采油螺杆泵光杆扭矩和轴向力集成传感器的研究

论文摘要

螺杆泵采油系统在粘度高、油气比高、含砂量高、产量低的油田表现出不可替代的优越性,并且其体积小、造价低、效率高的优势是其它任何采油设备都不具有的,因而近年来螺杆泵在国内外的油田应用越来越广泛,具有广阔的发展前景。随着螺杆泵采油系统的应用越来越广泛,其工作过程中的高故障率逐渐受到现场工程技术人员的重视,高故障率大大影响了石油开采效率,这使得对螺杆泵工况进行实时监测的重要性凸显了出来,根据已有的螺杆泵各种故障与表征参数的关系,学术界认为螺杆泵采油系统发生故障的主要征兆是扭矩、轴向力数值的变化。由于国内外对螺杆泵采油系统的研究相对滞后,虽然学术界和工程界研究出了若干种用于螺杆泵健康状况监测的传感器方案,但由于存在着种种问题,一直不能满足螺杆泵实际工况的要求。本文深入分析了螺杆泵的工作特点、螺杆泵用传感器的性能需求,确定了螺杆泵用传感器的设计原则,深入分析、比较了多种扭矩、轴向力测量方案和数据传输、通信方案,选择了最合适的方案;建立了螺杆泵杆柱系统的静力学、动力学模型,分别进行了受力分析,并计算出了扭矩、轴向力的近似值,对敏感元件进行结构设计,建立了压扭复合空心杆的Pro/E模型,进行了基于ANSYS的应力应变分析,实现了强度校核,并确定了粘贴应变片的位置,研究并确定了传感器的封装方案;根据设计原则选择电路元器件,设计了放大电路、模数转换电路,分析GPRS DTU的功能并进行了选型,设计了单片机与GPRS DTU的接口电路;推导了扭矩、轴向力与输出桥压的关系式,编写了数采节点的程序,对传感器的标定方法进行了探讨。本文的创新点体现在采用有限元法计算杆柱系统动力学模型的扭矩;应用ANSYS分析了压扭复合杆的应力应变;结合实际要求提出了合理封装方案;就模数转换电路的参考电压精度和时钟脉冲精度问题进行了深入分析与研究,确保了ICL7135高精度工作;针对单片机接口占用过多的问题进行了分析与研究,得出了最省接口的方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题的目的和意义
• 1.3 螺杆泵系统概述
• 1.3.1 螺杆泵系统组成
• 1.3.2 螺杆泵系统工作原理
• 1.4 国内外研究现状及存在的问题
• 1.4.1 国内外研究现状
• 1.4.2 目前存在的问题
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 传感器系统总体方案研究与实现
• 2.1 方案设计原则
• 2.2 扭矩、轴向力测量方案研究
• 2.3 信号传输方案
• 2.3.1 转轴与数采节点的信号传输方案
• 2.3.2 数采节点与上位机的通信方案
• 2.4 总体方案的实现
• 2.5 本章小结
• 第3章 传感器本体建模与分析
• 3.1 杆柱系统力学模型的建立与分析
• 3.1.1 杆柱系统静力学模型建立与分析
• 3.1.2 杆柱系统动力学模型建立与分析
• 3.2 敏感元件建模与分析
• 3.2.1 敏感元件的结构
• 3.2.2 压扭复合空心杆PRO/E 建模
• 3.2.3 基于ANSYS 的压扭复合空心杆应变分析
• 3.3 双参数传感器封装方法研究
• 3.4 应变片粘贴与组桥
• 3.4.1 应变片选择
• 3.4.2 应变片组桥
• 3.4.3 应变片粘贴
• 3.5 本章小结
• 第4章 传感器系统的硬件分析与设计
• 4.1 元器件选择
• 4.2 放大电路
• 4.3 模数转换电路
• 4.4 通信电路
• 4.4.1 通信方案选择
• 4.4.2 GPRS DTU
• 4.4.3 通信电路
• 4.5 本章小结
• 第5章 扭矩和轴向力集成传感器的数据处理
• 5.1 桥压输出与扭矩、轴向力关系式推导
• 5.2 数采节点程序编写
• 5.3 双参数传感器标定方法
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢