油管長度智能計量儀的研制與試驗
【論文摘要】針對油管長度人工計量方法存在的計量精度差赡脚、工人勞動強度大纳倒、生產(chǎn)效率低等問題，研制了以單片微機為核心的油管長度智能計量儀幸持。智能計量儀主要由傳感器苟暗、有效計量鑒別器、分析計算系統(tǒng)和電源四部分組成川砌。通過安裝在滾筒前的傳感器將鋼絲繩的直線運動轉化為摩擦輪的旋轉運動韭寸，以光電轉換裝置將鋼絲繩的線位移量轉換為長度脈沖信號輸送到單片機顯示輸出。鑒于油管下放過程的復雜性和特點荆隘，采用有效計量鑒別器作有效計量控制恩伺。模擬試驗結果表明，這種油管長度計量儀測量原理可行椰拒，測量精度可達1‰晶渠。
Development and test of tubing length intelligent measurer.
Wu Wenxiu,Liu Li,Li Wenxing,et al
(Mechanical Engineering Dept.of Jianghan Petroleum University,Jingzhou City,Hubei Province)
A tubing length intelligent measurer was developed in the light of low measuring accuracy,high labor intensity and low efficiency of manual measuring.The linear motion of the wire rope is rurned into the rotational movement of the puley by the sensor mountedin ffont of the drum,and the linear displacement of the wire rope is turned into pulses by the optical coupler,then thd measurment in conideration of the complexity of running tubings.The result of the simulation test shows tha the tubing length intelligent measurer runs well with high accuracy.
Subject Concept Terms:tubing length measurement measurer computer application test
通過油管長度的丈量可以精確定位抽油泵、射孔設備等在井下的位置燃观，也便于掌握生產(chǎn)進度褒脯，及時調整生產(chǎn)工藝。傳統(tǒng)的計量方法是人工丈量仪壮，計量精度差（一般要求3‰）憨颠，工人勞動強度大，生產(chǎn)效率低积锅。有的油田除人工計量外爽彤，還要再次下專用儀器測量井下工具的精確位置。為了改變這種狀況缚陷，筆者研究開發(fā)了智能化的油管長度在線計量儀适篙，不僅可有效提高油管長度的計量精度，減輕工人的勞動強度拱矫，而且減少修井工序漂手，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益牌聋。這種儀器如能在通井機或修井機生產(chǎn)廠家配套生產(chǎn)曼散，可提高產(chǎn)品的機－光－電－液一體化水平，增加產(chǎn)品的使用功能嫂前，提高產(chǎn)品在市場上的競爭能力污兄。
設計原則
在下放油管的作業(yè)中伴隨著許多輔助操作過程，并且修井作業(yè)都是在野外進行萝渐，因此對油管長度智能計量儀的研究開發(fā)應遵循以下設計原則午四。
(1)測量自動化，儀表智能化磨慷。對于下放操作中伴隨的許多輔助操作支礼，儀器應能自動識別各操作環(huán)節(jié)把奢，只對下放的有效管長進行自動測量。
(2)油管長度的計量必須真實可靠滨溉，并能自動補償變形誤差,精度達到1‰什湘。
(3)操作簡單。使用者是普通修井作業(yè)工业踏，無需更多的專門知識和培訓禽炬，僅靠簡單介紹就可操作。
(4)儀器應能在野外的冷勤家、熱、雨柳恐、塵伐脖、電等惡劣環(huán)境下正常運行。
(5)修井作業(yè)的場所是經(jīng)常變換的乐设，計量儀的安裝應方便容易讼庇，工作量小，不改變固有的修井操作過程近尚。
(6)儀器的造價應經(jīng)濟合理蠕啄，能達到較高的投入產(chǎn)出比。
(7)測量方法合理可靠戈锻。
(8)在線測量艺踪。在下放油管的同時自動計量油管長度，無需其它輔助測量工序彬膘，以減輕工人的勞動強度滚讼。
系統(tǒng)組成及原理
油管長度智能計量儀主要由傳感器、有效計量鑒別器绝皇、分析計算系統(tǒng)和電源四部分組成绊域，見圖1。油管柱在提升或下放過程中呐猴，游車上升或下降的高度與滾筒卷繞或放出的鋼絲繩長度有如下簡單關系：H=L/6,式中H為游車上升或下降的高度湘都；L為滾筒卷繞或放出的鋼絲繩長度。
圖1 油管長度智能計量儀原理簡圖
1—傳感器常废；2—有效計量鑒別器旱唧；3—分析計算系統(tǒng)
因此，利用間接測量方法能實現(xiàn)油管長度的在線測量极棵，即通過測量鋼絲繩移動的長度來計算游車上升或下降的高度抬邑，也即間接得到了油管提升或下放的長度。因此可在滾筒前設置一傳感器嗤详，輸出鋼絲繩移動的長度信號个扰，并能通過它辨別游車的運動方向瓷炮。但也應注意，隨著下放油管柱長度的不斷增加递宅，鋼絲繩上的力也不斷增加娘香，其變形也逐漸增大，要得到足夠精度的油管長度數(shù)據(jù)办龄，必須建立合適的數(shù)學模型烘绽。
1.傳感器
（1）轉換機構 直接測量鋼絲繩移動的長度是較困難的俐填，必須將其轉換成其它便于記錄的量安接。工程測量中，常將線位移轉換成角位移來進行測量英融，因此可將鋼絲繩移動的長度轉換成摩擦輪轉動的角度進行測量盏檐。為保證測量的準確性，必須保證鋼絲繩與摩擦輪（滑輪）摩擦傳動時摩擦輪作純滾動驶悟。
『啊（2）傳感元件 用于測量角位移量的常用傳感器有霍爾式傳感器和光電式傳感器≌宜霍爾式傳感器是利用霍爾效應進行工作的傳感器厅员，霍爾元件是傳感器的核心敏感元件，具有體積小鸥萌、頻率響應寬幻渤、動態(tài)范圍大、無接觸贡按、壽命長等特點熙屁，但它的溫度穩(wěn)定性較差，易受外界磁場干擾［1］惫吝。
近幾年來匹憎，出現(xiàn)了以光電式傳感器代替霍爾式傳感器的趨勢［2］。光電式傳感器是將光信號轉換成電信號的一種傳感器每镀。采用這種傳感器測量非電量時业满，只要將非電量的變化轉化成光信號的變化即可。以光電傳感器為基礎進行測量具有結構簡單克矿、功耗低李臀、非接觸、可靠性高冷离、精度高和反應快等特點吵冒，因此在自動檢測系統(tǒng)中得到了廣泛應用［3］。
用于非電量檢測的常用光電式傳感器是光電耦合器西剥，實際上是一個電量轉換器痹栖。由于它實現(xiàn)了電隔離亿汞，故抗干擾能力強，而且由于具有單向傳輸功能揪阿，因而有脈沖轉換和直流電平轉換特性疗我。因此，光電耦合器特別適合在數(shù)字邏輯的開關信號傳輸南捂、計算機吴裤、工業(yè)控制機中作二進制的輸入、輸出信號傳輸溺健。油管長度計量儀采用光電耦合器作為物理量轉換器麦牺，將鋼絲繩的線位移量轉換為長度脈沖信號。
2.有效計量鑒別器
修井機工作時矿瘦，起升系統(tǒng)還完成一些與油管下放有關的輔助工作枕面，如從井場提升單根油管等，這時傳感器輸出的長度信號是與油管長度無關的学蛤，必須剔除。因此夫次，在油管長度智能計量儀中還必須設置有效計量鑒別器夭菲。
有效計量鑒別器應該設置在轉換機構上，但這會使轉換機構變得體積龐大而復雜搔冈。據(jù)此摇轨，可利用起升系統(tǒng)在做其它輔助工作時已下油管壓在井口這一事實，在井口設置一壓控開關作為有效計量鑒別器的關鍵器件肩菲。
3.分析計算系統(tǒng)
分析計算系統(tǒng)是油管長度計量儀的核心(以計算機為主)翠坟，是實現(xiàn)自動化、智能化犹佣、高精度測量的基本保證醒狭。傳感器將信號傳輸?shù)接嬎阆到y(tǒng)后，由計算機進行分析皱辞、識別君板、計算、顯示股冗、存儲等霹陡。由于長度計量儀用于實時在線測量，計算機選用MCS51系列單片機中的89C51止状。
4.電源
在野外修井作業(yè)烹棉，供電較困難的情況下，油管長度智能計量儀只能由通井機或修井機的電瓶供電怯疤，故研制的應是低功耗系統(tǒng)浆洗。由于通井機或修井機所用電瓶輸出電壓為12V或24V催束，而單片機系統(tǒng)電源電壓要求在VCC=5V±10%范圍內(nèi)，故電源必須設置直流DC-DC降壓電路辅髓。
模擬試驗與誤差分析
1999年1月泣崩，新研制的油管長度智能計量儀在室內(nèi)進行了模擬試驗，主要目的是檢驗儀器的性能洛口。通過模擬油管下放過程矫付，反復測量大鉤的行程，尋找最大誤差第焰，分析誤差產(chǎn)生的原因 洞歼。
試驗條件：溫度10℃，MR—30型磁帶記錄儀产贤，5020A型示波器宣验。10次試驗結果見表1。
表1 油管長度智能計量儀的室內(nèi)模擬試驗結果
實際值
(mm) 顯示值
(mm) 誤差
(%) 實際值
(mm) 顯示值
(mm) 誤差
(%)
1742.7 1742 0.04 1743.5 1742 0.09
1668.5 1667 0.09 1662.5 1661 0.09
1662.2 1661 0.07 1729.2 1727 0.13
1756.3 1755 0.07 1669.5 1668 0.09
1569.5 1568 0.09 1751.3 1750 0.07
1.理論誤差
傳感器誤差δ1≈0.08%鹦房；軟件編程中引入的誤差δ2≈0.05%娇晦。總的誤差≈0.094%悲社。
2.試驗誤差
從表1中可以看出镀匈，大部分實際測量誤差都在0.094%范圍內(nèi)，只有個別測量誤差超出了理論誤差范圍反没。其原因可能是測量距離太短砰洗，因為以光碼盤輸出長度脈沖的系統(tǒng)，在進行連續(xù)測量時缺员，只有在光碼盤轉動開始和終了時才可能丟失長度脈沖穿桃，而可能丟失的最大數(shù)量與所測的長度無關。
結 論
(1)油管長度智能計量儀所采用的技術方案可行弯囊，測量原理可靠痰哨。
(2)油管長度智能計量儀的測量精度較高，可達1‰常挚，能滿足工程需要作谭。
(3)從模擬試驗情況來看，采用油管長度智能計量儀完全能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工計量方式奄毡，有效減輕工人的勞動強度折欠。
Development and test of tubing length intelligent measurer.
Wu Wenxiu,Liu Li,Li Wenxing,et al
(Mechanical Engineering Dept.of Jianghan Petroleum University,Jingzhou City,Hubei Province)
A tubing length intelligent measurer was developed in the light of low measuring accuracy,high labor intensity and low efficiency of manual measuring.The linear motion of the wire rope is rurned into the rotational movement of the puley by the sensor mountedin ffont of the drum,and the linear displacement of the wire rope is turned into pulses by the optical coupler,then thd measurment in conideration of the complexity of running tubings.The result of the simulation test shows tha the tubing length intelligent measurer runs well with high accuracy.
Subject Concept Terms:tubing length measurement measurer computer application test
通過油管長度的丈量可以精確定位抽油泵、射孔設備等在井下的位置燃观，也便于掌握生產(chǎn)進度褒脯，及時調整生產(chǎn)工藝。傳統(tǒng)的計量方法是人工丈量仪壮，計量精度差（一般要求3‰）憨颠，工人勞動強度大，生產(chǎn)效率低积锅。有的油田除人工計量外爽彤，還要再次下專用儀器測量井下工具的精確位置。為了改變這種狀況缚陷，筆者研究開發(fā)了智能化的油管長度在線計量儀适篙，不僅可有效提高油管長度的計量精度，減輕工人的勞動強度拱矫，而且減少修井工序漂手，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益牌聋。這種儀器如能在通井機或修井機生產(chǎn)廠家配套生產(chǎn)曼散，可提高產(chǎn)品的機－光－電－液一體化水平，增加產(chǎn)品的使用功能嫂前，提高產(chǎn)品在市場上的競爭能力污兄。
設計原則
在下放油管的作業(yè)中伴隨著許多輔助操作過程，并且修井作業(yè)都是在野外進行萝渐，因此對油管長度智能計量儀的研究開發(fā)應遵循以下設計原則午四。
(1)測量自動化，儀表智能化磨慷。對于下放操作中伴隨的許多輔助操作支礼，儀器應能自動識別各操作環(huán)節(jié)把奢，只對下放的有效管長進行自動測量。
(2)油管長度的計量必須真實可靠滨溉，并能自動補償變形誤差,精度達到1‰什湘。
(3)操作簡單。使用者是普通修井作業(yè)工业踏，無需更多的專門知識和培訓禽炬，僅靠簡單介紹就可操作。
(4)儀器應能在野外的冷勤家、熱、雨柳恐、塵伐脖、電等惡劣環(huán)境下正常運行。
(5)修井作業(yè)的場所是經(jīng)常變換的乐设，計量儀的安裝應方便容易讼庇，工作量小，不改變固有的修井操作過程近尚。
(6)儀器的造價應經(jīng)濟合理蠕啄，能達到較高的投入產(chǎn)出比。
(7)測量方法合理可靠戈锻。
(8)在線測量艺踪。在下放油管的同時自動計量油管長度，無需其它輔助測量工序彬膘，以減輕工人的勞動強度滚讼。
系統(tǒng)組成及原理
油管長度智能計量儀主要由傳感器、有效計量鑒別器绝皇、分析計算系統(tǒng)和電源四部分組成绊域，見圖1。油管柱在提升或下放過程中呐猴，游車上升或下降的高度與滾筒卷繞或放出的鋼絲繩長度有如下簡單關系：H=L/6,式中H為游車上升或下降的高度湘都；L為滾筒卷繞或放出的鋼絲繩長度。
圖1 油管長度智能計量儀原理簡圖
1—傳感器常废；2—有效計量鑒別器旱唧；3—分析計算系統(tǒng)
因此，利用間接測量方法能實現(xiàn)油管長度的在線測量极棵，即通過測量鋼絲繩移動的長度來計算游車上升或下降的高度抬邑，也即間接得到了油管提升或下放的長度。因此可在滾筒前設置一傳感器嗤详，輸出鋼絲繩移動的長度信號个扰，并能通過它辨別游車的運動方向瓷炮。但也應注意，隨著下放油管柱長度的不斷增加递宅，鋼絲繩上的力也不斷增加娘香，其變形也逐漸增大，要得到足夠精度的油管長度數(shù)據(jù)办龄，必須建立合適的數(shù)學模型烘绽。
1.傳感器
（1）轉換機構 直接測量鋼絲繩移動的長度是較困難的俐填，必須將其轉換成其它便于記錄的量安接。工程測量中，常將線位移轉換成角位移來進行測量英融，因此可將鋼絲繩移動的長度轉換成摩擦輪轉動的角度進行測量盏檐。為保證測量的準確性，必須保證鋼絲繩與摩擦輪（滑輪）摩擦傳動時摩擦輪作純滾動驶悟。
『啊（2）傳感元件 用于測量角位移量的常用傳感器有霍爾式傳感器和光電式傳感器≌宜霍爾式傳感器是利用霍爾效應進行工作的傳感器厅员，霍爾元件是傳感器的核心敏感元件，具有體積小鸥萌、頻率響應寬幻渤、動態(tài)范圍大、無接觸贡按、壽命長等特點熙屁，但它的溫度穩(wěn)定性較差，易受外界磁場干擾［1］惫吝。
近幾年來匹憎，出現(xiàn)了以光電式傳感器代替霍爾式傳感器的趨勢［2］。光電式傳感器是將光信號轉換成電信號的一種傳感器每镀。采用這種傳感器測量非電量時业满，只要將非電量的變化轉化成光信號的變化即可。以光電傳感器為基礎進行測量具有結構簡單克矿、功耗低李臀、非接觸、可靠性高冷离、精度高和反應快等特點吵冒，因此在自動檢測系統(tǒng)中得到了廣泛應用［3］。
用于非電量檢測的常用光電式傳感器是光電耦合器西剥，實際上是一個電量轉換器痹栖。由于它實現(xiàn)了電隔離亿汞，故抗干擾能力強，而且由于具有單向傳輸功能揪阿，因而有脈沖轉換和直流電平轉換特性疗我。因此，光電耦合器特別適合在數(shù)字邏輯的開關信號傳輸南捂、計算機吴裤、工業(yè)控制機中作二進制的輸入、輸出信號傳輸溺健。油管長度計量儀采用光電耦合器作為物理量轉換器麦牺，將鋼絲繩的線位移量轉換為長度脈沖信號。
2.有效計量鑒別器
修井機工作時矿瘦，起升系統(tǒng)還完成一些與油管下放有關的輔助工作枕面，如從井場提升單根油管等，這時傳感器輸出的長度信號是與油管長度無關的学蛤，必須剔除。因此夫次，在油管長度智能計量儀中還必須設置有效計量鑒別器夭菲。
有效計量鑒別器應該設置在轉換機構上，但這會使轉換機構變得體積龐大而復雜搔冈。據(jù)此摇轨，可利用起升系統(tǒng)在做其它輔助工作時已下油管壓在井口這一事實，在井口設置一壓控開關作為有效計量鑒別器的關鍵器件肩菲。
3.分析計算系統(tǒng)
分析計算系統(tǒng)是油管長度計量儀的核心(以計算機為主)翠坟，是實現(xiàn)自動化、智能化犹佣、高精度測量的基本保證醒狭。傳感器將信號傳輸?shù)接嬎阆到y(tǒng)后，由計算機進行分析皱辞、識別君板、計算、顯示股冗、存儲等霹陡。由于長度計量儀用于實時在線測量，計算機選用MCS51系列單片機中的89C51止状。
4.電源
在野外修井作業(yè)烹棉，供電較困難的情況下，油管長度智能計量儀只能由通井機或修井機的電瓶供電怯疤，故研制的應是低功耗系統(tǒng)浆洗。由于通井機或修井機所用電瓶輸出電壓為12V或24V催束，而單片機系統(tǒng)電源電壓要求在VCC=5V±10%范圍內(nèi)，故電源必須設置直流DC-DC降壓電路辅髓。
模擬試驗與誤差分析
1999年1月泣崩，新研制的油管長度智能計量儀在室內(nèi)進行了模擬試驗，主要目的是檢驗儀器的性能洛口。通過模擬油管下放過程矫付，反復測量大鉤的行程，尋找最大誤差第焰，分析誤差產(chǎn)生的原因 洞歼。
試驗條件：溫度10℃，MR—30型磁帶記錄儀产贤，5020A型示波器宣验。10次試驗結果見表1。
表1 油管長度智能計量儀的室內(nèi)模擬試驗結果
實際值
(mm) 顯示值
(mm) 誤差
(%) 實際值
(mm) 顯示值
(mm) 誤差
(%)
1742.7 1742 0.04 1743.5 1742 0.09
1668.5 1667 0.09 1662.5 1661 0.09
1662.2 1661 0.07 1729.2 1727 0.13
1756.3 1755 0.07 1669.5 1668 0.09
1569.5 1568 0.09 1751.3 1750 0.07
1.理論誤差
傳感器誤差δ1≈0.08%鹦房；軟件編程中引入的誤差δ2≈0.05%娇晦。總的誤差≈0.094%悲社。
2.試驗誤差
從表1中可以看出镀匈，大部分實際測量誤差都在0.094%范圍內(nèi)，只有個別測量誤差超出了理論誤差范圍反没。其原因可能是測量距離太短砰洗，因為以光碼盤輸出長度脈沖的系統(tǒng)，在進行連續(xù)測量時缺员，只有在光碼盤轉動開始和終了時才可能丟失長度脈沖穿桃，而可能丟失的最大數(shù)量與所測的長度無關。
結 論
(1)油管長度智能計量儀所采用的技術方案可行弯囊，測量原理可靠痰哨。
(2)油管長度智能計量儀的測量精度較高，可達1‰常挚，能滿足工程需要作谭。
(3)從模擬試驗情況來看，采用油管長度智能計量儀完全能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工計量方式奄毡，有效減輕工人的勞動強度折欠。
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