【正文】 橋臂上的 4個電阻R1=R2=R3=R4=R,應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為應變片的靈敏系數； U為應變全橋電路的供電電壓。 方向上 粘貼應變片 ，感應軸上最大正、負應變輸出電壓信號與轉動軸扭矩成正比。 45176。兩個應變片同時承受大小相同但極性卻相反的應變，假設 1??? ，那么 2???? ，由此產生電橋輸出電壓的增量△ U02是： 0112 ACU U K ??? （ 319） 圖 35（ c）為全橋接法，其中測量電橋的每個橋臂上都是電阻應變片，這樣四個應變片會承受相同的應變，假設 1??? ，那么滿足關系式： 2???? ， 3???? ， 4??? ，如此，所產生的電橋輸出電壓的增量 △ U03是： 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。電橋的加減特性使測量電橋可以根據不同 的測量需求來設計單臂、半橋、全橋等測量方式。其中電橋的輸出端可以接高阻抗的放大器，這時電橋的輸出電流會很小，可以認為電橋輸出對角是開路的。 （ 1）測量電橋 應變測量電橋的種類很多， 不同 設計應用的用途不同而各異，其中按供橋電源的性質可大致分為直流電橋和交流電橋兩類。 圖 32應變片的基本結構 電阻應變片的 測量電路 應變片就是將結構力學量 通過 應變電阻變化轉換成可測電量的變化。敏感柵為應變片的敏感元件，通常用高電阻率金屬細絲制 做而 成，直徑 一般在 ~ 之間 ，并用黏合劑將其固定在基底上。而對于指定的材料，令 0 (1 2 )KE??? ? ? 則有： 0dR KR ?? （ 38） 0K 為金屬絲 產生單位長度變化時，其大小為電阻變化率與其應變的比值。 當金屬絲受到軸向力 F 的 作用時，式 子 （ 31）中 ? 、 L、 A都要 相應的 發(fā)生變化，從而引起電阻值 R 也 隨之改變 ， 設在外力 的 作用下，金屬絲長度伸長 dL ，截面積減小 dA ，電阻率變化 d? ，引起電阻 R 變化為 dR 。 電阻應變片簡稱應變片，是一種能將試件上的 微小 變化轉化成電阻變化的傳感元件，其 基本轉 換原理是基于金屬電阻絲的電阻應變效應。 在廣泛調研的基礎上，論文研究中最后選用了射頻通訊技術 。 從 測試系統(tǒng)的整體考慮 ， 在 鉆井液攪拌器 的 工作 區(qū)域，根據不打擾 攪拌器 工作的原則 ,基于傳感器、無線發(fā)射點和無線接收點的考慮，無線數據傳輸距離應不小于 150m。目前 我們 使用的射頻芯片主要是工作在西南石油大學碩士研究生學位論文 17 433/868/915/2400MHz頻段，其中 據 傳輸 率達到 12Mbps，而且 在 ，數據可靠性 很 高 ,在絕大部分國家 都 可以免費使用 ,不受無線管制。藍牙的市場前景如何要取決于基于藍牙的應用是否能達到一定的規(guī)模 與 藍牙價格能否降低 關系很大 。藍牙技術主要面向可移動設備 之 間短距離 的 連接，在本質上可以說它是一種 可以代替電纜的技術。 同樣 ,藍牙技術的通訊頻率也設定在全球公眾通用的 ISM頻帶 之 上，藍牙技術提供 的是 10m 的傳輸距離和 1Mbps的傳輸速率。網絡中每個協(xié)調器可連接最多 到 255個節(jié)點，利用幾個協(xié)調器可形成一個網絡，ZigBee完全協(xié)議對路由傳輸 數目 是 沒有限制。 鉆井液攪拌器工況參數檢測方法研究 16 ZigBee的基礎 , Personal Area Network，這是 PAN工 作組 (IEEE無 線個人 區(qū)域網 )的 一項標 準， ZigBee被稱作(ZigBee)技術標準。推出之初，它被 人們 稱 為 FireFly或HomeRF Lite無線技術，目的 是 用于近距離無線連接。它同樣工作在 ，最大速率可 以 達 到 54Mb/s。建筑 企業(yè)可以在樓體結構配備 802. 11b的接入點， 這樣就可以做到 把整個通信網絡連接起來 的同時不使用 大量電纜線就可以。但事實上，當若干個用戶同時通過一個接入點 時 ，此時帶寬 就 被多個用戶分享 了 ，這時 WiFi的連接速度 大大降低 只有幾百 kb/s的信號。 在復雜的工況現場，很容易出現誤碼傳輸。紅外連接 與 有線連接 相比較 更方便 簡 捷，它 不僅僅 簡化了線路和連接器， 還免去了很多 檢修問題。 [26][29] IrDA技術 IrDA是 紅外數據協(xié)會 (Infrared Data Association)的簡稱。 [25]~[26] 井場設備平面布局在 100m范圍之內 ， 完全 符合通信技術分類中短距離通信，本文將在短距離的通信技術選擇 較 適合的方法。所以采用超聲波液位傳感器進行泥漿液位測量。 常常用來測量明渠液位或者開口 容器內的液位。然而雷達傳感器的測量信號運行時間非常短，對信號分析處理能 力要求極高，所以雷達傳感器的造價很高，技術實施困難。在工作環(huán)境方面，不適合應用在容易對電容產生干擾的環(huán)境。 西南石油大學碩士研究生學位論文 13 鉆井液液位高度的測量方案 目前 國內外生產實踐中采用的液位測量方法很多，主要有 機械浮子、電子、雷達、熱學式、 超聲波這幾類液位傳感器 ： （ 1） 機械浮子類液位計 機械浮子液位計測量原理是利用傳動裝置把于液位等高度的浮子高度信息轉變成脈沖信號或者連續(xù)信號，這樣就可以間接得到液位高度。 圖 22 電阻應變傳感器貼片示意圖 應變式扭矩傳感器 中使用的 應變片很小且很輕，對軸承的機械運轉不會產生影響、不會影響軸 的 正常工作運行。這些發(fā)展足以說明在社會發(fā)展過程中，轉角型扭矩傳感器被越來越多的應用在社會生產中 。它的主要組成部分有壓電基片、反射柵、叉指換能器（ IDT）等等，在技術上運用了真空鍍膜、光刻等現代工藝技術。這些變化的物理參數可以是軸承的應變、應力和變形。在軸的表面粘貼或者噴涂一層磁致伸縮材料，就 可以減少軸表面材料部均勻性帶來的誤差，對提高測試精度和靈敏度有很大的幫助。此種類型的傳感器磁芯正交于軸側 ，將線圈繞在磁極上，構成了兩組勵磁線圈和兩組測量線圈，交變電流通過勵磁線圈從而在軸的表面建立磁場，彈性軸被加 載了扭矩后，軸表面就會產生應力，由于磁致伸縮逆效應在軸的表面的磁場發(fā)生改變，這種等效磁阻的變化使測量線圈中產生與扭矩成比例的感應電動勢。逆向磁致伸縮效應，我們也稱作彈性性效應，指的是鐵磁材料在外力或者扭矩的作用下，內部結構發(fā)生畸變，產生了應力 ，材料內部磁疇之間的位置發(fā)生移動，磁疇磁 化強度矢量發(fā)生旋轉，而使材料的磁化強度發(fā)生相應的變化。 測反作用力測 量 扭矩 測反作用力測量 扭矩是通過測量制動扭矩來進行測量，具體說就是通過阻止電動機的旋轉從而施加的反作用扭矩，這種扭矩我們就叫做制動扭矩。動態(tài)扭矩則是扭矩值隨時間變化很大的扭矩。任何機械元件在轉矩的作用下，勢必會產生某種程度的扭矩變形。 由于攪拌槽內的流場很復雜，作用在槳葉上的相對速度大小不容易確定，但與槳葉葉端的速度 u 成正比例關系： DNuw ???? ? （ 2— 2） 與此同時，投影面積 A 在幾何相似的一族攪拌漿中與攪拌 槳 直徑 D 的平方成正比例關系。這種方法當然比較理想，但操作起來需要專門的儀器，而且操作很不方便。 （ 2） 測量攪拌功率的方法 功率是機械性能的一個重要指標 ，是衡量電機工作強度的一個重要參數，只有了解了功率的大小才能，掌握機 械做功的多少。 只有知道了攪拌器達到攪拌過程所需要的結果而必須用于被攪拌介質的功率，才能知道流體作用力的大小。攪拌器扭矩檢 測是對攪拌器真實的工況受力反應，電機功率測試是對整個運行狀況的總體把握，泥漿高度的檢測可以從側面反應攪拌器受力情況，輔助反應攪拌器的檢測，使其更加具有可靠性 。 （ 2） 電機 功率檢測功能 攪拌器電機功率的額定功率就是電機的輸出功率，電機的輸入功率要比電機的輸出功率大 。當鉆井液密度、高度一定時，攪拌器轉速的快慢，對攪拌軸的扭矩是有影響的。如表 22 所示為攪拌器檢測系統(tǒng)參數表 西南石油大學碩士研究生學位論文 7 表 22 攪拌器測試參數 攪拌器檢測點 攪拌軸的扭矩 攪拌器的電機功率 條件參數 常溫條件，轉速 100,額定功率，泥漿密度 被測參數 鉆井液液位 高度，電機實際功率， 攪拌軸 扭矩 綜上所述， 攪拌器工況參數檢測系統(tǒng)功能主要有扭矩檢測功能、電機功率檢測功能、鉆井液液位高度檢測功能。 鉆井液攪拌器工況參數檢測方法研究 6 圖 21鉆井液攪拌器實物圖 資料顯示表明實際過程中 使 用到 的 攪拌器出廠主要性能參數 如表 21 所示 。 攪拌器在整個井場屬于簡單機械， 目前尚無 專門儀器來進行檢測，攪拌器的受力情況主要來自鉆井液的反作用力。 鉆井液 攪拌器 在改進過程會碰到這樣一個問題：如何 在現場高惡劣的環(huán)境下 系統(tǒng)測量 攪拌器 各系統(tǒng)之間的鉆井液攪拌器工況參數檢測方法研究 4 參數關系，以使 攪拌器 的設計更合理，使用更方便，效率更高？在這個問題的引導下，展開針對 攪拌器 測量方法的研究， 攪拌器 的工作是由 一些 分支結構來完成的，具有重要作用的有動力系統(tǒng)， 攪拌軸系統(tǒng)，攪拌容器 等，如何使各系統(tǒng)協(xié)調一致， 高效安全呢？這就需要一個整體的實時測量系統(tǒng)，而這方面所作的工作 變得很有意義。對電動機、攪拌軸的 實時 檢 測系統(tǒng)可以 檢 測主要受力系統(tǒng)的受力數據 。 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備簡單，測量系統(tǒng)安裝調試 方便 ，開發(fā)成本低，同時獲取的數據準確，傳輸方式便捷，不影響 攪拌設備 的運行。 研究方法及意義 首先對國內外 攪拌與混合設備 的發(fā)展現狀進行了調研，針對 攪拌設備各個部件 受力的特征，設立了關鍵部位的檢測， 然后再 逐一對每個部位載荷的測量方法對比研究，提出 較 適合的檢測手段。但 由于攪拌過程中環(huán)境以及力的復雜性，理論計算的結果可靠 性有限 。攪拌器的類型得到了發(fā)展的同時，攪拌器的性能參數的研究也得到了提升， 單這種參數性能的研究只是建立在單方面設備的測試。 攪拌器作為固控設備之中的配套設備，在整個固控過程中也起到了很大的輔助作用。攪拌器雖是鉆井過程中的基本設備 ，但實際上它所影響因素較復雜 。 [2]鉆井液密度在整個鉆井過程中是不可忽視的部分，然 而 攪拌器的工況參數可以間接反應出鉆井液密度，所以研究 鉆井液 攪拌器的工況參數是有實際價值。鉆井液的密度主要用來調節(jié)鉆井液靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力，防止發(fā)生井噴。 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 。 [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，而對鉆井液進行連續(xù)可靠的攪拌。攪拌過程是在流場中進行動力傳遞或者是包括熱量、質量等的傳遞過程。鉆井液 攪拌器的工況性能檢測是本文研究的重點，特別對鉆井 液攪拌器 工況參數 實時性能檢測 方法進行探索 。ultrasonic distance。 本文提出 的 攪拌器工況參數整體檢測和無線傳輸方法，可對攪拌器工況參數進行實時 檢測， 還 對鉆井液密度的同步測試方法進行了初步探索 。 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。 Master’s Thesis 摘要 在石油工程鉆井 施工 中，鉆井液攪拌器是非常重要的 固控準備之一 。詳細闡述了無線應變傳感器及測試系統(tǒng)的設計與開發(fā)過程。論文研究成 果為今后固控固控裝備工況參數的整體監(jiān)測，拓展鉆錄井參數類別提供了有實用意義的方法。 wireless strain sensor。 研究背景 機械攪拌設備廣泛應用于眾多工業(yè)過程，如流體混合，汽液分離，固液懸浮以及傳熱等過程。攪拌器是 向 介質輸入機械能量，使其形成適宜 流場 的 器件。 在石油鉆井施工中，鉆井液被譽為“鉆井的血液”是鉆井過程正常運行部可缺少的物質，它能起到平衡地層壓力、攜帶懸浮鉆屑、清洗井底、保護井壁、冷卻鉆頭、潤滑鉆具及傳遞動力等作用。 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)。有鉆井液攪拌器工況參數檢測方法研究 2 時候也 用來平衡地層構造應力，控制和減輕井塌。 隨著鉆井工程的日益完善以