智能化油管长度在线计量仪的组成原理及设计

通过油管长度的丈量可以精确定位抽油泵、射孔设备等在井下的位置，也便于掌握生产进度，及时调整生产工艺。传统的计量方法是人工丈量，计量精度差（一般要求3‰），工人劳动强度大，生产效率低。有的油田除人工计量外，还要再次下专用仪器测量井下工具的精确位置。为了改变这种状况，研究开发了智能化的油管长度在线计量仪，不仅可有效提高油管长度的计量精度，减轻工人的劳动强度，而且减少修井工序，节约生产成本，提高生产效率和经济效益。这种仪器如能在通井机或修井机生产厂家配套生产，可提高产品的机－光－电－液一体化水平，增加产品的使用功能，提高产品在市场上的竞争能力。

设计原则

在下放油管的作业中伴随着许多辅助操作过程，并且修井作业都是在野外进行，因此对油管长度智能计量仪的研究开发应遵循以下设计原则：

(1)测量自动化，仪表智能化。对于下放操作中伴随的许多辅助操作，仪器应能自动识别各操作环节，只对下放的有效管长进行自动测量。

(2)油管长度的计量必须真实可靠，并能自动补偿变形误差,精度达到1‰。

(3)操作简单。使用者是普通修井作业工，无需更多的专门知识和培训，仅靠简单介绍就可操作。

(4)仪器应能在野外的冷、热、雨、尘、电等恶劣环境下正常运行。

(5)修井作业的场所是经常变换的，计量仪的安装应方便容易，工作量小，不改变固有的修井操作过程。

(6)仪器的造价应经济合理，能达到较高的投入产出比。

(7)测量方法合理可靠。

(8)在线测量。在下放油管的同时自动计量油管长度，无需其它辅助测量工序，以减轻工人的劳动强度。

系统组成及原理

油管长度智能计量仪主要由传感器、有效计量鉴别器、分析计算系统和电源四部分组成，见图1。油管柱在提升或下放过程中，游车上升或下降的高度与滚筒卷绕或放出的钢丝绳长度有如下简单关系：H=L/6,式中H为游车上升或下降的高度；L为滚筒卷绕或放出的钢丝绳长度。

因此，利用间接测量方法能实现油管长度的在线测量，即通过测量钢丝绳移动的长度来计算游车上升或下降的高度，也即间接得到了油管提升或下放的长度。因此可在滚筒前设置一传感器，输出钢丝绳移动的长度信号，并能通过它辨别游车的运动方向。但也应注意，随着下放油管柱长度的不断增加，钢丝绳上的力也不断增加，其变形也逐渐增大，要得到足够精度的油管长度数据，必须建立合适的数学模型。

1.传感器

（1）转换机构直接测量钢丝绳移动的长度是较困难的，必须将其转换成其它便于记录的量。工程测量中，常将线位移转换成角位移来进行测量，因此可将钢丝绳移动的长度转换成摩擦轮转动的角度进行测量。为保证测量的准确性，必须保证钢丝绳与摩擦轮（滑轮）摩擦传动时摩擦轮作纯滚动。

（2）传感元件用于测量角位移量的常用传感器有霍尔式传感器和光电式传感器。霍尔式传感器是利用霍尔效应进行工作的传感器，霍尔元件是传感器的核心敏感元件，具有体积小、频率响应宽、动态范围大、无接触、寿命长等特点，但它的温度稳定性较差，易受外界磁场干扰。

近几年来，出现了以光电式传感器代替霍尔式传感器的趋势。光电式传感器是将光信号转换成电信号的一种传感器。采用这种传感器测量非电量时，只要将非电量的变化转化成光信号的变化即可。以光电传感器为基础进行测量具有结构简单、功耗低、非接触、可靠性高、精度高和反应快等特点，因此在自动检测系统中得到了广泛应用。

用于非电量检测的常用光电式传感器是光电耦合器，实际上是一个电量转换器。由于它实现了电隔离，故抗干扰能力强，而且由于具有单向传输功能，因而有脉冲转换和直流电平转换特性。因此，光电耦合器特别适合在数字逻辑的开关信号传输、计算机、工业控制机中作二进制的输入、输出信号传输。油管长度计量仪采用光电耦合器作为物理量转换器，将钢丝绳的线位移量转换为长度脉冲信号。

2.有效计量鉴别器

修井机工作时，起升系统还完成一些与油管下放有关的辅助工作，如从井场提升单根油管等，这时传感器输出的长度信号是与油管长度无关的，必须剔除。因此，在油管长度智能计量仪中还必须设置有效计量鉴别器。

有效计量鉴别器应该设置在转换机构上，但这会使转换机构变得体积庞大而复杂。据此，可利用起升系统在做其它辅助工作时已下油管压在井口这一事实，在井口设置一压控开关作为有效计量鉴别器的关键器件。

3.分析计算系统

分析计算系统是油管长度计量仪的核心(以计算机为主)，是实现自动化、智能化、高精度测量的基本保证。传感器将信号传输到计算系统后，由计算机进行分析、识别、计算、显示、存储等。由于长度计量仪用于实时在线测量，计算机选用MCS51系列单片机中的89C51。

4.电源

在野外修井作业，供电较困难的情况下，油管长度智能计量仪只能由通井机或修井机的电瓶供电，故研制的应是低功耗系统。由于通井机或修井机所用电瓶输出电压为12V或24V，而单片机系统电源电压要求在VCC＝5V±10%范围内，故电源必须设置直流DC-DC降压电路。

模拟试验与误差分析

1999年1月，新研制的油管长度智能计量仪在室内进行了模拟试验，主要目的是检验仪器的性能。通过模拟油管下放过程，反复测量大钩的行程，寻找最大误差，分析误差产生的原因。

试验条件：温度10℃，MR—30型磁带记录仪，5020A型示波器。10次试验结果见表1。

表1 油管长度智能计量仪的室内模拟试验结果

1.理论误差

2.试验误差

从表1中可以看出，大部分实际测量误差都在0.094%范围内，只有个别测量误差超出了理论误差范围。其原因可能是测量距离太短，因为以光码盘输出长度脉冲的系统，在进行连续测量时，只有在光码盘转动开始和终了时才可能丢失长度脉冲，而可能丢失的最大数量与所测的长度无关。

结论

（1）油管长度智能计量仪所采用的技术方案可行，测量原理可靠。

（2）油管长度智能计量仪的测量精度较高，可达1‰，能满足工程需要。

（3）从模拟试验情况来看，采用油管长度智能计量仪完全能代替传统的人工计量方式，有效减轻工人的劳动强度。