石油钻机天车快轮运行状态非接触式测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量方法，具体涉及一种能够检测石油钻机天车快轮运行状态的非接触式测量方法。
【背景技术】
[0002]石油钻井行业中许多设备都需要对游钩位置、运行速度、方向进行测量，从而能够进行井深计算或者防碰检测。游钩位置、运行速度、方向等运行状态一般只能间接测量得至IJ，通常的方法是使用安装在绞车滚筒轴上的编码器进行测量，这种方法一直存在以下弊端:
1.精度不高，这是由绞车滚筒每层钢丝绳长度非线性造成的。
[0003]2.标定麻烦，标定时需要输入很多参数，并且在更换钢丝绳、重新缠绕钢丝绳或井队搬家后都需要重新标定，当这些标定时输入的参数不准确时同样会降低精度。
[0004]3.安装不便，每个井队的绞车滚筒不一定能提供编码器安装轴，这种情况下安装极其困难。
[0005]理论上还有一种方法就是通过测量天车快轮的运行状态进而获得游钩的运行状态，这种方法很精确，因为天车的运行状态可直接反应游钩的运行状态，但存在种种困难，例如，快轮上无法安装轴编码器，也不能在快轮表面进行二次加工，否则会对快轮的动平衡以及机械强度造成影响，因此目前仍没有实际可应用的解决方案。为解决以上问题，本发明提出一种天车快轮运行状态非接触式测量方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种能够精确测量石油钻机天车快轮运行状态的非接触式测量方法。
[0007]本发明的技术方案如下:
首先，通过特定传感器获取石油钻机天车快轮表面的金属形状特征；
其次，核心控制单元通过这些特征计算出快轮的转动速度、方向、以及位置；
最后，用户程序通过天车快轮的运行状态计算出游钩的位置、方向、运行速度、以及井深等参数。
[0008]本发明所述的特定传感器包含两种类型:筋传感器和孔传感器。目的是为满足石油行业天车制造的API 4F规范以及SY/T5527行业标准要求的石油行业天车快轮机械结构形式。
[0009]针对石油钻机的特殊要求，为进一步明确本发明的实施，本发明还提供了所述传感器专门针对于石油行业天车快轮的安装方法。
[0010]本发明的有益效果在于通过非接触式方法直接对石油钻机天车快轮的转动速度、方向、以及位置等运行状态参数进行精确测量，提高了对游钩运行参数测量的精度，解决了天车快轮无法安装编码器的问题。另外，由于使用非接触测量方法，无需对快轮本体进行任何改变，不会对快轮的动平衡以及机械强度造成影响。更优的是使用方便，只要不更换快轮，无论是更换钢丝绳、重新缠绕钢丝绳或者是井队搬家后都无需进行任何标定。
【附图说明】
[0011]图la、图1b为本发明所述的石油钻机天车快轮的两种机械结构形式，其中图1a为铸造工艺带有加强筋的快轮，图1b为锻造工艺无加强筋的快轮；
图2为本发明所述的筋传感器示意图；
图3为本发明所述的核心控制单元程序分层结构框架；
图4为本发明所述的孔传感器示意图；
图5a、5b为本发明实施时传感器与快轮安装的相对位置描述，其中图5a描述的是相对位置，图5b描述的是投影位置；
图6为本发明所述的改造前的防跳槽架结构示意图；
图7为本发明所述的改造后的防跳槽架结构示意图；
图8为本发明所述的安装了传感器的防跳槽架结构示意图；
图9为本发明所述的将支架安装在快轮座后整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]以下是根据附图对本发明上述的和另外的技术特征做更为详尽的说明。
[0013]鉴于本发明是通过感应快轮表面的金属形状特征最终计算出快轮的转动速度、方向、以及位置等运动状态参数的，因此在图1中首先给出石油行业天车制造的API4F规范以及SY/T5527行业标准中两种天车快轮机械结构形式。其中图Ι-a为铸造工艺带有加强筋的快轮，图Ι-b为锻造工艺无加强筋的快轮。
[0014]图2给出了筋传感器结构示意图。传感器探头采用的数量为7个，中心轴对称，以弧形中心双层错位对称排布。从左至右分别为1-7号探头，探头直径为30mm，感应距离为15mm0
[0015]检测的基本原理为:检测时传感器选择的特征对象是加强筋。当快轮旋转时，6根加强筋会交替扫过I?7号感应探头组。当加强筋接近感应探头时，输出原始信号为数字量或者模拟量。该信号进入核心控制单元进行计算，程序框图如图3所示。
[0016]首先由识别层对原始信号进行处理，该层主要功能是准确识别出加强筋扫何时扫过探头。尤其是当快轮高速旋转时，加强筋扫过探头的时间在10微秒左右，在这种情况下必须使用模拟量输出的接近开关，通过该层对模拟量信号的辨识，最终正确识别出加强筋扫过探头清晰的信号。接下来，信号进入状态层，状态层对识别层信号进行解析，最终将加强筋的旋转分成多种状态(本发明将旋转分成8个暂态和4个稳态)。然后，由解释层对这些状态进行计算，这些状态会被解释成相差90度的两路脉冲，以及每周脉冲数(由算法决定，本发明每周产生96个脉冲)。最后，由表示层把两路脉冲信号转换成快轮的转速、圈数或者脉冲计数等。
[0017]图4给出了孔传感器结构示意图。传感器探头采用的数量为7个，中心轴对称，以弧形中心单层对称排布。从左至右分别为1-7号探头，探头直径为18_，感应距离为10_。
[0018]检测的基本原理为:检测时传感器选择的特征对象是过孔。当快轮旋转时，6个过孔交替扫过I?7号感应探头组。当过孔接近感应探头时，输出原始信号为数字量或者模拟量。程序基本框架与筋传感器相同，最终输出也相同，只是内部实现方法有很大差别。
[0019]图5给出了本发明实施时传感器与快轮的相对位置描述。使用时，无论是筋传感器还是孔传感器，传感器的感应探头与快轮旋转面必须接近，同时这两个明面要求平行，这就需要使用支架将传感器固定，使传感器的感应探头接近旋转面的被测对象，即加强筋或者圆形过孔。两者之间的相对位置如图5-a。同时，传感器在快轮表面投影的中心轴线必须与快轮的中心轴线重合，如图5-b所示。
[0020]本发明专门针对于石油钻机天车快轮设计了一种安装方式。石油钻机的天车头快轮在使用时，通常都会安装钢丝绳防跳槽架，用来防止钢丝绳从快轮上绳槽中脱落。防跳槽架用角钢焊接而成，如图6所示。
[0021]通过对防跳槽架改造之后，可以将本发明中的传感器通过四个螺栓固定，如图7所示。加装传感器之后如图8所示。传感器与防跳槽架安装完成之后，即可以将该支架安装在快轮座上，安装之后如图9所示。
[0022]图8、图9给出了筋传感器的安装方法，孔传感器的安装方式与之类似，这里不重复叙述。
[0023]以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，例如增加或减少传感器探头的数量，改变传感器的排布方式等，都将落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种石油钻机天车快轮运行状态非接触式测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 首先，通过传感器获取石油钻机天车快轮表面的金属形状特征;其次，核心控制单元通过这些特征计算出快轮的转动速度、方向以及位置;最后，客户端通过天车快轮的运行状态计算出游钩的位置、方向、运行速度、以及井深。2.根据权利要求1所述的一种石油钻机天车快轮运行状态非接触式测量方法，其特征在于，所述传感器包含:筋传感器和孔传感器，其中，所述筋传感器用于检测有加强筋的快轮，所述孔传感器用于检测无加强筋的快轮。3.根据权利要求1或2所述的一种石油钻机天车快轮运行状态非接触式测量方法，其特征在于，所述的筋传感器以中心轴对称，弧形中心单层或双层错位对称排布。4.根据权利要求1所述的一种石油钻机天车快轮运行状态非接触式测量方法，其特征在于，检测时所述传感器探头扫描信号进入核心控制单元进行计算，首先由识别层对原始信号进行处理，该识别层的作用是准确识别出加强筋何时扫过探头;接下来，信号进入状态层，状态层对识别层信号进行解析，最终将加强筋的旋转分成多种状态;然后，由解释层对这些状态进行计算，这些状态会被解释成相差90度的两路脉冲，以及每周脉冲数;最后，由表示层把两路脉冲信号转换成所述快轮的转速、圈数或者脉冲计数。5.根据权利要求1或2所述的一种石油钻机天车快轮运行状态非接触式测量方法，其特征在于，所述传感器的感应探头与所述快轮旋转面接近并平行，同时，所述传感器在所述快轮表面投影的中心轴线与快轮的中心轴线重合。
【专利摘要】本发明涉及一种石油钻机天车快轮运行状态非接触式测量方法，该方法使用了非接触方式对天车快轮运行状态进行测量。首先，通过特定传感器获取石油钻机天车快轮表面的金属形状特征；其次，核心控制单元通过这些特征计算出快轮的转动速度、方向、以及位置；最后，用户程序通过天车快轮的运行状态计算出游钩的位置、方向、运行速度、以及井深等参数。针对石油钻机的特殊要求，本发明还提供了所述传感器专门针对于石油行业天车快轮的安装方法。本发明的应用领域并不仅仅局限于石油行业，在任何需要对快速旋转物体进行非接触高精度测量的场合，都可以采用。
【IPC分类】G01M13/00
【公开号】CN105547664
【申请号】CN201510889531
【发明人】裴斐, 陈万春, 高彦峰, 裴坤
【申请人】大庆市万和石油科技开发有限公司
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月4日