含双传感单元可消除偏心误差的螺杆泵井角速度测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明利用物体绕定轴旋转时产生离心力以及梁受力弯曲和应变测力的相关原理与方法，设计了一种含双传感单元可消除偏心安装误差的螺杆泵井角速度测量装置，包括一马蹄形开口式金属壳，安装在马蹄形开口式金属壳内的第一加速度测量装置和第二加速度测量装置，以及信号处理及无线发送电路板及小尺寸大容量电池；本发明开口式设计，方便施工现场安装；本发明设计的加速度传感装置简单成本低廉可靠性高。采用双传感单元，利用两个加速度传感装置测量结果做差的方法测角速度，可以消除安装不当带来的偏心误差对结果的影响；采用无线传输装置可以实现油田螺杆泵井角速度的实时连续测量。
【专利说明】
含双传感单元可消除偏心误差的螺杆泵井角速度测量装置
技术领域
[0001] 本发明属于油田机械测量技术领域，具体涉及一种开口式含双传感单元的可以消 除测量装置安装偏心误差的油田螺杆栗井角速度实时测量装置。
【背景技术】
[0002] 在螺杆栗的采油过程中，螺杆栗的角速度的大小直接影响着栗的效率和寿命，是 反应螺杆栗油井工作状态的重要参数。目前工作的螺杆栗添加角速度测量装置时，往往有 不改变原有设备结构，不影响设备的工作性能，且具有便于安装、拆卸、便于维护甚至免维 护的要求。而基于单传感单元的角速度测量装置测量精度往往与螺杆栗转轴中心和传感器 的距离即回转半径有关。安装时需要根据实际情况修改传感器的内部参数。然而，油田的螺 杆栗设备种类繁多，螺杆栗光杆的尺寸也往往不一致，根据实际设备尺寸定制传感器参数 工作量大，成本高，也影响生产效率。螺杆栗在维修时需要将传感器拆下后再装上。这时，传 感器中心与螺杆栗中心的距离往往会发生变化，然而油田操作工往往不具备传感器安装调 试技术，在无专业传感器安装调试人员时，难免引入偏心误差，影响测量精度。
【发明内容】
[0003] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种含双传感单元可消 除偏心安装误差的螺杆栗井角速度测量装置，该装置具有便于安装、可消除安装偏心引起 的误差、可实现在线实时测量的特点。
[0004] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] 含双传感单元可消除偏心安装误差的螺杆栗井角速度测量装置，包括马蹄形开口 式金属壳5，安装在马蹄形开口式金属壳5内的第一加速度测量装置1、第二加速度测量装置 2、信号处理及无线发送电路板3及小尺寸大容量电池4;所述马蹄形开口式金属壳5的马蹄 形缺口用于和螺杆栗的转轴安装并通过压片螺钉与转轴固定，能够无滑动随着转轴旋转； 所述第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2垂直于马蹄形开口的圆面的径向方向 平行布置，两者沿径向距离为一定值，两者材料和尺寸完全相同，由位于中心的中间金属块 和相对两边伸出的一对柔性金属梁组成，每对柔性金属梁与马蹄形开口式金属壳5相连接 的根部附近上下表面贴有电阻应变片;所述信号处理及无线发送电路板3平行与第一加速 度测量装置1和第二加速度测量装置2安装在马蹄形开口式金属壳5内远离缺口 一侧;所述 小尺寸大容量电池4固定在马蹄形开口式金属壳5内靠近缺口 一侧;所述第一加速度测量装 置1和第二加速度测量装置2的电阻应变片均接入信号处理及无线发送电路板3组成两个全 桥电路。
[0006] 所述马蹄形开口式金属壳5内部安装各个部件，外部通过马蹄形缺口与螺杆栗转 轴连接并通过螺钉及压板固定，保证无相对滑动；当马蹄形开口式金属壳5及其内部部件随 着转轴转动时，由于第一加速度测量装置1的中间金属块受到离心力的作用，沿着转轴径向 产生位移的同时使相连的柔性金属梁在与金属块相连处产生一定挠度的同时，在各柔性金 属梁靠近马蹄形开口式金属壳5的一端会产生较大的应变;此时，贴在柔性金属梁根部附近 的电阻应变片会产生应变，且靠近马蹄形缺口 一侧为拉应变，远离马蹄形缺口一侧为压应 变；同理，第二加速度测量装置2靠近马蹄形缺口 一侧为拉应变，远离马蹄形缺口一侧为压 应变;且柔性金属梁产生的应变与中间金属块的离心力为线性关系，而离心力与角速度的 平方成线性关系；因此，通过测量柔性金属梁的应变信息能够计算出螺杆栗的角速度;信号 处理与无线发送电路板3的信号处理与无线发送电路分别将两个全桥电路输出信号放大处 理后经过AD转换送入至板上Μ⑶，Μ⑶将处理后的信号通过板载无线发送模块发送至外部接 收终端;从而实现对螺杆栗井角速度的实时测量。
[0007] 所述螺杆栗井角速度的计算过程如下：
[0008] 该装置的尺寸结构关系图如图2所示。其离心力计算关系式如下：
[0009] Fi=mi ω 2ri (1)
[0010] F2=m ω 2r2 (2)
[0011] 其中：
[0012] 分别为第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2的中间金属块所受离 心力大小；
[0013] ri、r2分别为第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2的中间金属块距离螺 杆栗转轴中心的距离，即回转半径；
[0014] πη、!^分别为第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2的中间金属块的质量；
[0015] 由于第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2材料、结构尺寸完成相同，所 以：
[0016] mi=m2=m
[0017] 式⑵-式⑴：
[0018] F2-F1=mi ω 2ri-m2 ω 2r2
[0019] =(ri-r2)mco2
[0020] =m ω2 · Δ r
[0021] 令 AF=F2-Fi，则
[0022] Δ F=m ω2 Δ r
[0023] 即AF值与η、r2无关，与第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2的距离Δ r 有关；由此可得：
[0024]
[0025] 和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
[0026] 1)、结构紧凑，开口式设计，方便施工现场安装。
[0027] 2)、加速度测量装置结构简单，成本低。
[0028] 3)、采用双传感单元，利用两个加速度传感装置测量结果做差的方法测角速度，可 以消除安装不当带来的偏心误差对结果的影响，便于工业现场使用。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明装置结构图。
[0030] 图2为加速度测量装置结构关系图。
[0031] 图3为加速度测量装置工作示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步详细说明：
[0033] 如图1所示，本发明一种含双传感单元可消除偏心安装误差的螺杆栗井角速度测 量装置，包括一马蹄形开口式金属壳5,安装在马蹄形开口式金属壳5内的第一加速度测量 装置1和第二加速度测量装置2,以及信号处理及无线发送电路板3及小尺寸大容量电池4。 马蹄形缺口用于和螺杆栗的转轴安装并通过压片螺钉与转轴固定，可无滑动随着转轴旋 转。第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2材料尺寸等完全相同，并行布置，且垂直 于马蹄形金属壳的对称轴，且第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2间距离为一定 值。第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2由一个位于中心的金属立方体和相对两 边伸出的一对柔性金属梁组成。柔性金属梁平行于转轴中心，柔性金属梁另一端与马蹄形 开口式金属壳5相连并固定。第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2的柔性金属梁 与马蹄形开口式金属壳5相连处根部上下表面贴有电阻式应变片。第一加速度测量装置1的 左端柔性梁1-3上下表面分别贴有第一电阻应变片1-2和第二电阻应变片1-1，第一加速度 测量装置1的右端柔性梁1-4上下表面分别贴有第三电阻应变片1-5和第四电阻应变片1-6。 第二加速度测量装置2的左端柔性梁2-3上下表面分别贴有第五电阻应变片2-2和第六电阻 应变片2-1，第二加速度测量装置2的右端柔性梁2-5上下表面分别贴有第七电阻应变片和 2-6第八电阻应变片2-7。
[0034] 信号处理及无线发送电路板3平行于第一加速度测量装置1和第二加速度测量装 置2，安装在马蹄形开口式金属壳5内远离缺口 一侧。信号处理及无线发送电路板3主要功能 是形成两个应变测量全桥，并测量两个全桥输出的差值。经MCU处理后通过无线通信模块将 角速度信息发送至外部接收终端。小尺寸大容量电池4固定在马蹄形开口式金属壳内5,靠 近缺口 一侧，主要为信号处理及无线发送电路板3提供长时间稳定的供电。
[0035] 上述一种含双传感单元可消除偏心安装误差的螺杆栗井角速度测量装置的测量 方法如下：马蹄形开口式金属壳5内部安装各个部件，外部通过马蹄形缺口与螺杆栗转轴连 接并通过螺钉及压板固定，保证无相对滑动。如图3所示，当马蹄形开口式金属壳5及其内部 部件随着转轴转动时，由于第一加速度测量装置1的中间金属块1-7在惯性力的作用下沿着 转轴径向产生位移的同时使相连的左端柔性梁1-3和右端柔性梁1-4在与中间金属块1-7相 连处产生一定挠度，在各柔性梁靠近马蹄形开口式金属壳5的一端会产生较大的应变。左端 柔性梁1-3靠近马蹄形开口式金属壳5的根部上下表面分别会产生压应变和拉应变，可分别 通过第一电阻应变片1-2和第二电阻应变片1-1测得。右端柔性梁1-4靠近马蹄形开口式金 属壳5的根部上下表面分别会产生压应变和拉应变，可分别通过第三电阻应变片1-5和第四 电阻应变片1-6测得。
[0036] 第二加速度测量装置2的中间金属块2-4在惯性力的作用下，沿着转轴径向产生位 移的同时使相连的左端柔性梁2-3和右端柔性梁2-5在与金属块2-4相连处产生一定挠度的 同时，在各柔性梁靠近马蹄形开口式金属壳5的一端会产生较大的应变，且靠近马蹄形缺口 一侧为拉应变，远离马蹄形缺口 一侧为压应变。左端柔性梁2-3靠近马蹄形开口式金属壳5 的根部上下表面分别会产生压应变和拉应变，可分别通过第五电阻应变片2-2和第六电阻 应变片2-1测得。右端柔性梁2-5靠近马蹄形开口式金属壳壳5的根部上下表面分别会产生 压应变和拉应变，可分别通过第七电阻应变片2-6和第八电阻应变片2-7测得。
[0037] 贴在柔性梁根部附近的电阻应变片会产生应变，梁产生的应变与中间金属块的离 心力为线性关系，而离心力与角速度的平方成线性关系。离心力计算关系式如下：
[0038] Fi=mi ω 2ri (1)
[0039] F2=m ω 2r2 (2)
[0040] 其中：
[0041] 分别为第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2中间质量块1-7和中间 质量块2-4所受离心力大小。
[0042] ri、r2分别为第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2中间质量块1-7和中间 质量块2-4距离螺杆栗转轴中心的距离，即回转半径，如图2所示。
[0043] nu、m2分别为第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2中间质量块1-7和中间 质量块2-4的质量。
[0044] 由于第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2材料、结构尺寸完成相同，所 以：
[0045] mi=m2=m
[0046] 式(2)_ 式(1):
[0047] F2-F1=mi ω 2ri-m2 ω 2r2
[0048] =(ri-r2)mco2
[0049] =m ω2 · Δ r
[0050] 令 AF=F2-Fi，则
[0051 ] Δ F=m ω2 Δ r
[0052] 即AF值与η、r2无关，与第一加速度测量装置1和第二加速度测量装置2的距离Δ r 有关。由此可得：
[0053]
[0054]因此，通过测量柔性梁的应变信息可以计算出螺杆栗井的角速度。信号处理与无 线发送电路板3分别将第一加速度测量装置1上的第一电阻应变片1-2、第二电阻应变片1-1、第三电阻应变片1-5、第四电阻应变片1-6和第二加速度测量装置2上的第五电阻应变片 2-2、第六电阻应变片2-1、第七电阻应变片2-6、第八电阻应变片2-7接入电路组成两个全桥 电路。并将桥路输出信号放大处理后经过AD转换送入至板上MCUJCU将处理后的信号通过 板载无线发送模块发送至外部接收终端。从而实现对螺杆栗角速度的实时测量。
【主权项】
1. 含双传感单元可消除偏屯、安装误差的螺杆累井角速度测量装置，其特征在于:包括 马蹄形开口式金属壳(5)，安装在马蹄形开口式金属壳(5)内的第一加速度测量装置（1)、第 二加速度测量装置(2)、信号处理及无线发送电路板(3)及小尺寸大容量电池(4);所述马蹄 形开口式金属壳(5)的马蹄形缺口用于和螺杆累的转轴安装并通过压片螺钉与转轴固定， 能够无滑动随着转轴旋转;所述第一加速度测量装置(1)和第二加速度测量装置(2)垂直于 马蹄形开口的圆面的径向方向平行布置，两者沿径向距离为一定值，两者材料和尺寸完全 相同，由位于中屯、的中间金属块和相对两边伸出的一对柔性金属梁组成，每对柔性金属梁 与马蹄形开口式金属壳(5)相连接的根部附近上下表面贴有电阻应变片;所述信号处理及 无线发送电路板(3)平行与第一加速度测量装置(1)和第二加速度测量装置(2)安装在马蹄 形开口式金属壳(5)内远离缺口一侧;所述小尺寸大容量电池(4)固定在马蹄形开口式金属 壳(5)内靠近缺口一侧;所述第一加速度测量装置（1)和第二加速度测量装置(2)的电阻应 变片均接入信号处理及无线发送电路板(3)组成两个全桥电路。2. 权利要求1所述含双传感单元可消除偏屯、安装误差的螺杆累井角速度测量装置的测 量方法，其特征在于:所述马蹄形开口式金属壳(5)内部安装各个部件，外部通过马蹄形缺 口与螺杆累转轴连接并通过螺钉及压板固定，保证无相对滑动；当马蹄形开口式金属壳巧） 及其内部部件随着转轴转动时，由于第一加速度测量装置（1)的中间金属块受到离屯、力的 作用，沿着转轴径向产生位移的同时使相连的柔性金属梁在与金属块相连处产生一定晓度 的同时，在各柔性金属梁靠近马蹄形开口式金属壳(5)的一端会产生较大的应变;此时，贝占 在柔性金属梁根部附近的电阻应变片会产生应变，且靠近马蹄形缺口一侧为拉应变，远离 马蹄形缺口一侧为压应变；同理，第二加速度测量装置(2)靠近马蹄形缺口一侧为拉应变， 远离马蹄形缺口一侧为压应变;且柔性金属梁产生的应变与中间金属块的离屯、力为线性关 系，而离屯、力与角速度的平方成线性关系；因此，通过测量柔性金属梁的应变信息能够计算 出螺杆累井的角速度;信号处理与无线发送电路板(3)的信号处理与无线发送电路分别将 两个全桥电路输出信号放大处理后经过AD转换送入至板上MCU，MCU将处理后的信号通过板 载无线发送模块发送至外部接收终端;从而实现对螺杆累井角速度的实时测量。3. 根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：所述螺杆累井角速度的计算过程如 下： 离屯、力计算关系式如下：其中： Fi、F2分别为第一加速度测量装置（1)和第二加速度测量装置(2)的中间金属块所受离 屯、力大小； ri、n分别为第一加速度测量装置（1)和第二加速度测量装置(2)的中间金属块距离螺 杆累转轴中屯、的距离，即回转半径； mi、m2分别为第一加速度测量装置(1)和第二加速度测量装置(2)的中间金属块的质量； 由于第一加速度测量装置（1)和第二加速度测量装置(2)材料、结构尺寸完成相同，所 mi=m2=m即AF值与ri、n无关，与第一加速度测量装置(1)和第二加速度测量装置(2)的距离Δ r 有关；由此可得：
【文档编号】G01P3/44GK105974157SQ201610416554
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】田征, 徐明龙, 邵妍, 敬子建, 马国亮, 冯勃
【申请人】西安交通大学