本發(fā)明屬于油田采油領域，涉及一種螺桿泵井軸載荷全參數(shù)無線實時測量方法，具體是通過傳感器對光桿工作載荷（扭矩、軸力、彎矩、轉速和溫度）進行實時處理、分析和無線傳輸?shù)姆椒ā?/p>

背景技術：

隨著技術發(fā)展和完善，螺桿泵舉升工藝技術已經(jīng)成熟配套，并在全國油田得到了較大規(guī)模應用，成為主要舉升方式之一；但現(xiàn)有系統(tǒng)存在以下不足，一是每一種工作載荷的監(jiān)控都需要由獨立的應變片橋路和電路單元組成，所需應變片數(shù)量較多，沒有充分利用，且粘貼工作量大，同時存在很大的電路冗余。二是傳統(tǒng)系統(tǒng)工作時傳感器電路全時供電且電壓較高，造成系統(tǒng)功耗大，持續(xù)工作時間短。三是應變片橋路測量精度與供電電壓精度相關，現(xiàn)有系統(tǒng)電壓精度受環(huán)境因素影響大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有系統(tǒng)所需應變片數(shù)量多、粘貼工作量大、測量精度低等弊端，研究了一種螺桿泵井軸載荷全參數(shù)無線實時測量方法，包括2個三向片不同全橋組合測試拉壓、扭轉和彎曲載荷方法，實現(xiàn)了螺桿泵井全參數(shù)的高效測量。

本發(fā)明由全參數(shù)傳感器單元1、超低功耗信號處理單元2和應用服務單元3組成。全參數(shù)傳感器單元1包括工作載荷寬溫應變全橋電路1-1、數(shù)字化溫度傳感器1-2、MEMS三軸陀螺儀1-3組成。

工作載荷寬溫應變全橋電路1-1由2個三向片組成，通過超低功耗信號處理單元2控制選擇其中四個應變片組成不同全橋電路，實現(xiàn)拉壓、扭轉和彎曲載荷的測量。

超低功耗信號處理單元2包含寬溫電源模塊2-1、工作載荷模擬信號差分放大電路2-2、電源轉換電路2-3、應變橋路控制電路2-4、超低功耗處理單元2-5和遠程無線數(shù)據(jù)通信單元2-6。

應變橋路控制電路2-4采用程控模擬開關使工作載荷寬溫應變全橋電路1-1產(chǎn)生不同全橋組合，分時輸出拉壓、扭轉和彎曲載荷的模擬信號到工作載荷模擬信號差分放大電路2-2，進行差分放大后由超低功耗處理單元2-5進行采集分析，超低功耗處理單元2-5將采集到的數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場處理、加密、打包后，發(fā)送至遠程無線數(shù)據(jù)通信單元2-6，通過無線電波發(fā)送至應用服務子系統(tǒng)3。電源轉換電路2-3負責產(chǎn)生可程控工作載荷寬溫應變全橋電路1-1的精密參考電壓，以及超低功耗信號處理單元2所需電源。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的功能框圖；

圖2是2個三向片粘貼方式示意圖；

圖3是扭矩測試全橋電路連接圖；

圖4是軸力測試全橋電路連接圖；

圖5是彎矩測試全橋電路連接圖；

圖6是電路實現(xiàn)原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明由全參數(shù)傳感器單元1、超低功耗信號處理單元2和應用服務單元3組成。全參數(shù)傳感器單元1包括工作載荷寬溫應變全橋電路1-1、數(shù)字化溫度傳感器1-2、MEMS三軸陀螺儀1-3組成。

工作載荷寬溫應變全橋電路1-1由2個三向片組成，通過超低功耗信號處理單元2控制選擇其中四個應變片組成不同全橋電路，實現(xiàn)拉壓、扭轉和彎曲載荷的測量。

超低功耗信號處理單元2包含寬溫電源模塊2-1、工作載荷模擬信號差分放大電路2-2、電源轉換電路2-3、應變橋路控制電路2-4、超低功耗處理單元2-5和遠程無線數(shù)據(jù)通信單元2-6。

應變橋路控制電路2-4采用程控模擬開關使工作載荷寬溫應變全橋電路1-1產(chǎn)生不同全橋組合，分時輸出拉壓、扭轉和彎曲載荷的模擬信號到工作載荷模擬信號差分放大電路2-2，進行差分放大后由超低功耗處理單元2-5進行采集分析，超低功耗處理單元2-5將采集到的數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場處理、加密、打包后，發(fā)送至遠程無線數(shù)據(jù)通信單元2-6，通過無線電波發(fā)送至應用服務子系統(tǒng)3。電源轉換電路2-3負責產(chǎn)生可程控工作載荷寬溫應變全橋電路1-1的精密參考電壓，以及超低功耗信號處理單元2所需電源。

具體實施方式一：結合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6說明扭矩、軸力、彎矩的測量方法。

步驟一：按同樣方向，在圓筒上的對側分別粘貼1個三向片，其中中間應變片與圓筒軸線垂直，第一個三向片中的3個應變片由上到下編號為1到3，第二個三向片中的3個應變片由上到下編號為4到6，如圖2所示；

步驟二：每一個應變片均引出2根導線，一共6個電阻應變片，12根導線，接入工作載荷模擬信號差分放大電路2-2；

步驟三：由應變橋路控制電路2-4選擇不同測量橋路組合：測量扭矩時，由R1、R3、R4、R6組成全橋，如圖3所示；測量軸力時，由R1、R2、R5、R6組成全橋，如圖4所示；測量彎矩時，由R1、R2、R4、R5組成全橋，如圖5所示；具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟3.1采用應變橋路控制電路2-4來完成應變片的多種組合，電路框圖如圖6所示，其中AMP1即為圖1所述的工作載荷模擬信號差分放大電路2-2的優(yōu)選模塊；

步驟3.2系統(tǒng)供電采用寬溫電池BT1，電壓在2.2V~3.6V之間系統(tǒng)均可正常工作；

步驟3.3超低功耗處理單元2-5常供電，平時為低功耗深度休眠狀態(tài)，內部計時器可將其喚醒并進入正常工作流程，達到系統(tǒng)低功耗目的；

步驟3.46片應變片供電（圖3，圖4，圖5中的Acc）采用精密參考電源模塊實現(xiàn)，并通過超低功耗處理單元2-5控制程控開關T1，不需要采樣時將其電源斷開，減小了系統(tǒng)功耗；

步驟3.5應變片通過程控模擬開關S1和S2實現(xiàn)橋路電阻的選擇和短接，S1和S2由超低功耗處理單元2-5控制：測試扭矩時，R1和R6短接，R3和R4短接，分別接入AMP1；測試軸力時，R1和R5短接，R2和R6短接，分別接入AMP1；測試彎矩時，R1和R4短接，R5和R2短接，分別接入AMP1；

步驟3.6儀表放大器AMP1進行10~100倍放大后，進入超低功耗處理單元2-5的片上模數(shù)轉換器ADC中，采樣得到應變片橋路的電壓差，換算出相應的工作載荷，計算方法見步驟四。AMP1的放大倍數(shù)可以由超低功耗處理單元2-5根據(jù)橋路電壓差大小進行自動增益控制，以便實現(xiàn)高精度電壓采集；

步驟四：根據(jù)電路公式計算扭矩、軸力、彎矩：

扭矩由公式1計算：

（式1）

其中，是圓筒材料的彈性模量，是圓筒的抗扭截面系數(shù)，是圓筒材料的泊松比，是扭轉產(chǎn)生的應變，由公式2計算得到：

（式2）

其中，是R1的應變，是R3的應變，是R4的應變，是R6的應變，是圓筒受扭轉后外表面的切應力；

軸力由公式3計算：

（式3）

其中，是圓筒材料的彈性模量，是圓筒的橫截面積，是圓筒材料的泊松比。是拉力產(chǎn)生的應變，由公式4計算得到：

（式4）

其中，是R1的應變，是R2的應變，是R5的應變，是R6的應變；

彎矩由公式5計算：

（式5）

其中，是圓筒材料的彈性模量，是圓筒的抗截彎面系數(shù)，是圓筒材料的泊松比，是圓筒受拉壓后外表面的正應力；

是彎矩產(chǎn)生的應變，由公式6計算得到：

（式6）

其中，是R1的應變，是R2的應變，是R4的應變，是R5的應變，是圓筒受彎曲后外表面的正應力。

有益效果：操作及使用方便且實用性強；通過不同橋路的組合，用最少的應變片數(shù)量實現(xiàn)了全參數(shù)的高效測量，有效的解決了現(xiàn)有設備存在的貼片利用率低、數(shù)量多，測量參數(shù)種類少、精度低，系統(tǒng)功耗高等問題。