抽油机快捷式示功仪载荷传感器的研究

　　摘要:提出了快捷式示功仪载荷传感器的测量原理及结构，采用快速装夹方法，测量抽油机光杆一小段动态载荷，在不停机的状态下实现在线测量。实验证明不但操作安全简便，提高了工作效率，更重要的是不会引起井况及泵况的变化，所测示功图能真实地反映抽油机的在线工况。

　　关键词：示功仪、载荷传感器、光杆、示功图。

　　一、引言

　　示功仪是测取抽油机井示功图的仪器，是了解抽油机、泵、杆工作状况的主要手段。示功仪主要分机械式和电子式两种，机械示功仪只能绘制示功图，目前已基本淘汰；电子式示功仪除能绘制示功图外，还可以打印出图形上各点数据，目前已经发展到与计算机连接与无线发射进行信息传输，为示功图资料的解释应用提供了更为准确的数据和方便的条件。

　　电子示功仪主要有记录仪、显示器、绘图仪(打印机)、载荷和位移传感器组成。

　　传统的电子示功仪载荷传感器是把贴有应变片的弹性体装在抽油机悬绳器上、下夹板间，因而把光杆负荷的变化转变为弹性体的变形，进而导致应变片电阻值的变化，从而产生光杆载荷变化的电信号，位移的测量是利用抽油机带动线轮，经过减速，带动电位器产生对应位移的电信号，经过电路处理后进行显示和打印出示功图[1]。

　　由于传统电子示功仪的载荷传感器装在抽油机悬绳器上、下夹板之间，抽油机的静、动态负荷同时被测量，静态负荷较大，动态负荷（即柱塞泵的负荷变化）则较小，所以载荷传感器的量程应比较大，可利用部分则较小，这样直接影响了测量精度及灵敏度；再则安装和拆卸载荷传感器都必须停机，这样不但操作过程烦琐、效率低，而且停机还会引起井况和泵况的变化，反映出的工况就与正常工况有一定的差别；并且操作不安全，常有事故发生。所以快捷式示功仪载荷传感器的研究具有一定的实用意义。

　　二、快捷式示功仪载荷测量原理

　　抽油机的光杆属受拉杆件，拉杆在轴向力作用下会引起轴向的伸长和横截面的收缩。取光杆上一段长度L，在轴心伸长后长度变为L1（图1），则杆件轴线方向的伸长变形Dl为：

　　

　　(1) 由虎克定理知： (2)

　　式中：E—光杆材料的弹性模量为 MPa； P—轴向拉力为N； A—光杆的截面积为m2。

　　由式(2)可知，在材料的弹性模量E、轴向拉力P和光杆的截面积A一定的情况下，光杆的轴向力P与轴向变形Dl成正比。不论抽油机是否工作，静态负荷始终作用于光杆上，而动态负荷 在抽油机工作时周期性的变化。虎克定理变为：

　　(3) 将式(2)、(3)整理后为： (4)

　　可见轴向动态负荷将随动态变形 的变化而周期性变化。测量出 ，通过式(4)可计算出光杆动态负荷[2]。

　　三、载荷传感器结构

　　抽油机载荷传感器结构原理图如图2所示，本体7、活动梁3上分别与快速吸合器2刚性连接，弹簧8限制活动梁3的位置。当光杆1受轴向拉力ΔP作用时产生轴向变形，两个快速吸合器吸住光杆，并随光杆的变形而移动，活动梁带动测微仪4相对于本体有一微小位移，测微仪将位移量转变为电信号的变化量，电路板5对电信号进行放大并通过插座6及外接导线传输至二次仪表，再配合位移传感器，经过电路处理后进行显示和打印出示功图。

　　快速吸合器的结构如图3所示，由于光杆为铁磁性材料，快速吸合器采用磁力吸合原理。永久磁铁2采用矩磁材料，其磁滞回线近似于矩形，将其磁化后能得到很高的剩磁，但脆性大，容易破碎。磁铁座1用铁磁材料制作，较高的导磁率大大地减小了磁路损耗，并且很好的保护了永久磁铁2，其与光杆3的圆弧接触减小了磁路中的空气隙长度，增大了接触面积，提高了快速吸合器与光杆的摩擦力。

　　图2中的弹簧8的刚度与快速吸合器的吸力大小有很大关系。应保证弹簧的弹力要远远小于快速吸合器与光杆的摩擦力，这样才能保证测量过程中快速吸合器与光杆不会滑移，使测微仪准确的测量出光杆的变形量。摩擦力和快速吸合器的吸力用下述公式计算[3][4]。

　　

　　由摩擦学可知：

　　式中 F—摩擦力，N；

　　N—正压力（本文中为磁铁吸力），N；

　　m—摩擦系数（无量纲）。

　　由电磁学可知：

　　式中 N—磁铁吸力，N；

　　B—磁感应强度，T；

　　S—磁通面积，mm2；

　　对于永久磁铁：

　　式中：Br—剩磁，T。

　　四、结束语

　　快捷式示功仪载荷传感器不同于传统传感器的测量机理，剔除掉抽油机光杆的静态载荷，仅仅测量抽油机一段光杆动态载荷。测量时，待抽油机光杆运行到最低点附近，手持传感器手把，将传感器铅垂方向移近抽油杆，两个快速吸合器将吸附在光杆上，待光杆往复运行2"3周期后即可测量。通过在大庆油田的现场实验，操作安全简便，提高了测量精度和工作效率，更重要的是不会引起井况及泵况的变化，所测示功图真实地反映抽油机的在线的工况。