率為 ? 的金屬電阻絲，在其未受 外 力 作用 時，原始電阻為 LR A?? （ 31） 式中 R —— 金屬絲的原始電阻（ ? ）； ? —— 金屬絲的電阻率（ Ω178。 將式（ 36）、（ 37）帶入式（ 33）整理后得 (1 2 )dR ER ? ? ?? ? ? （ 37） 式中 dRR —— 電阻相對變化量； ? —— 為金屬絲材料的泊松比。顯然， 0K 越大，單位應(yīng)變引起的電阻相對變化 就 越大，即越靈敏。另外，它還應(yīng)有良好的絕緣、抗潮和耐熱性能。常用的應(yīng)變測量電路有三種，即惠斯登電橋、雙恒流源電路和電位計。常見的直流電橋測量線路見圖 34所示。當測試時應(yīng)變片受力應(yīng)變，電阻值變化，電橋輸出變化。測試前 R1=R2=R3=R4=R0 ,假設(shè)，測試 時應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?? 。 本文采用直流測量電橋，綜合考慮電橋形式的影響，選擇 全橋 電路測量 轉(zhuǎn)動軸扭矩西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 23 應(yīng)變信號。所以 我們在攪拌器轉(zhuǎn)動軸上粘貼 4個應(yīng)變片組成全橋電路 的同時應(yīng)該保證在轉(zhuǎn)動軸177。當轉(zhuǎn)動軸受到電機扭力影響產(chǎn)生微小變形后，軸上的應(yīng)變片組成的應(yīng)變橋阻值發(fā)生相應(yīng)改變，阻值的改變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變橋輸出電壓的變化，由 應(yīng)變橋輸出的電壓很小，所以要經(jīng)過預(yù)處理電路放大和濾波電路后，方可輸出扭矩電