【正文】 ideBand）、藍(lán)牙 (Bluetooth)和紅外數(shù)據(jù)傳輸（ IrDA）等。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)。 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) 。 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 。 根據(jù)以上液位測(cè)量方法的對(duì)比，超聲波液位傳感器 可靠度高，適合用于攪拌器內(nèi)泥漿高度的測(cè)量，它屬于非接觸測(cè)量不受波動(dòng)液面的影響， 對(duì)攪拌器本身鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 14 的正常工作沒有任何影響，且價(jià)格便宜，固定在攪拌器后無需移動(dòng)就可以長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量泥漿高度。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(cè)物質(zhì)反射后，由超聲波接收裝置檢測(cè)超聲波，測(cè)量該次超聲脈沖 往返時(shí)間，就可以得到被測(cè)液面到超聲波發(fā)射端的距離，從而可以得到液位高度。 （ 5） 超聲波液位傳感器 超聲波液位傳感器的發(fā)展和應(yīng)用也很廣泛， 該方式屬于非接觸式測(cè)量。 [20] （ 4） 熱學(xué)式液位計(jì) 熱 學(xué) 式液位計(jì)是由熱敏電阻構(gòu)成的，它對(duì)熱敏電阻發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行判斷，看是否 有 液體浸入。雷達(dá)波不容易受到干擾，并且能夠穿過玻璃容器或者塑料容器進(jìn)行測(cè)量，無需再容器上打孔，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量即便在粉塵、飛灰強(qiáng)烈的環(huán)境下也能夠準(zhǔn)確測(cè)量。 （ 3） 雷達(dá)液位傳感器 雷達(dá)傳感器是利用發(fā)射、反射和接收的原理來測(cè)量液位高度，屬于非接觸測(cè)量，因此較多用于有毒、有害的惡劣工作環(huán)境中。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)。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。所以選擇利用應(yīng)變式扭矩傳感器來測(cè)量鉆井液攪拌器的扭矩 ，鉆井液攪拌器屬于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械 ，濺起的鉆井液很容易影響應(yīng)變扭矩傳感器， 若使用有線 應(yīng)變 扭矩傳感器影響攪拌器的工作狀態(tài)，所以本論文應(yīng)采用無線扭矩傳感器 ，并且采用塑料罩保護(hù)應(yīng)變片扭矩傳感器。 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(cè)量扭矩大小的精確度不是很高，不適合應(yīng)用于對(duì)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù) 要求比較精確的測(cè)試中。如圖 22 所示，在扭矩 M 作用下，在旋轉(zhuǎn)軸表面貼應(yīng)變片，使其與軸線成 45 度和 135 度角，將他們連成 橋式電路 ，扭矩使應(yīng)變片的電阻率發(fā)生了變化，電阻變化通過電橋輸出的電壓與外加扭矩成正關(guān)系 [14]。但這些轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器在使用過程中對(duì)周圍的環(huán)境要求比較高，不適合在高惡劣環(huán)境中應(yīng)用。 2020 年由馮浩教授提出一種新型光柵扭矩傳感器，并在 2020 年申請(qǐng)了發(fā)明和實(shí)用新型國(guó)家專利。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(cè)量扭矩的大小。 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。 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。傳遞法又稱 轉(zhuǎn)軸法，它是根據(jù)彈性軸承在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)所產(chǎn)生的物理參數(shù)變化而測(cè)量扭矩的方法。 [13]此類傳感器實(shí)際測(cè)得的是磁致伸縮層材料應(yīng)力，如何將其轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)軸本省的應(yīng)力或者扭矩值還需要相當(dāng)大的一部分工作，同時(shí)這種傳感器致命之處受到外界電磁干擾影響極大，對(duì)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(zhǎng)期工作。磁彈性扭矩傳感器屬于非接觸式傳感器，而且安裝及其使用很方便，還不占用較大空間。但是由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸常用的鐵磁性材料的磁致伸縮逆效應(yīng)較弱，通常會(huì)影響扭矩測(cè)量靈敏度和精度，而且對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料的均勻性和旋轉(zhuǎn)精度的要求較嚴(yán)格 [4]~[7]。國(guó)內(nèi)西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 11 外從 20 世紀(jì) 80 年代中期已經(jīng)開始此種傳感器的研究和開發(fā)，其中具有代表性的設(shè)計(jì)是雙“Ⅱ”逆磁致伸縮效應(yīng)傳感器。 如果將鐵磁材料的軸放在磁場(chǎng)中并且對(duì)它施加扭矩，鐵磁材料的磁化強(qiáng)度的變化將表現(xiàn)在磁導(dǎo)率的變化上，從而如果測(cè)量出這一變化，就可以得知對(duì)應(yīng)的扭矩信號(hào)。 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)。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。下面介紹幾種測(cè)量扭矩的方法。 測(cè)量攪拌軸扭矩是本檢測(cè)系統(tǒng)中很重要的環(huán)節(jié)，只有得到攪拌軸的實(shí)時(shí)扭矩才可以實(shí)時(shí)檢測(cè)整個(gè)攪拌器系統(tǒng)。靜態(tài)扭矩是扭矩值不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間變化量很小。所以，我們習(xí)慣上又把轉(zhuǎn)動(dòng)力矩叫扭矩力矩，簡(jiǎn)稱扭矩 。 攪拌軸扭矩的測(cè)量 方案 使機(jī)器元件旋轉(zhuǎn)的力或者力矩叫做轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)矩。 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(diǎn)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(cè)方法研究 10 則用無因次的功率準(zhǔn)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(zhǔn)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(cè)得攪拌器的轉(zhuǎn)速?gòu)亩涂梢缘玫綌嚢杵鞯南墓β?。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)。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。 前者 就是用機(jī)械功率表直接測(cè)量電機(jī)的機(jī)械功率消耗，它屬于直接測(cè)量的方法。功率大小，除理論計(jì)算外，很多時(shí)候還需要進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量。然而，盡管存在這些很特殊的情況，但在對(duì)鉆井液攪拌器的檢測(cè)中只考慮影響因素最大的那些因素。 電機(jī)功率的消耗是攪拌器轉(zhuǎn)速，攪拌漿的直徑 ，攪拌器本身結(jié)構(gòu)及下列一系列 混合環(huán)境的因素的 函數(shù)： 攪拌器中流體介質(zhì)的物性； 攪拌槽的集合尺寸； 扭矩測(cè)點(diǎn) 功率測(cè)點(diǎn) 測(cè)量轉(zhuǎn)速 工況計(jì)算 高度測(cè)點(diǎn) 液面到測(cè)定距離 上位機(jī) 信號(hào)處理 單元 數(shù)據(jù)采集模塊 信號(hào)傳輸單元 數(shù)據(jù) 傳輸 模塊 信號(hào)存儲(chǔ) 單元 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上位機(jī) 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 9 攪拌漿相對(duì)于槽體和流體界面的位置及相對(duì)槽中其他物體或者障礙物的位置； 這些都是有實(shí)際意義的主要變量，雖在某些特殊的情況下，需要考慮 其他的重要因素。這個(gè)動(dòng)力的大小是被攪拌的物體物理、化學(xué)性能以及各種攪拌過程所需要的最終結(jié)果的函數(shù)所決定的。 攪拌器檢測(cè) 系統(tǒng)框圖 如 圖 21 所示 。 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)。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。 通過比較 從而可以得到鉆井液密度是否符合鉆井要求，如果不符合則可以及時(shí)報(bào)警，減少不必要的損失。 通過檢測(cè)各個(gè)鉆井液攪拌器的扭矩后，縱向比較各個(gè)攪拌軸的扭矩變化，從而可以反映整個(gè)鉆井液的密度變化。當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速、鉆井液高度一定時(shí)，攪拌器的受力因素是鉆井液密度的大小，通過檢測(cè)攪拌軸扭矩大小的變化，可以檢測(cè)鉆井液密度的變化。 （ 1） 扭矩檢測(cè)的功能 攪拌器在整個(gè)工作過程中，攪拌軸的主要功能是傳 送動(dòng)力的部件，同時(shí)也是主要受力部件。由實(shí)際攪拌器工況性能和材料力學(xué)知識(shí)，鉆井液 液位 高度 和密度影響攪拌軸扭矩 、 攪拌軸轉(zhuǎn)速影響攪拌軸扭矩，扭矩的變化影 響電機(jī)實(shí)際功率，所以 液位高度、密度、轉(zhuǎn)速、扭矩 為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù) ，其中扭矩的變化是反映整個(gè)系統(tǒng)的主要參數(shù)。 表 21鉆井液攪拌器出廠的主要性能參數(shù) 產(chǎn)品 型號(hào) 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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 功能 在實(shí)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(dòng)，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。 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 。 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。攪拌器是為了保持鉆井液的均勻性，簡(jiǎn)而言之是為了保持整個(gè)鉆井液密度的均勻性， 也是影響整個(gè)鉆井工程成敗的因素之一。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 5 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 攪拌器工況參數(shù)檢測(cè) 是為了在 高惡劣、機(jī)械振動(dòng)劇烈的工作環(huán)境下對(duì)攪拌器的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí) 檢 測(cè) ， 從而使整個(gè)鉆井過程能夠正常運(yùn)行。 攪拌和混合設(shè)備 的制造和使用歷史 已很長(zhǎng) ， 攪拌器在各個(gè)行 業(yè)都得到了 不斷的在改進(jìn)、應(yīng)用、改進(jìn)的過程中完善其功能和適用性。通過對(duì)各個(gè)攪拌系統(tǒng)的檢測(cè)， 使 攪拌器 的運(yùn)行 更加 安全有效。 分析可知 攪拌器 的工作是由很多分支結(jié)構(gòu)來完成的，其中具有重要作用的有動(dòng)力系統(tǒng)， 攪拌系統(tǒng)、攪拌容器。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。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) 。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) 。 綜 上所述，本論文 在實(shí)驗(yàn)室模擬工況下 對(duì)攪拌器的 工況參數(shù)的研究 具 有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)攪拌器的廠家比較多，對(duì)其理論數(shù)據(jù)的驗(yàn)證只能通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算來核實(shí)，特別是對(duì)石油工況下攪 拌器的參數(shù)研究少之甚少。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 近年來，隨 著 國(guó)內(nèi)外 數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用，攪拌槳以及攪拌軸的流體動(dòng)力性能計(jì)算已經(jīng)有了驚人的進(jìn)步，并已經(jīng)有了專門應(yīng)用于攪拌領(lǐng)域的軟件， 人們提供了各種攪拌器的數(shù)學(xué)模型，及其攪拌介質(zhì)的模擬流場(chǎng)，模擬出流場(chǎng)對(duì)攪拌器的影響。 國(guó)外的固控設(shè)備水平以美國(guó)的 SWACO、 BRANDT等公司為代表，質(zhì)量和性能處于世界首位，國(guó)外特別重視整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化配置和整個(gè)系統(tǒng)的效率評(píng)價(jià) 。 由于應(yīng)用廣泛，同時(shí)攪拌設(shè)備的研究也得到了很大的發(fā)展，很多國(guó)家致力于研究 新型攪拌器，以適應(yīng)工業(yè)需要。 但對(duì)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(duì)其性能參數(shù)的測(cè)試 較少 ，從而減少了其使用壽命和工作效率。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。 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