WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Такое расположение упругих элементов в направляющих колодцах корпуса позволяет обеспечить самоустановку датчика усилия между плоскостями траверс и получить неизменность суммарной нагрузки по всем трем чувствительным элементам при отклонении оси штока от центра окружности расположения направляющих колодцев.

Каждый из упругих элементов имеет форму цилиндра со сферическими торцами (рисунок 2), что обеспечивает локализацию точек приложения нагрузки и получение зоны с равномерным распределением деформации для расположения тензорезисторов.

На каждом из трех упругих элементов размещаются два нагрузочных и два компенсационных тензорезистора как показано на рисунке 2. Всего ИП имеет 12 тензорезисторов, которые определенным образом включены в мостовую схему. В работе предложена схема включения, изображенная на рисунке 3.

Рисунок 1 – Конструкция тензорезисторного датчика усилия: 1 – корпус;

2 – упругие элементы; 3 – скоба крепления; 4 – полированный шток Рисунок 2 – Упругий элемент с наклеенными тензорезисторами Такое включение тензорезисторов позволяет обеспечить максимальную чувствительность датчика и скомпенсировать влияние на результат измерения температурной зависимости тензорезисторов.

Учитывая особенности эксплуатации ИП усилия можно сформулировать требования к измерительной цепи датчика усилия, которая должна обеспечивать компенсацию: во-первых, постоянных и низкочастотных помех, к которым можно отнести напряжения смещения ОУ, нестабильность источника питания;

во-вторых, помехи с частотой питающей сети 50 Гц, наличие которых обусловлено непосредственной близостью мощных потребителей электроэнергии, и, втретьих, случайных помех.

Рисунок 3 – Схема соединения тензорезисторов Получить высокую степень защищенности от сетевой помехи при малом времени измерения можно путем реализации специальных весовых функций.

На практике нашли широкое применение весовые функции с отличающимися только по знаку весовыми коэффициентами (+1, -1) и (+1, -1, -1, +1), так как другие весовые функции реализуются значительно сложнее.

АЧХ для весовых функций (+1, –1) и (+1, –1, –1, +1) соответственно определяются выражениями:

T K1() = 2 sin, (1) T T K2 () = 8 sin2 cos, (2) 2 где – угловая частота сигнала, = 2··f, с-1;

T – интервал дискретизации, с.

Формулы (1) и (2) реализуют ВФ, оперирующие мгновенными выборками сигнала, или так называемые решетчатые ВФ. Данные ВФ обеспечивают существенное ослабление помех только на конкретных частотах, в то же время такие ВФ остаются уязвимы для случайных импульсных помех, действующих в средней части периода дискретизации (·T/2 = ·n/2, где n=1, 3, 5… для весовой функции (+1, -1) и ·T/2 = ·n/4, где n=1, 3, 5… для весовой функции (+1, -1, -1, +1)). Вместе с тем, ослабить их влияние можно используя интегрирующее звено и оперируя не дискретными выборками входного сигнала, а его интегральными значениями за время TИ.

Такой переход от решетчатых весовых функций к ступенчатым сопровождается появлением в выражениях для АЧХ (1) и (2) дополнительного сомножителя:

T sin K =. (3) И T АЧХ интегрирующего звена имеет нули передачи в точках ·T/2 = ·n, где n=1, 2, 3…, а амплитуды ее боковых лепестков убывают с ростом частоты по закону 1/. Поэтому с учетом (3) результирующие АЧХ будут в значительной мере зависеть от соотношения времени интегрирования TИ и периода дискретизации T.

Экспериментально установлено, что в рассматриваемой измерительной цепи с тензорезистивным мостом после переключения полярности питания в результате переходного процесса напряжение на измерительной диагонали моста можно считать установившемся через время 0,5 мс, поэтому при неизменном интервале дискретизации 1,0 мс длительность интегрирования TИ = 0,мс. АЧХ ступенчатой весовой функции (+1, –1) для этого случая изображена на рисунке 4:

Рисунок 4 – АЧХ ступенчатой весовой функции (+1, –1) при TИ =0,5 мс, T=1 мс:

1 – АЧХ интегрирующего звена; 2 – результирующая АЧХ.

Структурную схему измерительного канала, реализующего данные алгоритмы измерений, можно представить как показано на рисунке 5.

Нужно отметить, что в измерительной цепи устройства используется питание тензорезистивного моста именно напряжением, а не током, так как электронная плата располагается в непосредственной близости от тензодатчиков и влияние сопротивления проводов линии связи минимально. В измерительной цепи реализуется специальная весовая функция со знакопеременными коэффициентами, что обеспечивает подавление постоянных и низкочастотных помех (ослабление помех с частотами ниже 2,5 Гц происходит на уровне не менее дБ, а ослабление сетевой помехи с частотой 50 Гц происходит на уровне 16 дБ при быстродействии 100 измерений в секунду). Вместо аппаратного интегрирования программой микроконтроллера производится цифровая обработка сигнала, которая значительно эффективнее при подавлении случайных выбросов и высокочастотных помех.

ДУ ДМ М ТМ UП UADC U0 UТМ UX ИПит АЦП + / - + / МК Рисунок 5 – Структурная схема измерительной цепи ДУ: ИПит – источник питания; М – модулятор; ТМ – тензомост; ДУ – дифференциальный усилитель;

ДМ - демодулятор; МК – микроконтроллер В третьей главе проведен сравнительный анализ конструкций, метрологических и эксплуатационных характеристик известных ИП параметров движения штока: датчиков положения и перемещения. Среди датчиков положения анализировались контактные (концевые выключатели) и бесконтактные (элементы Холла, герконы) устройства, а также датчики линейных и угловых перемещений (механические и акселерометры). Выработаны требования к ИП параметров движения штока как к элементам ИИС, для чего потребовалось оценить искажения форм динамограмм в результате влияния следующих факторов:

1) отличие реального хода штока от гармонического закона;

2) искажения, обусловленные ошибкой определения мертвых точек.

Анализ кинематики наиболее распространенных в нашей стране типов СКН показал, что погрешность, вызванная отклонением хода штока от гармонического закона может достигать 5-12% от длины хода, причем она приходится на моменты, когда шток находится в среднем положении при ходе вверх и вниз, а в крайних положениях реальный ход штока практически совпадает с гармоническим (рисунок 6). Расхождения реального хода штока с гармоническим законом на диагностирование состояния насосного оборудования не повлияют, тогда как при расчетах дебита скважины их необходимо учитывать.

Проведенный анализ показал, для исключения ошибок при диагностике насосного оборудования из-за искажения форм динамограмм погрешность определения мертвых точек не должна превышать 0,5…1,0%. Для концевых выключателей, срабатывающих непосредственно в крайних положениях штока, установка должна обеспечивать допускаемую погрешность определения мертвых точек положения штока не более 0,5…1,0% или ±1…2 см при длине хода штока 2,0 м. Для угловых датчиков для обеспечения ошибки определения линейного перемещения штока не более 0,5% требуется измерять угол наклона балансира с погрешностью не более 0,2…0,3.

В работе исследовалась возможность применения в системах динамометрирования пьезоэлектрических акселерометров, ультразвуковых датчиков для измерения линейных расстояний, а также датчиков угловых перемещений:

сельсинов и синус-косинусных вращающихся трансформаторов, индуктивных и работающих на основе эффекта Холла датчиков угловых перемещений.

Рисунок 6 – Законы перемещения полированного штока СКН3-1515:

1 – гармонический; 2 – реальный В результате практических испытаний с акселерометрами было установлено, что для построения датчиков перемещения полированного штока на основе имеющихся на сегодняшний день пьезоэлементов требуется:

1) использование крупногабаритных пьезоэлементов с большой собственной емкостью, что не позволяет разместить их в корпусе датчика усилия междутраверсной установки;

2) применение в измерительных цепях сложной электроники, что значительно повысит себестоимость таких датчиков.

Эксперименты с ультразвуковыми датчиками показали, что доступные на сегодняшний день ультразвуковые излучатели и приемники не позволяют создать ИП параметров движения полированного штока ШГН с необходимыми метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Сделан вывод, что в настоящее время в стационарных системах динамометрирования ШГН целесообразно использование бесконтактных датчиков положения, устанавливаемых на кривошипе СКН. Так, для обеспечения погрешности определения линейного перемещения штока не хуже 0,5% установленные на кривошипе СКН датчики положения должны обеспечивать зону срабатывания в пределах 50…70 мм, что не предъявляет очень высоких требований к точности их установки.

В четвертой главе описана реализация ИИС динамометрирования ШГН.

Приведены структурные и принципиальные схемы датчиков усилия с различными выходными сигналами: ШИМ-сигналом, с токовым выходом 4-20 мА и цифровым выходом формата интерфейса RS-485. Также приведена принципиальная схема датчика усилия с цифровыми потенциометрами, управляемыми микроконтроллером.

Конструктивно стационарная ИИС динамометрирования ШГН в любом исполнении включает в себя ИП усилия и положения, а также пакет программного обеспечения (ПО) для сбора, систематизации и анализа данных исследования. В зависимости от особенностей конкретного объекта ИИС может комплектоваться переносными модулями сбора информации МСИ-07, блоками питания с искрозащитными барьерами, клеммными коробками, радиомодемами для связи с диспетчерским пунктом.

Модуль сбора информации МСИ-07 предназначен для считывания данных из преобразователя усилия в цифровом коде в собственную энергонезависимую память, предварительного просмотра этих данных на графическом дисплее и последующей перезаписи их в ЭВМ. МСИ-07 позволяет производить регистрацию динамограмм, значений нагрузки в статических режимах, а также хранить в памяти некоторые параметры исследуемой скважины: дату и время создания записи, номер скважины и куста, длину хода штока.

Рассмотрена программная реализация алгоритмов работы датчиков усилия.

Разработано программное обеспечение ИИС динамометрирования ШГН верхнего уровня, проанализированы его возможности по созданию баз данных исследований скважин, а также по машинному диагностированию насосного оборудования и определению дебита скважин по динамограммам.

В программном обеспечении системы «ДДС-04» предусмотрены два канала ввода информации с первичных измерительных преобразователей усилия и перемещения: с промежуточного переносного модуля сбора информации и через специальный контроллер с включенных в систему телемеханики первичных измерительных преобразователей.

Программное обеспечение позволяет создавать в памяти ЭВМ несколько баз данных, которые могут классифицироваться по географическому расположению месторождений, периодам проведения исследований и по другим признакам. Каждая база данных поделена на отдельные скважины, содержащие замеры, отсортированные по датам. Дополнительно вводятся номер куста и фамилия оператора, производившего замер.

Каждая запись в базе данных позволяет хранить следующую информацию: устьевую (поверхностную) динамограмму, плунжерную (глубинную) динамограмму, записанный при остановленном электроприводе установки ШГН график утечек, а также развернутую во времени устьевую динамограмму для возможности коррекции местоположения нижней и верхней мертвых точек.

Процесс автоматического диагностирования насосного оборудования заключается в сравнении динамограммы с библиотекой образов характерных режимов работы. Экран программы с результатами автоматической диагностики работы насосного оборудования показан на рисунке 7.

Стационарная система динамометрирования позволит иметь на диспетчерском пункте информацию о производительности насосной установки в каждый момент времени, и соответственно, получать наиболее точные цифры за расчетный период времени (сутки, месяц, год).

Рисунок 7 – Экран программы с результатами автоматической диагностики работы насосного оборудования В пятой главе приводятся результаты экспериментальных испытаний разработанной ИИС динамометрирования ШГН.

Экспериментальные испытания датчиков усилия ДДС-04 в климатической камере подтвердили наличие температурного дрейфа, обусловленного конструкцией чувствительных элементов (рисунок 8), для компенсации которого предлагается использовать математическую обработку результатов измерения.

В работе произведен расчет распределения относительной деформации по поверхностям упругих элементов при помощи программы MSC/NASTRAN for Windows 4.0 методом конечных элементов. Этот анализ показал, что предложенная в работе конструкция силовоспринимающего элемента обеспечивает значительно большую независимость результатов измерений от перекосов и смещений приложения нагрузки, чем известная П-образная конструкция.

F, *100 Н -50 -40 -30 -20 -10 0 10 Т, град. С Рисунок 8 – Температурный дрейф измерительных преобразователей №№ 111, 121, 134 и Следует отметить, что полученные с помощью разработанной ИИС динамометрирования ШГН практические динамограммы анализировались ПО верхнего уровня. Результаты программного анализа динамограмм по диагностированию насосного оборудования и определению дебита скважин в большинстве случаев совпали с мнением специалистов-технологов. Так, на рисунке 9 представлена полученная с помощью данной ИИС практическая динамограмма с результатами программного анализа: диагностикой и рассчитанным по различным методикам дебитом скважины.

Рисунок 9 – Динамограмма скважины № 1534, высокая посадка плунжера ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ На основании проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты и выводы:

1. Проведен обзор метрологических и эксплуатационных характеристик применяющихся в нефтегазодобывающей промышленности ИИС динамометрирования и контроля ШГН, на основании чего сформулированы требования к современной ИИС.

2. Разработаны конструкция ИП усилия, схема измерительной цепи и алгоритм работы микроконтроллера, управляющего процессом измерения, обеспечивающие инвариантность датчика к смещениям точек приложения и направлений нагрузки, а также высокую степень подавления низкочастотных, сетевых и случайных помех при высокой скорости измерений. Ослабление сетевой помехи с частотой 50 Гц происходит на уровне 16 дБ, а помех с частотами ниже 2,5 Гц на уровне не менее 42 дБ при быстродействии на уровне 100 измерений в секунду. На конструктивные и схемотехнические решения ИП получено решение о выдаче патента на изобретение, на программу микроконтроллера получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003610081.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»