（检测技术与自动化装置专业论文）基于现场总线can的钻井参数测量.pdf

摘要 基于现场总线c a n 的钻井参数测量 摘要 现场总线式传感器的出现使得传感器技术、数字化技术和计算机 技术更好地结合起来，满足了测控系统信息量愈来愈大、信息传输速 度愈来愈高的需求，总线式传感器在市场中的应用也愈来愈广泛。 本文首先分析了总线式传感器的工作原理、内部结构和由其构成 的分布式测控系统的结构。 然后基于此结构模型设计了c a n 总线式传感器，对钻井过程中 的重要参数进行测量和变送，包括转盘扭矩、大钩载荷、转杆温度和 钻杆转速。其中前三个参数采用接触式测量，用无线数据传输模块实 现了信号的无线传输；钻杆转速采用霍尔元件实现非接触式测量。用 微处理器、c a n 控制器和c a n 收发器组成了c a n 总线节点，将放 大处理后的敏感元件输出信号转换为c a n 数据帧，发往c a n 总线服 务器节点和相关执行节点。 最后还设计了基于c a n 总线的天车防撞和报警装置，对游车位 置的探测由红外光电开关完成。 实验结果表明本课题的设计对实现总线式传感器及系统有实际的 参考价值。 关键词：总线式传感器，现场总线，c a n ，钻井参数测量 摘要 t h em 匣a s u r e m e n to fp a r a m 匝t e r si n 、l l d r i l l n 町gb a s e do nc a nf i e l d b u s a b s t r a c t t h e 印p e 耵a 1 1 c eo ff i e l d b u ss e n s o r h a sr e a l i z e db e t t e rc o m b i n a t i o no f 廿l et e c h n o l o g i e so f s e n s o r ，d i 西t i z e da i l dc o r n p u t e r ，i th a sm e t 也ed e m a n d s i nt 1 1 e i n c r e a s i n g l yl 鹕ea n l o u n to fi n f o m a t i o na n d1 1 i 曲s p e e do f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，m ea p p l i c a t i o no ff i e l d b u ss e n s o ri n m a r k e ti sm o r ea 1 1 dm o r ee x t e n s i v e a tf l r s t ，t 1 1 ew o r k p r i n c i p l ea n di 1 1 s i d es 恤1 c t u r eo f m ef i e l d b u ss e n s o r h a sb e e na i l a l y z e di nt h i ss u b j e c t ，a n dm es t m c 缸o fd i s 舶u t e ds y s t e m f o 蛐e db yf i e l d b u ss e n s o rh a sb e e ni n 打o m j c e d t h e n ，s o m ec a nb u ss e n s o r sa r ed e s i g n e db a s e do nt 1 1 i ss t n j c t u r e m o d e lt om e a s u r ea 1 1 d 仃 m s m i tt 1 1 es e v e r a l i h l p o r t a mp a r a m e t c r smt l l e c o u r s eo fw e l ld r i l l i n g t h e s ep a r 锄e t e r si n c l u d eo ft 圭l et o r q u eo f t u r n p l a t e ， t h ep r e s s u r eo fh o o k ，t 1 1 et e m p e r 种u r eo fr o l l i n gs h a ra 1 1 dt h er o t a t i o n s p e e do ft u n l p l a t e a m o n gt l l e m ，t h em e a s u r e m e n to ft l l ef i r s tm r e e p a r 锄e t e r sa d o p t e dt 1 1 ec o n t a c t 啊p em e t h o d ，a i l dt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n o f t l l es i g n a l sh a sb e e nr e a l i z e dt h m u 曲谢r e l e s sd a t a 缸讹s i l l i s s i o nm o d u l e ， m em e a s u r e m e mo fm er o t a t i o n s p e e d o ft u m p l a t e a d o p t e d恤 n o n 。c o m a c t - t y p em e t l l o dt h r o u g hu s i n gh a l le l e m e n ts e n s o r t h e 劬c t i o n l t 摘要 o fc a nb u sn o d e sh a v eb e e nr e a l i z e dt 1 1 r o u g hm i c mp r o c e s s o r s ，c a n c o n t m l l e r sa n dc a nt r a n s c e i v e r s t h eo u t p u ts i 罂l a l so fs e n s i t i v ee l e m e m a r ea 【n p l i f i e da n dp i d c e s s e d ，t l l ep r o c e s s e ds i g n a l sw o u l db ec h a n g e di n t o c a nd a t a 矗锄ea i l db es e n tt ot l l es e r v e rn o d eo rc o r r e l a t i v ee x e c u t i n g n o d e so nc a nb u s f i n a l i y ；ah i t - a g a i n s td e v i c ea n da l a md e v i c ef b rc r a n ea r ed e s i g n e d i nm e s ed e v i c e s ，廿l ep o s i t i o no fc u r s o rc r a n e 、v a sd e t e c t e db yi n 疔a r e d p h o t o e l e c t r i cs w i t c h t h er e s u l t so fe x p e r i l n e n th a v ep m v e dt l l a tm e d e s i g no f m i sp 印e rh a s r e a l r e f e r e n c ev a l u ef o ri m p l e m e m i n gaf i e l d b u ss e n s o r k e yw o r d s ：f i e l d b u ss e n s o r f i e l d b u s ，c a n ，m em e a s u r e m e n to f p a r a n l e t e r si nw e ud r i l l i n g 符号说明 符号说明 a c f ：a c c e d t a i l c ef i l t e r ，验收滤波器 a c r ：a c c e p t a l l c ec o d er e g i s t e r ，验收代码寄存器 a m r ：a c c e p t a i l c em a s kr e g i s t e r ，验收屏蔽寄存器 b t l ：b i tt i m i i l gl o g i c ，位时序逻辑 b t r ：b u st i m i n gr 耀：i s t e r ，总线定时寄存器 b s p ：b i ts 恤锄p r o c e s s o r ，位流处理器 c a n ：c o n 舶l l e r a r e a n 曲 ，o r k ，控制器局域网 c d r ：c l o c kd i v i s i o nr e g i s t c r ，时钟分频寄存器 c r c ：c y c l i cr e d u i l d a l l c yc h e c k ，循环冗余校验 d l c ：d a t al o n gc o d e ，数据长度码 e m l ：e n d rm a l l a g e m e n tl o g i c ，错误管理逻辑 f f ：f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，基金会现场总线 f i f o ：f i r s t1 1 1f i r s to u t ，先入先出 h a r t ：h i 曲w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a l l s d u c e r ，高速可寻址远程传感器 i d e ：i d e m m e re x t e n s i o nb i t ，标识码扩展位 l s b ：l e a s ts i g n i f i c 锄tb i t ，最低有效位 m a c ：m e d i a a c c e s sc o i l 廿o l ，介质访问控制 m s b ：m o s ts i g 血f i c a mb i t ，最高有效位 n c a p ：n e t 、v o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ，网络适配处理器 r t r ：r c m o t ct r a n s m i s s i o nr e q u e s tb i t ，远程发送请求位 r x b ：r e c e i v eb u 船r ，接收缓冲器 s t i m ：s m a nt r a l l s d u c e ri n t e r f k em o d l l l e ，智能变送器接口 t x b ：t r 匝s l i tb u 脏r ，发送缓冲器 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：哆歌 2 0 0 6 年石月日 北京化工大学硕士学位论文 1 1c a n 总线技术概述 第一章概述 现场总线( f i e l d b l l s ) 技术形成于2 0 世纪8 0 年代中期，在这近2 0 年的历程 中，随着微型计算机、嵌入式系统的高速发展，现场总线技术逐渐走向成熟并且 得到了逐步的推广和应用，充分显示出了它特有的优势和强大的生命力。 现场总线是一种用于智能现场设备和自动化系统的开放式、数字化、多结点 的通讯技术。它实现了现场设备之间的多点数字通信以及系统与外界之间的信息 交换，既是一个开放式开放式通信网络，又是一种全分布式控制系统。总线上以 短帧传送数据，从而提高了其实时性，并且降低了受干扰的概率，这在复杂的工 业现场的信息传递中显得尤为重要。【l 】 本课题的设计内容主要基于现场总线c a n 来实现。 c a n ，是控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e a n e 铆o r k ) 的简称，是国际上应用最 广泛的现场总线之一。b o s c h 公司最早提出c a n 协议后，世界上各大半导体器 件生产厂商都相继推出了各种集成有c a n 协议的产品。8 0 年代末i n t e l 公司率 先研制出c a n 总线通信控制器8 2 5 2 6 ，它是c a n 协议的第一个在硬件上的实现， 随后p h i l i p s 公司推出c a n 总线通信控制器8 2 c 2 0 0 ，9 0 年代p h i l i p s 公司又 推出了桌a d 、p w m 以及c a n 通信控制器于一身的基于m c s 5 1 核心的单片机 系列8 x c 5 9 2 ，此外，m o t o r o l a 、s i e m e n s 、n e c 等公司都推出了相应的c a n 总线芯片产品。c a n 协议在如此短的时间内得到如此多半导体厂商的青睐，足以 证明c a n 总线是最有发展前景的现场总线之一。【2 】 最初，c a n 总线被设计作为汽车环境内微控制器间的通讯，在车载各电子控 制装置( e c u ) 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：在发动机管理系 统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均可嵌入c a n 控制装置。 目前，由于c a n 总线布线简单、成本低、易开发的特点，并具有较好的实 时| 眭、可靠性、灵活性等优点，其应用范围己不再局限于汽车行业，而向工业自 动控制、航空航天、机械加工、机器人、医疗器械及传感器等领域发展。特别是 基于c a n 总线的智能传感器种类越来越多：汽车转速传感器、机器人力力矩传 感器、农业光强度传感器、图像位移传感器、数字化温度传感器等等。 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与其他的通信总线相比，其 数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，主要具有以下特征： ( 1 ) 数据信号采用差分电压传输，两条信号线“c a nh ”和“c a nl ”， 它们在静态时均为2 5 v ，此视为逻辑状态“1 ”，也称作“隐性”；“c a nh ”上 的电平比“c a nl ”高，一般为c a nh = 3 5 v ，c a nl = 1 5 v ，表示逻辑“0 ”， 也称为“显性”。 ( 2 ) c a n 总线传输介质可用双绞线、同轴电缆或光纤，具有较强的抗干扰 能力，同时可满足安全防爆等要求。直接通信距离最大可达l o k m ( 传输速率小 于5 k b p s ) ，最高传输速率可达l m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 ( 3 ) c a n 总线可以多主从方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时 刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。 北京化工大学硕士学位论文 ( 4 ) c a n 总线只需通过对报文标识符的滤波即可实现点对点、点对多点及 其全局广播方式传送和接收数据。在报文标识符上，c a n 总线网络上的节点信息 可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。【j ( 5 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向网络上发送 数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继 续传输数据，这样就大大地节省了总线仲裁冲突时间，在网络负载很重的情况下 也不会出现网络瘫痪。h ( 6 ) c a n 总线采用短帧结构，保证了数据出错率极低，被公认为最有发展 前途的现场总线之一。 ( 7 ) c a n 通信协议中数据链路成的m a c 子层具有严格的错误检测功能， 包括监测、填充规则校验、帧校验、循环冗余码校验和应答校验。c a n 节点有能 力识别永久性故障和暂时扰动，对错误作出判断，对已损报文进行标注，当故障 计数大于2 5 5 时节点即被“脱离总线”，脱离总线状态不会对网络的其他部分有任 何影响。 ( 8 ) c a n 总线有一个公开的、全世界都遵从的国际标准，因而具有很好的 开放性和数据兼容性。在c a n 系统中一个c a n 节点不使用有关系统结构的任何 信息，节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下接入 c a n 网络。 在钻井过程中，对相关参数的监测必须实时地传送给基地服务器和控制台。 同时，控制台也要对传感器和各个监测节点发送命令，以对其进行实时控制。而 且，由于钻井工程现场的环境十分恶劣，各个监测节点离控制台的距离也相差很 大，这就要求钻井参数监测系统中的数据通信速度快、距离范围大、抗干扰性强。 从c a n 总线的以上特点可以看出，其性能完全能满足钻井过程的需求。 1 2 总线式传感器的结构模型 现场总线式智能传感器是传感器领域的一项新兴技术，它在同一网络协议的 基础上实现了传感信号无误差的数字化、网络化变送。传感器技术和数字化技术、 计算机技术的结合将成为一种必然的结果。这一问题已在国际传感器界形成了共 识。在8 0 年代，传感器行业就提出过智能传感器( s m a ns e n s o r ) 的发展思路， 例如h 0 n e ”v e l l 公司的s t 3 0 0 0 等，开始将c p u 引入传感器中，在传感器的远地 整定和精度提高上取得了很大进步，但由于在传感信号的变送方式上采用的主要 技术路线是在原4 1 2 0 m a 电流环基础上加载数字载波信号，没有从根本上突破原 有的工业控制现场结构。近年来，传感器界开始将目光集中于建立一种以工业现 场总线为基础的、以c p u 为处理核心，以数字通信为变送方式的传感器和变送器 的统一体，这就是现场总线式智能传感器，也称为网络化传感器。 1 2 1 总线式传感器的内部结构 总线式智能传感器采用的基本技术原理是：将传感器的微弱电信号放大后， 经a d 变换器转换为数字信号，送入c p u ，依靠灵活和丰富的软件对输入数据进行 北京化工人学硕士学位论文 数字滤波、误差补偿、工程量提取等，并能进行各种功能组态。【5 j 为每个智能传感 器配置一个数字通信模块，以标准通信协议将所需数据传输至监测节点并实现传 感器、执行器之间信息的对等交换。各传感器和执行器以这个数字通信模块为基 础构成分布式系统。传输物理接口采用符合工业规范的电气标准( 例如r s 一4 8 5 总 线等) 。以布线简单的双绞线作为总线传输介质，每条总线上可挂接几十至几百只 智能传感器，控制范围达数公里。对于智能传感器的供电采用局域总线供电方式， 即另用一对电源总线对另一邻近区域的传感器进行集中供电，整个现场总线网可 以划分为几个供电区域。 敏感元件 调理电路 a d 转换 数字滤波 非线性校正 数字补偿 1 = 程量提取 信号逻辑关系处理 网络信息处理 总线 总线接口l t 量数字信息 图1 1 总线式智能传感器内部结构 图1 - 1 是总线式智能传感器的内部结构示意图。可以看出，总线式智能传感 器不仅在信息处理的能力上，而且在传感器的网络化上都有明显的进步。【6 】目前 的工控系统大多为集中式或集散式系统，这二种结构的缺点是电缆用量很大，占 用了大量资金和旖工时间，维护也很因难，系统信号集中，系统的风险也就集中。 因此，工业控制的现场结构正在向全分布式的无主系统过渡，并向神经元工业控 制系统发展，总线式智能传感器的使用就能够克服上述缺点，它是全分布式无主 工控系统的基础。在对应的c a n 总线系统中，一个c a n 总线传感器即是一个 c a n 智能节点，它通过s t i m ( s m a nt r a n s d u c e ri n t e 血c em o d u l e 智能变送器接 口) 与不同类型和数量的传感器相连，通过n c a p ( n e t w o f kc a p a b l ea p p l i c a t i o n p r o c e s s o r 网络适配处理器) 与c a n 总线相连，从而实现模块的即插即用。 关竞联成 一 荆，c 一 _ 鬻l p 辕 一_ 粼上 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 总线式传感器的网络化 图1 2 是由总线式传感器和执行器构成的分布式系统示意图。在这种分布式 控制系统中，传统使用的多根电线被一条共用的数据总线代替，各传感器、执行 器和监测节点之间都可以用传感器电子数据表格的形式来相互交换数据。【7 1 各传 感器、执行器中的微处理器系统还可根据需要直接建立自身的信号逻辑关系。例 如，执行器a 的动作条件需由传感器b 和传感器c 提供，这种关系直接建立在 执行器a 中，执行器a 可以定时地直接访问传感器a 和传感器b ，而不通过主 图1 2 分布式系统示意图 图1 - 3c a n 总线控制网络 4 北京化工大学硕士学位论文 控节点。当满足控制要求时，执行操作，这就将原先较为集中的系统控制功能直 接分布到了系统的各传感器和执行器中去，而主节点只担任系统建立、监视和维 护作用，从而形成了一种全新的分布式无主控制系统。 图1 3 是由c a n 节点和传感器构成的c a n 总线控制网络。 1 2 3 总线式传感器的关键技术 归纳现场总线式智能传感器有以下几个优点： ( 1 ) 易于多参数传感器集成，并能将各种误差( 这些误差来自于敏感元件、变 送电路、传输线路和a ，d 转换单元等) 于出厂前一次自动校准标定，数字化变送无 传递误差，精度高，抗干扰性强； ( 2 ) 控制距离远，系统组态灵活，能完全实现互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 良好 的分布式工业控制；【8 】 ( 3 ) 共用一条数据总线传递信息，总线介质丰富( 例如可以在某些布线困难的 地方实行无线总线变送) ，节省电缆和控制设备； ( 4 ) 安装维护方便。 总线式智能传感器存在以下技术和工艺关键： 9 】 ( 1 ) 智能分析和标定方法： ( 2 ) 隔离技术，供电技术； ( 3 ) 小型化技术，主要是小体积和高性能、多功能兼顾。 目前国际上对总线式智能传感器的研究非常活跃，我国传感器界加强这方面 的研究十分必要，这对我国今后控制系统结构的影响将是重大而深远的。 1 3 钻井参数测量的意义 现代化钻井需要对全过程进行大量的参数检测，特别是对钻井工艺控制参数 的检测，它是提高钻井速度和实现最优化钻井的基础和前提。 1 0 】对钻井过程中的 相关参数进行有效测量，能从中获取丰富的钻井工程信息，不仅有助于对钻井工 况及有关参数进行实时监测，而且可及时预报可能出现的复杂情况和钻井事故， 从而为钻井工程技术人员的现场决策提供了可靠而且实时的资料。它能够为钻井 工程提供以下帮助： ( 1 ) 提高了钻井安全性。 钻井参数监测仪检测异常地层压力，掌握了比较准确的地层压力资料，就可 以正确地选用钻井液密度和适当的套管程序，实现平衡钻井，防止油层污染，保 护产层。在钻井过程中，监视钻井液总体积、立管压力、转盘扭矩等参数及其异 常各类工程事故，实现安全作业。 ( 2 ) 提高钻井效率，降低钻井成本。 应用钻井参数监测仪资料，可以选择合理的钻井液密度、套管下入深度、钻 头类型、确定最优化钻井技术措施，提高钻压传递效率，选择最佳起钻时间，以 及日常工程事故预报，从而可以缩短建井周期、降低钻井成本，提高了钻井效率。 ( 3 ) 提高了钻井作业的自动化程度和数据可信度。 北京化工大学硕士学位论文 钻井参数监测仪配置有各种精度高、可靠性好的传感器，大大丰富了它的功 能。可以在线连续测量的参数很多，又可采取集中监测、显示和记录，从而大大 方便了钻井作业中各种参数的综合评价和应用。 ( 4 1 便于实现井场信息的网络通讯，推广应用各种专家系统，提高油气藏早 期评价能力。 钻井信息的获取、处理和共享，是当前进一步提高钻井效率，降低钻井成本 的关键。建立计算机网络和数字通讯，是我国石油勘探开发中推广应用计算技术 的内容。钻井参数监测仪作为井场数据采集系统，可实现作业点与油田中心站有 效的通讯联系，共享油田中心站拥有的软件资源，对地层特性和油气构造进行早 期预测和评价，指导钻井施工，及时预报和发现异常情况，保证钻井作业顺利进 行。 ( 5 ) 有利于整个钻井过程的科学化、实时化和网络化。 油气井大多在交通不方便的野外，井队主管部门和有关上级部门的领导和技 术人员要了解钻井进度和情况很不方便。本课题中采用c a n 总线传输和控制钻 井参数测量，保证了被测信号传输的可靠性和实时性，便于对其进行及时的监测 和控制。 1 4 课题研究的主要内容及设计方案 本课题基于现场总线式传感器对钻井过程中的重要参数进行了实时地测量， 主要包括转盘扭矩、大钩载荷、钻杆温度、钻杆转速；此外还设计了钻井系统的 天车防撞及报警装置。 其中转盘扭矩、大钩载荷、钻杆温度三个参数采用接触式测量，这三个参数 的测量及信号的调理和传输过程在同一个c a n 总线节点上完成，用无线数据传 输模块实现了运动的转盘和地面之间的信息交换，地面上的c a n 节点会根据相 应的算法解析出这三个参数值。 钻杆转速的测量采用霍尔传感器来完成，以实现非接触式测量，首先使用测 量周期法测得转盘旋转式的频率，即可推算出钻杆转速，该方法为数字式测量， 能实现很高的测量精度。钻杆转速的测量及信号的调理和传输采用单独的c a n 总线节点。 采用对射式红外光电开关来实现天车防撞系统，该方案灵敏度高、实时性强， 能有效防止游车运动时触碰天车。传感器产生的开关量信号也通过c a n 总线传 输至游车动力电源处的总线节点。 本课题中共涉及到了6 个c a n 总线节点：服务器节点、天车防撞传感器节 点、天车防撞开关节点、天车防撞报警装置开关节点、转盘扭矩& 大钩载荷& 温 度传感器节点、钻杆转速传感器节点。采用b a s i c 模式的c a n 总线协议，利用标 识码的前6 位( i d 1 0 i d 5 ) 标识地址i d ，参与验收滤波。标识码的后5 位( i d 4 i d 0 ) 用于标识命令，不参与滤波。服务器节点用于接收其他节点发送的数据， 进行相应处理和转换后将其传送给上位机，并向节点发送命令远程帧。 天车防撞传感器节点可向天车防撞开关节点和天车防撞报警装置开关节点发 送数据，也可向服务器节点发送数据，并可接收服务器节点的命令：天车防撞开 关节点和天车防撞报警装置开关节点之间不能交换数据，但两者都可向服务器节 点发送数据，并可接收服务器节点的命令并加以执行。 6 北京化工大学硕士学位论文 第二章转盘扭矩和大钩载荷的测量 2 1 转盘扭矩测量传感器设计 2 1 1 扭矩测量的一般方法和意义 在扭矩测量领域中，按照测量的基本原理，其方法可以分为：传递法( 扭轴 法) 、平衡力法( 反力法) 及能量转换法三类。 ( 1 ) 传递法：是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测 量扭矩的方法。这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最 常用于测量扭矩的弹性元件是扭轴。i l l j 扭矩变形可以引起机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电、钢 弦等参数的变化而形成各种变形型扭矩传感器。扭轴的应力的变化可以引起扭轴 材料磁阻的变化，形成磁弹扭矩传感器；或引起某些透光材料的双折射现象，形 成光弹扭矩测量传感器。这些可称为应力型扭矩传感器。扭轴的应变还可以引起 贴在周表面上的电阻应变片的电阻变化，形成应变型扭矩传感器。 传递扭矩的弹性元件一般是旋转件。在旋转件上所产生的变形、应变或应力， 需通过扭矩传感器中的信号变换机构转换成与扭矩值成比例的相应的信号。该信 号再传输到扭矩测量仪器上显示扭矩。 ( 2 ) 平衡力法：对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主 轴受转动力矩时，在它的机体上必定作用着方向相反的平衡力矩( 或称为支座反 力矩) 。测量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡 力法，亦称反力法。 在按平衡力法测量扭矩的装置中，机械的整体应安装在摩擦力矩很小的平衡 支承上。这时可以把整个机械整体看作只通过主轴和机壳两处与外界有力矩的联 系。设机械在均速状态下运转，则作用在主轴上的扭矩应该与作用在机壳上的力 矩相平衡。 采用平衡力法测量扭矩，没有从旋转件到静止件的扭矩信号的传输问题。力 臂上作用的平衡力可以用测力机构测得。只是用这种方法仅可测量匀速工作状况 下的扭矩，不能测量动态扭矩。 ( 3 ) 能量转换法：这是根据其他能量参数( 如电能参数) 测量机械能参数 及扭矩的方法。按照能量转换的观点：动力机械，如电动机、内燃机等，分别是 把电能、化学能转换为机械能的机构；而制动机械，如发电机、水力制动器等， 则分别是把机械能转换为电能、热能的机构。因此，若测得功率，已知该机构在 类似工作情况下的效率，则可以求得机构的工作扭矩值。 如果扭矩值可以通过一台仪器的指示值直接显示，这叫直接测量；如果需要 根据几台不同物理量的测量仪器的指示值，按照一定的函数关系计算求得扭矩值， 7 北京化工大学硕士学位论文 这叫间接测量。在能量转换法中，扭矩通常为间接测量。在传递法和平衡力法中， 扭矩一般为赢接测量，但有时也可间接测量。一般情况下，直接测量比间接测量 方便很多，而且精确度高。因此，只有在无法进行直接测量的场合下，才采用间 接测量的方法。 在钻井作业过程中，通常可以由转盘扭矩的变化预测钻井的实际情况，影响 扭矩变化的原因较多，一般主要包括以下几个方面： ( 1 ) 地层垮塌( 包括岩层垮塌) 是造成扭矩增大的原因之一，地层垮塌会 使扭矩变化很大，可由1 6 七聊增大到3 0 七挪，甚至更多，并且变化相当突然， 提起钻具循环并不断上提下放后由于煤岩破碎而恢复正常。 ( 2 ) 钻具断，尤其是钻铤断也会造成扭矩变化，钻具断扭矩会突然变小， 此时泵压也变小。 ( 3 ) 牙轮钻轴承坏使扭矩增大，可由1 6 七_ m 增大到3 5 危珊，扭矩表现为 忽高忽低的变化情况。 ( 4 ) 钻头捧齿严重也是扭矩增大的原因之一，这种情况下扭矩的变化大小 比较均匀，并且是逐渐增大，由1 6 七m 增到2 8 七m 甚至更多。有时会突然变化 很大，这种情况可判断为除掉齿较多外还伴有牙轮轴承坏的复合型钻头损坏，这 时应提示井队立即起钻。 ( 5 ) 有时下钻不注意造成加压过大，发生溜钻现象，这时扭矩也会突然增 大，发现这种情况应立即提起钻具，恢复钻压，然后将钻具放到底，加小钻压观 察扭矩的变化，如果发现扭矩增大并伴有跳钻现象，就应考虑起钻换钻头，如扭 矩和其他参数无异常，就可继续钻井。 因此，在钻井过程中，对转盘扭矩的实时监测显得尤为重要。 2 1 2 敏感元件部分设计 敏感元件部分采用应变电桥对转盘扭矩进行测量输出，本文选用钢箔式组合 片，它是将两片电阻应变片事先粘贴在基底上，两应变片互成9 0 。，组成半桥电 路，用一对组合片即可构成全桥测量电路，电阻应变片的中心线应准确地贴在钻 杆表面与杆轴成4 5 。和1 3 5 。的螺旋线上，以达到最均匀受力，否则电桥在钻杆 正反向扭矩作用下的输出灵敏度将有差别，造成方向上的误差。 箔式应变片的工作原理是建立在电阻应变效应的基础上，所谓电阻应变效应 是指电阻值随变形( 伸长或缩短) 而发生改变的一种物理现象。如图2 1 所示， ， 设有一根长为f 、截面积为s 、电阻率为p 的应变片，其电阻为：r = p 二- 。 图2 1 电阻的应变效应 8 北京化工大学硕士学位论文 当在轴向受到拉力的作用时，长度增加了出，截面积减少了s ，那么电阻 将增加a r ，则电阻相对变化可按下式求得： 竺：丝一笪+ 鲤 r!sd ( 2 1 ) 对于箔式应变片竺。o ，电阻变化主要由应变产生，则： p 竺。坐一竺：s ( 1 + 2 们：胎( 2 2 ) 月zs 。 式中：学是应变片的轴向线应变，用应变占表示为：占= 半。 等是应变片截面积的变化，用应变片材料的泊松比= 等掣及s 表示 为：等= ：肛。 由此可以看出，金属应变片材料的电阻相对变化与其线应变占成正比，比例 系数称为灵敏度，这就是金属应变片的应变电阻效应。 应变电桥原理图如图2 - 2 所示。在桥路两端施加恒压u ，由于 r 1 = 恐一飓= r 4 一r ，此时电桥平衡，因此输出电压= 0 。当钻杆上有扭矩产生时， 应变片发生形变，使得桥路中一对力臂受拉力，阻值增大，同时另一对力臂受压 力，阻值减小，当扭矩方向改变时，情况正好相反。假设矗l 、飓受拉力，阻值增 加厶r ，飓、月4 受压力，阻值减小厶r ，此时，输出电压为： u 叫滞筹等靠筹端叫等 协s ， 。 l 【( r l + r ) + ( r 2 一r ) 【( r 3 + 只) + ( r 4 一r ) 】 r 一 式( 2 - 3 ) 说明，如果输入电压u 一定，当应变电桥受到扭矩作用时，输出电 压乩与应变片的电阻变化值成正比。又因为厶r 与其受力成正比，因此可知输出 电压与转盘扭矩值成正比，我们测得砜后，就可方便地推算出实际扭矩值。 图2 2 应变电桥原理图 9 北京化工大学硕士学位论文 2 2 大钩载荷测量传感器设计 大钩载荷，亦称大钩悬重，是钻井参数中非常重要的一个参数，它是指大钩 所承载的负荷值。由其可派生计算出钻压、钢丝绳和井架载荷及管柱所受的力、 钢丝绳做功等其它重要参数，通过对大钩负荷状态的判断，还可计算出钻井过程 的时间参数( 重载时间、停工时间、卡瓦时间、起下钻时间和划眼时间等) 。监控 这些信息就能避免诸如钢绳断裂，井架倒塌及钻柱断裂之类的恶性事故发生。这 些事故都是由于没能真实计算大钩载荷及游动系统钢绳拉力而造成的。 大钩载荷也采用应变电桥来测量，但此时应变片的粘贴角度与测量转盘扭矩 时不同，在沿着钻杆的轴向和周向各粘贴一对应变片。 假设丑卜玛为轴向粘贴，飓、以为周向粘贴，则飓、皿可作为温度补偿电 阻分别接入r 卜r 3 的相邻桥臂。温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变 片电阻丝的温度系数及电阻丝与钻杆的膨胀系数不同，由此引起测试系统输出电 压变化。由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿。 用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，方法是将补偿片与工作片成9 0 。 贴在钻杆上，r 卜r 3 为工作片，飓、皿为补偿片，初始值r j = 飓= 丑3 ；皿。桥路如 原来是平衡的，当温度变化引起两应变片的电阻变化r ，、飓、r ，和皿符 号相同，数量相等，根据( 2 3 ) 式可得。口，无电压输出，电桥仍满足平衡条件， 达到了温度补偿的目的。 当钻杆受拉力或压力时，飓、皿不产生形变，仅有r j 、飓作为工作片。则： r 卜丑3 测得的应变为：s = s 。，= s 飓、以测得的应变为：= f r 4 = 一肛。 式中，s 。为钻杆轴向应变，为应变片的泊松比。 因此，整个电桥测得的应变为： s = s 刑一占r 2 + s r 3 一f r 4 = 2 ( 1 + ) 占， ( 2 - 4 ) 由式( 2 4 ) ，我们也可将电桥在应力下产生的形变转换为电压信号输出，测得 此电压信号，既可推算出钻杆所产生的拉应力，即大钩载荷。 2 3 钻杆温度传感器设计 对钻杆温度的测量不作为本文的重点，下面对温度传感器的设计作简要介绍。 本课题中采用热敏电阻传感器测量钻杆温度，热敏电阻是热电式传感器的一 种，它根据电阻的热效应，将温度变化转化为电阻的变化来完成测量温度的目的， 即电阻体的阻值随温度的升高而增加或减小。热敏电阻是利用半导体材料制成的 热敏元件，它具有灵敏度高，可以应用于各领域的优点，热电偶一般测高温线性 较好，热敏电阻则用于2 0 0 以下温度较为方便。 目前国际上最常见的热电阻有铂、铜以及半导体热敏电阻等。铂电阻温度传 感器的特点是精度高，稳定性好，但电阻与温度为非线性关系；铜电阻温度传感 1 0 北京化工大学硕士学位论文 器的特点是温度系数大，而且几乎不随温度而变，电阻变化与温度几乎成线性关 系，铜容易加工和提纯，价格低廉。由于本课题对温度测量的精度要求不高，因 此，本课题中选用的是分度号为c u 5 0 的铜热电阻温度产感器，它在一5 0 + 1 5 0 的使用范围内其电阻值与被测温度的关系几乎是线性的，在一般的情况下可近似 地表示为： r ，= r o ( 1 + 删。) ( 2 - 5 ) 式中t 为当前被测温度，岛为0 时的电阻值，马为温度f 时的电阻值，口为 铜电阻的电阻温度系数，一般为口= 4 2 8 1 0 。 由于热电阻在温度f 时的电阻值与月d 有关，因此工业上对勘的大小有相应的 规定。岛越大，则电阻体积增大，不仅需要较多的材料，而且是测量的时间常数 增大，同时电流通过电阻丝产生的热量也增加，但引线电阻及其变化的影响将变 小：r o 越小，情况则相反。综合以上因素，本课题选用岛为5 0 q 的c u 5 0 型铜热 电阻。 使恒定电流通过热电阻，当被测温度变化时，热电阻阻值发生变化，其两端 的电压也产生相应的改变，通过测量热电阻两端的电压变化值，即可推算出温度 变化值，进而测得当前的温度值。 2 4 电桥输出信号调理电路 2 4 1 前端放大电路 由于应变电桥的输出信号比较微弱，再加上钻井现场的恶劣条件，初始信号 中难免会含有工频、静电和电磁耦合等干扰，因此必须经过放大隔离才能供给后 续电路。并且要求测量放大电路具有高增益、低噪声、宽频带等特点。 本课题选用集成精密仪表放大器a d 6 2 4 芯片为主构成放大环节，它是美国 a _ 1 1 a l o gd e v i c e s 公司推出的一种适用于高速数据采集系统的精密仪表放大器，具有 1 0 q 的高输入阻抗，能有效地抑制信号源与传输网络阻抗不对称引入的误差；单 位增益带宽为2 5 m h z ，适用于宽频带测量系统；共模抑制比高达1 3 0 d b ，输入失调 电压的温度漂移只有0 2 5 u v ，能有效地抑制共模干扰引入的误差，提高信噪比 和系统的精度；具有较高的增益及较宽的增益调节范围，可以适应信号源电平的 较宽的范围。【l 副该集成电路可取代分立器件构成的仪表放大器，具有线性度优良、 温度稳定度高、体积小、可靠性高等特点，主要用作低功耗医用仪表放大器、热 电偶放大器、差动放大器以及用于传感器接口、工业过程控制、低功耗数据采集 系统中。 a d 6 2 4 是在传统的典型三运放基础上改进的一种新型仪表放大器其基本原理 框图见图2 3 。该放大器除具有差模、麸模输入阻抗大等特点外，前级的共模增益 失调及漂移产生的误差可相互抵消；后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出 变为单端放大输出，以适应接地负载的需要。 该集成仪表放大器通过内部的高精密电阻器设置了1 0 0 ，2 0 0 ，5 0 0 ，1 0 0 0 等管 脚增益，接线方法为分别将1 3 管脚( g = 1 0 0 ) 、1 2 管脚( g _ 2 0 0 ) 、1 1 管脚( g = 5 0 0 ) 与3 管脚( r g 2 ) 相连，并可通过连接适当的增益端得到多种组合的增益值，具体 组合方法如表2 一l 所示。i l 驯还可通过外部电阻器r g 任意设定增益值，如图2 4 所示。 北京化工大学硕士学位论文 一输入 g = 1 0 0 g = _ 2 0 0 o = 5 0 0 r g l r g 2 + 输入 图2 3a d 6 2 4 基本原理框图 表2 1a d 6 2 4 增益设置 输出 增益 温度系数( p p 耐)与3 管脚相连的管脚 相互连接的管脚 1 1 5 1 0 0 1 5 1 3 1 2 551 3“和1 6 1 3 75 51 31 l 和1 2 1 8 6 56 51 31 1 和1 6 、1 2 和1 6 2 0 03 51 2 2 5 0 5 51 2l l 和1 3 3 3 31 51 2 1 1 和1 6 3 7 5o 51 21 3 和1 6 5 0 01 01 1 6 2 45 1 11 3 和1 6 6 8 81 5 1 1 1 1 和1 2 、1 3 和1 6 8 3 1 + 4 1 11 2 和1 6 1 0 0 0o 1 1 1 3 和1 6 、1 l 和1 3 在图2 _ 4 中，在脚3 与1 6 之间连接电阻艇，其阻值为：硷= 铀所g ，g 为 放大器增益。为达到最好效果，艇应选用低温度系数的精密电阻器。 在本课题中，综合考虑电桥输出信号大小及后续所选a 仍转换器的放大能力， 将a d 6 2 4 的增益设置为g = 5 0 0 。 此外，a d 6 2 4 还提供了重要的输入电压补偿功能，这一功能有助于对放大器 的零点进行精确的校准，同过在其4 、5 管脚间连接变阻器尺w 来实现，a d 6 2 4 在本课题中的电路连接图如图2 5 所示。 由于本课题中转盘扭矩、大钩载荷、钻杆温度三个参数共用一个c a n 总线 节点，需要对这三个信号的敏感元件输出进行放大，因此需要使用三个a d 6 2 4 仪表放大器，组成并列的三路放大电路。 输入 + 输入 + v s 图2 4 任意设定a d 6 2 4 增益值的电路 + v s s 输出 图2 5a d 6 2 4 应用原理图 2 4 2a d 转换电路硬件和软件设计 2 4 2 1a d 转换硬件电路 输出 为了将传感器输出的模拟信号转换成易于微处理器处理的数字信号，我们将 用到模数转换器。作为测量仪表的模数转换部分的核心，高分辨串、高集成度、 低功耗和低价格的模数转换器件的设计应用就成为整个项目的重点和难点。 在本课题中，我们选用的是a 转换器件美国a n a l o gd e v i c e s 公司研制的 a d 7 7 1 4 ，它是适用于低频测量的应用的完蹩模拟前端，器件直接从传感器接收低 电压信号并输出串行数字。它使用和一差( 一) 转换技术以实现2 4 b i t s 的无误 北京化工大学硕士学位论文 码性能。输入信号加至专有的基于模拟调制器、具有可编程增益的前端。调制器 的输出由片内数字滤波器处理。通过片内控制寄存器的第一个凹口编程，允许调 整滤波器的截止频率和稳定时间。 a d 7 7 1 4 可理想地用于智能化的、基于微控制器或d s p 的系统。具有可配置 为3 线操作的串行接口。