新型扭矩测量仪促测量“滴水不漏”

       巴西油田科技人员曾研制出一种新型扭矩测量仪，其优点是噪音小，在强震环境中性能良好，可安装在任何旋转轴上，其扭矩误差低于1%，传统的测量仪在最好的运行条件下的误差为10%。这一技术为确定梁式泵减速器扭矩提供了一种新方法，为油田技术人员和管理人员开拓科研思路，具有较强的借鉴性、实用性和指导性。

       新仪器：消弭扭矩误差

       目前，世界上超过八层的油井仍然使用梁式泵采油，但其减速器输出轴超扭矩问题一直未能得到解决。当扭矩超过额定值时会损坏价值为机械抽油机(MPU)总成本的50%的变速箱，使其报废，其更换的成本和停产损失巨大。

       用API推荐的、已用数十年的计算多数抽油机减速器输出扭矩的方法在最好的运行条件下存在着10%的误差,其计算精度没有预防扭矩减速器的损坏。而且，由于测力仪的校准水平差，API用于计算抽油机各部件尺寸误差的积累使得这个误差要大得多。对于转数下降严重的发动机，如果不考虑抽油机制动装置计算时的惯性效应，所计算出的扭矩误差可达70%。

       API确定轴扭矩的计算未考虑由曲柄角的变化、游梁、平衡杆、曲柄轴、曲柄平衡锤的重量的惯性效应及轴承磨损产生的结构失平衡问题。该计算涉及16个变量，并且每个变量都有一个测量误差。因此，扭矩的计算导致了误差传播。所有现在有关抽油机减速器扭矩测量的研究都在某种程度上利用了API方法。

       除预测功能外，通过抽油机扭矩测量还可以得到能量效率指数，这一功能非常重要，因为能源消耗成本占采油作业总成本的20~35%。

        新型减速器轴扭矩的无线测量消除了AP1计算方法的误差，并提供了一种即可靠又适用的抽油机测试方法。设备包括变形测量仪，电子转换器，遥测装置和LabView软件。该软件将固定在旋转轴上的远端设备的扭矩信号传输到主设备上。无线通信使用ZigBee标准。

       电子转换器电路处理扩大了由变形测量仪采集的轴变形信号，然后该信号被传输到遥控无线电收发机组件(RTM)，微型控制器进行模数转换。无线电接收器的芯片对信号进行调相，利用相移键控法，激发全双工天线，用射频频率(RF)发射信号。基站无线电收发机组件(BTM)的螺旋天线进行RF信号采集，信号传入无线电收发机的芯片（窄频带滤波器），被解调，放大后转为读数。用嵌入式或普通型电脑(PC)存取测量值，或将其转为4~20ma标准型（抗噪音）。该系统应用轴运转带动遥控装置的连续旋转。

       遥控与测量：

       无形之手与有形之手

       从变形测量仪轴的变形读数开始采集遥控装置数据。为便于变形测量仪的信号处理，通常利用电子传感器电路的惠斯通电桥将电阻转换为张力。而变形测量仪电路的解决方案是采用模拟电路为惠斯通电桥提供同步解调和发送交流电信号。设备研究、能源和环境控制研究组织研发了一种与上述装置理念完全不同的新电路，具有低耗电、高集成和低成本特性。

       信号调节器电路由简单适用的部件组成，无需仪表装置放大器和线性化技术，并配备了无传感元件的温度自动补偿装置。在温度为80℃时，线性误差小于测量最低值的0.07%。为使传输遥控装置转换成电路信号，新系统应用了ZigBee通讯协议的无线电频率。因其为嵌入式使用，因此具有低耗能、低成本使用寿命长的优点。另外，ZigBee技术成本低，支持网点数额大，超过65,000。

        遥控设备【变形测量仪、电子转换器和RTM（无线电收发器组件）】拥有灵敏的集成电路技术。由于设备对气候条件和轴的旋转性能有极高的敏感性，还研制一个保护和加固电路、配有柔性玻璃纤维密封器夹子。该夹不影响测量效果。

       遥控装置电源为机电发电机，无需电池，系统可独立供电。由旋转轴产生的机械能为遥控装置提供了足够的电源。机电发电机转子的磁铁芯极性交替变化产生电动势。电动势的极性不断变化激发电流方向变化。该电动势遵守谐波定律,整流器将正弦信号转换为直流信号提供给遥控装置。

       测量仪主装置从遥控装置接收扭矩信号，并利用ZigBee组件的脉宽调制模块频道将信号转化为标准4~20毫安信号。RC串联积分电路将脉宽调制（PWM）信号进行数模转换，使其用于电流发射机。发射器提供了4~20ma的防噪音的标准电流，该信号被施加到抽油机位置检测器上。为研究扭矩信号与曲柄位置的关系，利用LabView对减速器输出轴发射信号进行分析。图1给出的是系统示意图。

       室内验证与现场检测

       在扭矩测量仪安装在设备之前和评估工作状态下的未来动力特性之前必须校准。试验重新设计了一种直接在抽油机上校准的扭矩测量仪，并考虑了系统的动态变数。在对该系统性能的实验台实验中，一次是校准遥测动态扭矩测量仪（用电池替代机电发电机）的测试静态扭矩。测试评价了遥测装置的设备性能；另一次试验是模拟由MPU平衡块产生的扭矩。

       在钢制试验台静态扭矩的实验装置中，减速器轴的材质与试验台相同。该装置配装一个钢制的与试验台末端连成一体的圆切面型轴。另一端是一个焊接在轴上的刚性横向柄。为使所应用的扭矩具有纯剪切张力或无价值的正常张力，该试验采用一个连接轴承上的轴，轴承由焊接在台上的3块金属板制成。这就消除了扭转的影响。

       通过焊接在轴上的金属柄液压千斤顶提供了轴旋转扭矩。测力计采集金属柄上的扭矩，输入LabView软件中。图2给出了由动力测力环提供的参考扭矩，由遥控装置发送的扭矩信号。

       图2得出的数据线性误差为0.54%，小于动力测力环测的扭矩值和远程设备发射到主装置的值的误差范围0.3%。用来模拟由机械抽油机（MPU）平衡块产生的扭矩的模型配有转速为1680rpm、550w的发动机，被连接在输出转速为15rpm的减速器上。随着发动机的旋转圆盘转动一端标有参考重量的金属柄。

       由动态特性条件下扭矩测量仪测得的数据结果分析确定扭矩低值的线性误差为0.78%（标准误差偏离值），与方程计算求出的参考扭矩相比，测量值的最大误差小于0.7%。

       尽管伴有试验台的振动，本仪器对动态扭矩测量的不确定性仅有0.78%，相比之下，目前市场最先进的扭矩测量仪的动态测量误差在1%~2%之间。

        实验人员在巴西油田用扭矩测量仪对实验结果进行了为期两个月的现场检验。相关数据表明，试验期间新型仪器没有任何问题。目前，扭矩测量仪仍在继续监测抽油机的扭矩。抽油机从700 m深处采液（油和水）110m3/d。

        试验期间，粘在轴背面的2对变形测量仪提供了扭矩测量值。显示校准方法效果的变形测量仪的测量值产生了2条曲线之间的相互关系。图4显示出采集的2条扭矩曲线。曲线的相关系数为99.78%，平均值为1.251%。

        试验结果表明，应力测量仪甚至可以检测到经常被API 方法忽略的扭矩方向的振动。固有功率的无线电扭矩测量仪效果好，噪音小，可安装在任何旋转轴上。由于以前应用法兰和插座连接，扭矩测量仪不能安装在抽油机上，而且，扭矩的计算在最好的运行条件下具有10%的误差。新型扭矩测量仪具备以下优点，新型扭矩测量仪在有效控制扭矩的条件下测量减速箱轴的扭矩误差低于1%，较传统方法误差降低9%；尽管伴有试验台的振动，本仪器对动态扭矩测量的不确定性仅有0.78%，相比之下，目前市场最先进的扭矩测量仪的动态测量误差在1%~2%之间；实验室实验和矿场试验均证明，新型测量系统具有准确度高，成本低，效果好，抗噪音能力强等优点，而且，在强烈震动的环境中使用效果良好，为确定梁式泵减速器扭矩提供了一种新方法。