【正文】 攪拌器真實輸出功率 的測量方法要基于準確、實時、不影響運行的原則 下 ，測量方案要使測量設(shè)備簡單，測量系統(tǒng)安裝調(diào)試 方便 ，開發(fā)成本低，同時獲取的數(shù)據(jù)準確，傳輸方式便捷，不影響 攪拌設(shè)備 的運行。但 由于攪拌過程中環(huán)境以及力的復(fù)雜性，理論計算的結(jié)果可靠 性有限 。 攪拌器作為固控設(shè)備之中的配套設(shè)備，在整個固控過程中也起到了很大的輔助作用。 [2]鉆井液密度在整個鉆井過程中是不可忽視的部分，然 而 攪拌器的工況參數(shù)可以間接反應(yīng)出鉆井液密度，所以研究 鉆井液 攪拌器的工況參數(shù)是有實際價值。 鉆井液 攪拌器 工作正常與否對整個鉆井液系統(tǒng)的影響很大， 可以 保持鉆井液的 均勻性并使固相顆粒懸浮 。攪拌過程是在流場中進行動力傳遞或者是包括熱量、質(zhì)量等的傳遞過程。ultrasonic distance。 論文在歸納分析 了攪拌器測試方法 ，分別從硬件和軟件兩個方面 進行研究。詳細闡述了無線應(yīng)變傳感器及測試系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)過程。 wireless strain sensor。攪拌器是 向 介質(zhì)輸入機械能量，使其形成適宜 流場 的 器件。 攪拌器 主要用于鉆井液的攪拌混合，以防鉆井液固相顆粒在其罐式循環(huán)系統(tǒng)中沉積，使循環(huán)鉆井液性能穩(wěn)定，混合均 勻，且使鉆井液密度適合鉆井要求，從而能使鉆井液正常循環(huán)。 隨著鉆井工程的日益完善以及對安全性能的要求越來越高，鉆井液在鉆井中必不可少，為使鉆 井液工作正常，在鉆井過程中對 鉆井液 攪拌器工況參數(shù)的檢測必不可少。 但對固控設(shè)備之中的攪拌器研究的投入 不足 ，鉆井液 攪拌器的使用過程中對其性能參數(shù)的測試 較少 ，從而減少了其使用壽命和工作效率。國內(nèi)外生產(chǎn)攪拌器的廠家比較多，對其理論數(shù)據(jù)的驗證只能通過實驗計算來核實，特別是對石油工況下攪 拌器的參數(shù)研究少之甚少。最后 研究攪拌軸的扭矩與攪拌器輸出功 率之間的關(guān)系、扭矩與鉆井液 密度之間的關(guān)系，通過研究二者之間的關(guān)系，得到攪拌器的工況效率。 西南石油大學碩士研究生學位論文 5 第二章 總體方案設(shè)計 攪拌器工況參數(shù)檢測 是為了在 高惡劣、機械振動劇烈的工作環(huán)境下對攪拌器的工作情況進行實時 檢 測 ， 從而使整個鉆井過程能夠正常運行。 表 21鉆井液攪拌器出廠的主要性能參數(shù) 產(chǎn)品 型號 排量（ L/min） 葉輪轉(zhuǎn)速 （ r/min） 泥漿密度 （ g/cm3） 配套功率 （ kW） 質(zhì)量 (Kg) 11610 330 16120 80 340 NJ11 23200 71 11 540 NJ15 31400 71 15 550 攪拌器檢測系統(tǒng)的設(shè)計 功能 在實際鉆井過程中鉆井液是循環(huán)使用的，隨著鉆井液在固控設(shè)備中的流動，攪拌器中鉆井液的變化，攪拌器功率、攪拌軸扭矩、攪拌器的轉(zhuǎn)速也隨之變化。 通過檢測各個鉆井液攪拌器的扭矩后，縱向比較各個攪拌軸的扭矩變化，從而可以反映整個鉆井液的密度變化。 攪拌器檢測 系統(tǒng)框圖 如 圖 21 所示 。功率大小，除理論計算外，很多時候還需要進行實際的測量。 2DA? （ 2— 3） 將 式（ 22）、（ 23） 帶入（ 21）得到作用力 Fw 42 DNFw ???? （ 2— 4） 假設(shè)力作用點距離攪拌軸中心的距離與攪拌槳 直徑 D 成正例，由此可以得到攪拌器的功率為： 532 DNNMP ?????? ?? (2— 5) 鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 10 則用無因次的功率準數(shù) Np 來表示攪拌器的功率特性，得到 53 DNNP P ???? ? (2— 6) 式中： P— 功率， W； Np— 功率準數(shù)； ?— 流體密度， kg/ 3m ； N— 攪拌器的轉(zhuǎn)速， sr ； D— 攪拌漿的直徑， m； 由以上公式知道，攪拌器的功率與攪拌器的轉(zhuǎn)速是有 直接 關(guān)系 ，測得攪拌器的轉(zhuǎn)速從而就可以得到攪拌器的消耗功率。 測量攪拌軸扭矩是本檢測系統(tǒng)中很重要的環(huán)節(jié)，只有得到攪拌軸的實時扭矩才可以實時檢測整個攪拌器系統(tǒng)。 如果將鐵磁材料的軸放在磁場中并且對它施加扭矩，鐵磁材料的磁化強度的變化將表現(xiàn)在磁導率的變化上，從而如果測量出這一變化，就可以得知對應(yīng)的扭矩信號。 [13]此類傳感器實際測得的是磁致伸縮層材料應(yīng)力，如何將其轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動軸本省的應(yīng)力或者扭矩值還需要相當大的一部分工作，同時這種傳感器致命之處受到外界電磁干擾影響極大，對屏蔽電磁輻射的要求很高，所以它不能在惡劣的環(huán)境下長期工作。其工作原理是利用被反射的 SAW 相速度在應(yīng)變前后產(chǎn)生的變化，從而間接測量扭矩的大小。 由于應(yīng)變式扭矩傳感器是通過電阻變化來反映軸的扭矩大小的變化，所以可以用于多種工作環(huán)境中，亦可以用于高惡劣的工作環(huán)境中，但通過應(yīng)變片測量扭矩大小的精確度不是很高，不適合應(yīng)用于對扭矩測量數(shù)據(jù) 要求比較精確的測試中。 （ 3） 雷達液位傳感器 雷達傳感器是利用發(fā)射、反射和接收的原理來測量液位高度，屬于非接觸測量，因此較多用于有毒、有害的惡劣工作環(huán)境中。超聲波液位傳感器是由超聲換能器發(fā)射的超聲 波 脈沖 經(jīng)被測物質(zhì)反射后，由超聲波接收裝置檢測超聲波，測量該次超聲脈沖 往返時間，就可以得到被測液面到超聲波發(fā)射端的距離，從而可以得到液位高度。短距離無線通信 技術(shù) 是指有效輻射功率（ EIRP）≤ 10mW， 而通信距離通常在幾十米到幾百米范圍之內(nèi)的無線通信技術(shù)。紅外連接的簡易性使它 更 能適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)，而且傳輸速率高。雖然 WiFi的連接不受墻壁阻隔，但是由于障礙物的影響 ,有效傳輸距離 與戶外傳輸相比較會減少 。據(jù)最近國際消費電子產(chǎn)品調(diào)查分析 ,從 WiFi技術(shù)的 快速 發(fā)展趨勢 來 判斷，新版本 被大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商使用。 IEEE僅 用于 處理低級 MAC層兼有物理層協(xié)議，對此 ZigBee聯(lián)盟對 它們的 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API進行了標準化。通信協(xié)議和堆棧開發(fā)難度 很 高，開發(fā)復(fù)雜。 射頻技術(shù) 射頻 Radio Frequency技術(shù)，簡稱 RF技術(shù)是一種新型無線通信技術(shù)，應(yīng)用范圍很 廣泛 , RF技術(shù) 是 利用電磁波為載波來傳輸數(shù)據(jù)。 加上信號衰減 及其干擾 的影響，藍牙的 通訊 距離會小于 100米，而 IrDA通訊 距離更 小 ， 藍牙 和 IrDA通訊技術(shù)的傳輸距離較短，都無法滿足 鉆井液攪拌器 測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸距離的要求。所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導體 如 電阻絲的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生 變化 的一種物理現(xiàn)象。 也就是單位應(yīng)變的電阻變化率。通常這種電阻的 變化 很小 ，將應(yīng)變片的電阻變化的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成易于放大的電信號，必須采用特定的測量電路，將多片應(yīng)變片接成應(yīng)變量測線路。 下面進行測量原理的分析，首先計算流經(jīng) R1的電流 I1 ， 1 12ACUI RR? ? （ 39） 則 AB間的電壓， 11112AB ACRU I R URR?? ? （ 310） 同理， AD間的電壓， 334AD ACRUURR? ? （ 311） 現(xiàn)在可以計算出電橋輸出電壓為 3 1 4 2 3101 2 3 4 1 2 3 4() ( ) ( )A B A D A C A CR R R R RRU U U U UR R R R R R R R?? ? ? ? ?? ? ? ? （ 312） 如果假設(shè)測試時電橋 4個電阻橋臂的增量依次為△ R△ R△ R△ R4,將增量帶 入式（ 312）則電橋的輸出電壓為 ACURRRRRRRR RRRRRRRRUU ))(( ))(())(( 44332211 3322441100 ?????????? ???????????? （ 313） 通常在測試前，需要先將電橋調(diào)零，即 U0=0無輸出。從溫度補償消除誤差來看，在單臂和半橋電路中，溫度補償?shù)男Ч靡恍硗?，半橋和全橋電橋采用差動方式測應(yīng)變，消除了非線性誤差，可以降低了一些干擾的影響。 由于所選應(yīng)變傳感器附加在軸上的質(zhì)量很小，不會引起電機負荷過大造成影響，并且消除了攪拌器在正常工作過程中受軸徑向力所受彎曲力的干擾。如圖 36所示。 雖然選擇了全橋電路測量扭矩， 但我們應(yīng)該知道如何粘貼應(yīng)變 片及如何放置四個應(yīng)變片才能正確測量出來扭矩， 經(jīng)過驗證應(yīng)變片應(yīng)該保證與轉(zhuǎn)動軸成 177。 因為式子中 RR? 其實 很小，關(guān)于 RR? 的二次項可以略去，得 ACURRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRU)()(1)()(442221233112``44332211221210 ???????????????????? （ 314） 為了使式子簡化 ,在應(yīng)變設(shè)計中通常使 R1=R2和 R3=R4,則式 (314)簡化為 31 2 41 2 3 4031 2 41 2 3 4()14 [ 1 ( ) ]2ACRR R RU R R R RURR R RR R R R?? ? ?? ? ??? ?? ? ?? ? ? ? （ 315） 又因為 31 2 41 2 3 4RR R RR R R R?? ? ?? ? ?很小，對分母不起影響 ,可得到電阻變化與輸出電壓增量近似線性關(guān)系 鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 22 31 2 40 1 2 3 4()4ACURR R RU R R R R?? ? ?? ? ? ? ? （ 316） 通常 ,各臂貼涂的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均相等 ,設(shè)為 K1，各臂應(yīng)變片的應(yīng)變量依次為1? ， 2? 、 3? 和 4? ，這時 1111R KR ?? ?、 1111R KR ?? ?、 1111R KR ?? ?、 1111R KR ?? ? 將其代入（ 316）可得到被測應(yīng)變與電橋輸出電壓的關(guān)系 10 1 2 3 4()4ACUKU ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 317） 式（ 317）表明了測量 電橋的加減特性。其中惠斯登電橋因為測量靈敏度 較 高，線性好，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)溫度補償， 測量的 范圍寬等優(yōu)點，在電阻應(yīng) 變測量領(lǐng)域中得到了 很 廣泛 的應(yīng)用。電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)一般是由敏感柵、黏合劑、 基底、 引線、蓋層等組成，其鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 20 結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。ｍ ）； L —— 金屬絲的長度（ m ）； 測試傳感器 信 號 變送電路 數(shù) 據(jù) 發(fā)射電路 電源電路 數(shù) 據(jù) 接收電路 主機 電源電路 西南石油大學碩士研究生學位論文 19 A —— 金屬絲的橫截面積（ 2m ）， 2Ar?? ， r 為金屬絲的半徑。 而 射頻（ RF）通訊技術(shù)易于開發(fā)，傳輸距離遠，技術(shù)成熟，它為無線短距離通信提供了經(jīng)濟、實用 、簡單 、低成本的解決方案 ， 有很多成功的工業(yè)開發(fā)案例，都是利用成熟 的 射頻通訊模塊來實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的無線傳輸 。 RF技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品既可 以 工作 在 特許頻帶 (18～ 19GHz)，也可以在降低功率的情況下工作 在 ISM頻段 (工業(yè) /科學 /醫(yī)學頻段 )。由于協(xié)議 具有 廣泛性 ,它的硬件市場非常 的 廣闊，可以涵蓋無線局域網(wǎng)絡(luò)中的各類數(shù)據(jù)及硬件設(shè)備（如耳麥、計算機、鍵盤、 移動電話、 小型個人數(shù)字助理（ PDA）等）。 ZigBee完全協(xié)議 可 用于控制一次可直接連接到設(shè)備一個基本節(jié)點 4K字節(jié) ,針對 HUB、路由器的協(xié)調(diào)器的 32K字節(jié)。它具有短距離、低功耗 、低速率 的特點， ZigBee是一種介于藍牙和無線標記技術(shù)之間的 無線通信 技術(shù)。 WiFi技術(shù)最大優(yōu)點是可將 WiFi同 Java 的 Web 服務(wù)或基于 XML（ 可擴展標記語言 ）融合起來，這樣通信公司就不用 花 費大量資金來進行通信布線 的 接入， 在 很大程度上 減少企業(yè)的 項目 成本。但是它 只是一種視距傳輸，而且中間不能 有 其它物體阻隔，相互通信設(shè)備之間必須 要人工 對 準 。 目前 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)使用較