【正文】 01ACU U K ??? （ 320） 由以上電橋輸出電壓的增量△ U公式可以看出，從電橋靈敏度來看，半橋電橋比單臂電橋靈敏度高一倍，全橋的電橋靈敏度最高，又比半橋的靈敏度提高一倍。 橋臂上的 4個(gè)電阻R1=R2=R3=R4=R,應(yīng)變電橋的電阻變化量分別為△ R△ R△ R△ R4，所以輸出電壓U○ 為： )(4U 4 43 32 21 10 RRRRRRRRKU ???????? （ 321） 公式中： K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)； U為應(yīng)變?nèi)珮螂娐返墓╇婋妷?。電橋的加減特性使測(cè)量電橋可以根據(jù)不同 的測(cè)量需求來設(shè)計(jì)單臂、半橋、全橋等測(cè)量方式。敏感柵為應(yīng)變片的敏感元件，通常用高電阻率金屬細(xì)絲制 做而 成，直徑 一般在 ~ 之間 ，并用黏合劑將其固定在基底上。 在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，論文研究中最后選用了射頻通訊技術(shù) 。藍(lán)牙技術(shù)主要面向可移動(dòng)設(shè)備 之 間短距離 的 連接，在本質(zhì)上可以說它是一種 可以代替電纜的技術(shù)。推出之初，它被 人們 稱 為 FireFly或HomeRF Lite無線技術(shù)，目的 是 用于近距離無線連接。 在復(fù)雜的工況現(xiàn)場(chǎng)，很容易出現(xiàn)誤碼傳輸。所以采用超聲波液位傳感器進(jìn)行泥漿液位測(cè)量。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 13 鉆井液液位高度的測(cè)量方案 目前 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐中采用的液位測(cè)量方法很多，主要有 機(jī)械浮子、電子、雷達(dá)、熱學(xué)式、 超聲波這幾類液位傳感器 ： （ 1） 機(jī)械浮子類液位計(jì) 機(jī)械浮子液位計(jì)測(cè)量原理是利用傳動(dòng)裝置把于液位等高度的浮子高度信息轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào)或者連續(xù)信號(hào)，這樣就可以間接得到液位高度。這些變化的物理參數(shù)可以是軸承的應(yīng)變、應(yīng)力和變形。 測(cè)反作用力測(cè) 量 扭矩 測(cè)反作用力測(cè)量 扭矩是通過測(cè)量制動(dòng)扭矩來進(jìn)行測(cè)量，具體說就是通過阻止電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)從而施加的反作用扭矩，這種扭矩我們就叫做制動(dòng)扭矩。這種方法當(dāng)然比較理想，但操作起來需要專門的儀器，而且操作很不方便。 （ 2） 電機(jī) 功率檢測(cè)功能 攪拌器電機(jī)功率的額定功率就是電機(jī)的輸出功率，電機(jī)的輸入功率要比電機(jī)的輸出功率大 。 攪拌器在整個(gè)井場(chǎng)屬于簡(jiǎn)單機(jī)械， 目前尚無 專門儀器來進(jìn)行檢測(cè)，攪拌器的受力情況主要來自鉆井液的反作用力。 研究方法及意義 首先對(duì)國(guó)內(nèi)外 攪拌與混合設(shè)備 的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，針對(duì) 攪拌設(shè)備各個(gè)部件 受力的特征，設(shè)立了關(guān)鍵部位的檢測(cè)， 然后再 逐一對(duì)每個(gè)部位載荷的測(cè)量方法對(duì)比研究，提出 較 適合的檢測(cè)手段。攪拌器雖是鉆井過程中的基本設(shè)備 ，但實(shí)際上它所影響因素較復(fù)雜 。 [1] 鉆井液攪拌器是 固控 凈化配套系統(tǒng)的一部分，為了保持鉆井液的均勻性并使固相顆粒懸浮，而對(duì)鉆井液進(jìn)行連續(xù)可靠的攪拌。 本文提出 的 攪拌器工況參數(shù)整體檢測(cè)和無線傳輸方法，可對(duì)攪拌器工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí) 檢測(cè)， 還 對(duì)鉆井液密度的同步測(cè)試方法進(jìn)行了初步探索 。論文研究成 果為今后固控固控裝備工況參數(shù)的整體監(jiān)測(cè)，拓展鉆錄井參數(shù)類別提供了有實(shí)用意義的方法。 在石油鉆井施工中，鉆井液被譽(yù)為“鉆井的血液”是鉆井過程正常運(yùn)行部可缺少的物質(zhì)，它能起到平衡地層壓力、攜帶懸浮鉆屑、清洗井底、保護(hù)井壁、冷卻鉆頭、潤(rùn)滑鉆具及傳遞動(dòng)力等作用。 自 70 年代以來，我國(guó)各油氣田開始引進(jìn)、研制鉆井裝備的同時(shí)，也各自研制設(shè)計(jì)油田固控設(shè)備。將測(cè)量方案分三步進(jìn)行，首先針對(duì) 攪拌設(shè)備 真實(shí)載荷的重要性，先研究 攪拌器扭矩 的測(cè)量方法，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上再提出 攪拌設(shè)備扭矩的 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。 論文 采用檢測(cè)攪拌軸的受力 、檢測(cè)攪拌軸轉(zhuǎn)速、檢測(cè)鉆井液液面高度 的方法進(jìn)行研究。所以檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際功率可以檢測(cè)整個(gè)攪拌器系統(tǒng)運(yùn)行的正常與否。后者是從測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速入手，根據(jù)電機(jī)本身相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，從而得到電機(jī)的實(shí)際輸出功率。這一種扭矩的測(cè)量方案簡(jiǎn)單易行，采集、傳輸數(shù)據(jù)很方便。 根據(jù)相位差測(cè)量原理做成的扭矩傳感器在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有 30 余年的歷史，技術(shù)很成熟，但在與其他類型扭矩傳感器相比較，它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性比較差，在苛刻惡劣的工作環(huán)境中（比如汽車扭矩測(cè)量和鉆井作業(yè)扭矩測(cè)量）其可靠性大大的降低，因?yàn)槠渥陨碣|(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試很不方便，而且在其在動(dòng)態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度也很低。此類液位計(jì)可以長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，但浮子液位計(jì)的缺點(diǎn)是沉積在傳動(dòng)機(jī)械裝置上的污物會(huì)影響浮子的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生故障，不適合在泥污角度的環(huán)境下應(yīng)用。 數(shù)據(jù) 信號(hào) 傳輸方案的設(shè)計(jì) 在鉆井液攪拌器動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，最困難的問題是旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變電橋的電壓輸入以及檢測(cè)到的應(yīng) 變信號(hào)的輸出如何可靠及時(shí)地在旋轉(zhuǎn)軸部分與靜止部分之間傳遞 。 WiFi技術(shù) WiFi正式名稱 為 ，無線高保真 Wireless Fidelity，是一種短距離無線通信協(xié)議， WiFi的傳輸 速率最高可達(dá) 到 11Mb/s。它 是在 利用自己的無線電標(biāo)準(zhǔn) 的 基礎(chǔ)上 ，相互協(xié)調(diào)數(shù)千個(gè)微小的傳感器網(wǎng)絡(luò) 來 實(shí)現(xiàn)通信。 最初 ,藍(lán)牙技術(shù)遭遇 到 很多障礙 ,突出問題是價(jià)格 非常 昂貴。鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 18 第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的 快 速發(fā)展， 現(xiàn)代測(cè)試器件的小型化、 低功耗 、 集成化、和匹配性都有 較 大的提高，融合通信技術(shù)的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)測(cè)試方法的理念，加快了測(cè)試 技術(shù)的發(fā)展，本文的設(shè)計(jì)在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)， 將整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分主要分為三個(gè)主要部分和一個(gè)輔助部分，其中有測(cè)試傳感器、信號(hào)變送電路、無線收發(fā)電路和電源 ,具體的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖見圖 31。基底作用 是 保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感刪上， 所以 它必須很薄，一般為 ~。 圖 35 常用三種測(cè)量電橋的接法 圖 35（ a）為單臂測(cè)量接法，工作應(yīng)變片為 R1，溫度補(bǔ)償應(yīng)變片為 R2，其中 R R2和 R3， R4阻值相等，但是 R3， R4是固定電阻。 應(yīng)變電橋的輸出應(yīng)變 ? 為： KUURRRRRRRR 04 43 32 21 14321 4????????????? ????? （ 322）
?？捎墒?(317)得到測(cè)試輸出電壓增量 △ U01是： ?4 10 KUU AC?? （ 318） 圖 35（ b）為半橋接法，由圖所示 , R1和 R2是工作應(yīng)變片，兩者組成差動(dòng)電橋。基底材料有紙、膠膜、玻璃纖維布等 [17]。 本論文采用 體積小、方便粘貼的電阻應(yīng)變片來測(cè)量試件的 形變量。這就使得藍(lán)牙設(shè)備 的 普及 性 不強(qiáng) ,許多用戶 都 不愿意購買這種無線設(shè)備。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)采集分析 ,也可以被另外一種無線技術(shù)（如 WiMax）收集。 雖然 WiFi是以太網(wǎng)的某種無線擴(kuò)展 的 形式，理論上分析，只要用戶位于一個(gè)接入點(diǎn)周圍的一定區(qū)域內(nèi)，最高可以以 11Mb/s的速度 連 接入網(wǎng)絡(luò)。 在考慮 攪拌器工況檢測(cè)情況下 的 數(shù)據(jù)傳輸 的 問題上，無線 信號(hào)傳輸 技術(shù)可以更好的 彌補(bǔ)有線傳感技術(shù)的不足 ,明顯具有以下優(yōu)勢(shì)： 隨著 電子 技術(shù)的 不斷 發(fā)展 ，現(xiàn)在的傳感器的體積可以做得很小、而且功耗可以更低；將無線收發(fā)與傳感器連接在一起，可以利用單片機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將處理后提取出來的特征數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)，這樣可以減少測(cè)試中處理數(shù)據(jù)的壓力；本文設(shè)計(jì) 的 傳感器可以將體積做小，這樣可以很方便地安放在 攪拌器 被 測(cè)結(jié)構(gòu)上；而且通過無線收發(fā) 裝置 依據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議，更可以組建一個(gè)高效率的無線測(cè)試系統(tǒng) 。在電子類液位傳感器中最常見的是電容式液位傳感器、電 阻式液位傳感器等，此類傳感器要求液體具有穩(wěn)定、相同的介電常數(shù)。 例如清華大學(xué)于 1999 年研制成德無線無源 表面波扭（ SAW）矩傳感器，這種扭矩傳感器把雷達(dá)技術(shù)與 SAW 傳感器綜合在一起，同電阻應(yīng)變式扭矩傳感器一樣，都是都過測(cè)量與軸成 45 度角方向上的應(yīng)變來對(duì)彈性軸上的扭矩進(jìn)行測(cè)量。 磁彈性效應(yīng)測(cè)扭矩 磁彈型扭矩傳感器是利用了鐵磁材料和其他一些合金逆向磁致伸縮效應(yīng)。假設(shè)流體以相對(duì)速度流經(jīng)過某一平板，所以作用在平板上的力 Fw為： 2 2wACFww ???? ? （ 2— 1） 式中： w— 流體相對(duì)速度； A— 平板在在垂直平面上的投影面積； Cw— 阻力系數(shù)。 攪拌器檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 在廣泛獲取 攪拌器 資料調(diào)研后，根據(jù) 攪拌器 的機(jī)械特點(diǎn)，初步確定了整體的測(cè)量方案， 根據(jù) 研究 目的和要求，將 設(shè)計(jì)一個(gè) 對(duì)攪拌器實(shí)時(shí)檢測(cè) 測(cè)試系統(tǒng) ,對(duì) 攪拌器的性能進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)將分為 三個(gè)部分，分別為 攪拌軸扭矩 檢 測(cè)、鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 8 電機(jī)功率 檢 測(cè)、 鉆井液 高度 檢 測(cè) ，來完成對(duì)攪拌器的實(shí)時(shí)工況檢測(cè)。 攪拌器性能指標(biāo) 如圖 21所示為鉆井液攪拌器的實(shí)物圖 。再研究 攪拌設(shè)備的真實(shí)輸出功率的 測(cè)量方法，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上再提出 攪拌器 的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。所以，科學(xué)的分析各種固控設(shè)備分離固相的能力，對(duì)確定鉆井固控工藝流程，選擇和制定固控設(shè)備配套方案有十分重要的意義。尤其是隨著石油勘探開發(fā)工作的發(fā)展，勘探領(lǐng)域越來越廣，鉆井深度不斷增加，鉆遇的地層日益復(fù)雜，鉆井液作業(yè)越來越得到普遍的重視， 并提出了更嚴(yán)格的要求，鉆井必須使用優(yōu)質(zhì)鉆井液。torque?；谀K化設(shè)計(jì)，使用高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)了攪拌器無線應(yīng)變傳感器的信號(hào)調(diào)理單元 、微處理單元、無線收發(fā)單元并進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)試。攪拌器向介質(zhì)輸入機(jī)械能量，介質(zhì)對(duì)攪拌葉片必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的流體作用。 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 。 此外 近年來我國(guó)提出節(jié)約型社會(huì)，對(duì)攪拌器的實(shí)時(shí)工況研究可以減少能源損耗。 由于 鉆井過程中對(duì)鉆井液的要求比較嚴(yán)格，任何環(huán)節(jié)都要配合整個(gè)鉆井的順利進(jìn)行。 檢測(cè)攪拌軸的扭矩對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)來說，是主要檢測(cè)方面，有了攪拌軸扭矩的實(shí)時(shí)變化，可以 總體把握鉆井液的泥漿密度?，F(xiàn)在測(cè)量功率的方法很多 ，比如有機(jī)械功率表法和測(cè)量轉(zhuǎn)速求功率法。 隨著科技的進(jìn)步，測(cè)量扭矩的方法很多。 測(cè)相位差測(cè)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(jìn)行扭矩測(cè)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(cè)量扭矩，可以用傳遞法求出。 綜合以上比較，由于 鉆井液 攪拌器屬于簡(jiǎn)單機(jī)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(duì)扭矩測(cè)量大小的精度要求不高 。超聲波測(cè)量精度雖然不是很高，但是它簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格便宜。 IrDA具有設(shè)備成本低廉 的優(yōu)勢(shì) ，同樣無需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，通用性強(qiáng)， 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(diǎn)。 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)。藍(lán)牙技術(shù)解決了小型無線移動(dòng)設(shè)備 之 間的互連問題。 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(jì)都 很 復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng)、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(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用。顯然， 0K 越大，單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化 就 越大，即越靈敏。當(dāng)測(cè)試時(shí)應(yīng)變片受力應(yīng)變，電阻值變化，電橋輸出變化。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸受到電機(jī)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，方可輸出扭矩電壓信號(hào) 。 本文采用直流測(cè)量電橋，綜合考慮電橋形式的影響，選擇 全橋 電路測(cè)量 轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)。常用的應(yīng)變測(cè)量電路有三種，即惠斯登電橋、雙恒流源電路和電位計(jì)。 若一根長(zhǎng)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(shí)，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。 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 。 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(huì)泄漏標(biāo)識(shí)，同時(shí)利用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備遠(yuǎn)距離傳輸 時(shí) 也不會(huì)被其它通信節(jié)點(diǎn)獲得。 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(biāo)準(zhǔn)。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(guó)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(qǐng)。雷達(dá)液位傳感器的輸出信號(hào)是特殊的電磁波，其物理特性和可見光類似。此外， 在扭矩測(cè)量發(fā)展過程中還出現(xiàn)了一些更加實(shí)用的新型傳感器，例如美國(guó)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(dòng)機(jī)扭矩 的測(cè)試；英國(guó)福特汽車鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 12 公司委托南安