抽油機快捷式示功儀載荷傳感器的研究

摘要:提出了快捷式示功儀載荷傳感器的測量原理及結構，采用快速裝夾方法，測量抽油機光桿一小段動態載荷，在不停機的狀態下實現在線測量。實驗證明不但操作安全簡便，提高了工作效率，更重要的是不會引起井況及泵況的變化，所測示功圖能真實地反映抽油機的在線工況。

　　關鍵詞：示功儀、載荷傳感器、光桿、示功圖。

一、引言

　　示功儀是測取抽油機井示功圖的儀器，是了解抽油機、泵、桿工作狀況的主要手段。示功儀主要分機械式和電子式兩種，機械示功儀只能繪制示功圖，目前已基本淘汰；電子式示功儀除能繪制示功圖外，還可以打印出圖形上各點數據，目前已經發展到與計算機連接與無線發射進行信息傳輸，為示功圖資料的解釋應用提供了更為準確的數據和方便的條件。

　　電子示功儀主要有記錄儀、顯示器、繪圖儀(打印機)、載荷和位移傳感器組成。

　　傳統的電子示功儀載荷傳感器是把貼有應變片的彈性體裝在抽油機懸繩器上、下夾板間，因而把光桿負荷的變化轉變為彈性體的變形，進而導致應變片電阻值的變化，從而產生光桿載荷變化的電信號，位移的測量是利用抽油機帶動線輪，經過減速，帶動電位器產生對應位移的電信號，經過電路處理后進行顯示和打印出示功圖[1]。

　　由于傳統電子示功儀的載荷傳感器裝在抽油機懸繩器上、下夾板之間，抽油機的靜、動態負荷同時被測量，靜態負荷較大，動態負荷（即柱塞泵的負荷變化）則較小，所以載荷傳感器的量程應比較大，可利用部分則較小，這樣直接影響了測量精度及靈敏度；再則安裝和拆卸載荷傳感器都必須停機，這樣不但操作過程煩瑣、效率低，而且停機還會引起井況和泵況的變化，反映出的工況就與正常工況有一定的差別；并且操作不安全，常有事故發生。所以快捷式示功儀載荷傳感器的研究具有一定的實用意義。

二、快捷式示功儀載荷測量原理

　　抽油機的光桿屬受拉桿件，拉桿在軸向力作用下會引起軸向的伸長和橫截面的收縮。取光桿上一段長度L，在軸心伸長后長度變為L1（圖1），則桿件軸線方向的伸長變形Dl為：

(1) 由虎克定理知： (2)

　　式中：E—光桿材料的彈性模量為 MPa； P—軸向拉力為N； A—光桿的截面積為m2。

　由式(2)可知，在材料的彈性模量E、軸向拉力P和光桿的截面積A一定的情況下，光桿的軸向力P與軸向變形Dl成正比。不論抽油機是否工作，靜態負荷始終作用于光桿上，而動態負荷 在抽油機工作時周期性的變化。虎克定理變為：

(3) 將式(2)、(3)整理后為： (4)

　　可見軸向動態負荷將隨動態變形 的變化而周期性變化。測量出 ，通過式(4)可計算出光桿動態負荷[2]。

三、載荷傳感器結構

　　抽油機載荷傳感器結構原理圖如圖2所示，本體7、活動梁3上分別與快速吸合器2剛性連接，彈簧8限制活動梁3的位置。當光桿1受軸向拉力ΔP作用時產生軸向變形，兩個快速吸合器吸住光桿，并隨光桿的變形而移動，活動梁帶動測微儀4相對于本體有一微小位移，測微儀將位移量轉變為電信號的變化量，電路板5對電信號進行放大并通過插座6及外接導線傳輸至二次儀表，再配合位移傳感器，經過電路處理后進行顯示和打印出示功圖。

　　快速吸合器的結構如圖3所示，由于光桿為鐵磁性材料，快速吸合器采用磁力吸合原理。永久磁鐵2采用矩磁材料，其磁滯回線近似于矩形，將其磁化后能得到很高的剩磁，但脆性大，容易破碎。磁鐵座1用鐵磁材料制作，較高的導磁率大大地減小了磁路損耗，并且很好的保護了永久磁鐵2，其與光桿3的圓弧接觸減小了磁路中的空氣隙長度，增大了接觸面積，提高了快速吸合器與光桿的摩擦力。

　　圖2中的彈簧8的剛度與快速吸合器的吸力大小有很大關系。應保證彈簧的彈力要遠遠小于快速吸合器與光桿的摩擦力，這樣才能保證測量過程中快速吸合器與光桿不會滑移，使測微儀準確的測量出光桿的變形量。摩擦力和快速吸合器的吸力用下述公式計算[3][4]。

　　

由摩擦學可知：

　式中 F—摩擦力，N；

　 N—正壓力（本文中為磁鐵吸力），N；

　 m—摩擦系數（無量綱）。

由電磁學可知：

　式中 N—磁鐵吸力，N；

　B—磁感應強度，T；

　S—磁通面積，mm2；

對于永久磁鐵：

式中：Br—剩磁，T。


四、結束語

　　快捷式示功儀載荷傳感器不同于傳統傳感器的測量機理，剔除掉抽油機光桿的靜態載荷，僅僅測量抽油機一段光桿動態載荷。測量時，待抽油機光桿運行到最低點附近，手持傳感器手把，將傳感器鉛垂方向移近抽油桿，兩個快速吸合器將吸附在光桿上，待光桿往復運行2"3周期后即可測量。通過在大慶油田的現場實驗，操作安全簡便，提高了測量精度和工作效率，更重要的是不會引起井況及泵況的變化，所測示功圖真實地反映抽油機的在線的工況。