摘要:提出了快捷式示功儀載荷傳感器的測量原理及結(jié)構(gòu)，采用快速裝夾方法，測量抽油機(jī)光桿一小段動(dòng)態(tài)載荷，在不停機(jī)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)在線測量。實(shí)驗(yàn)證明不但操作安全簡便，提高了工作效率，更重要的是不會(huì)引起井況及泵況的變化，所測示功圖能真實(shí)地反映抽油機(jī)的在線工況。
關(guān)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(jī)井示功圖的儀器，是了解抽油機(jī)、泵、桿工作狀況的主要手段。示功儀主要分機(jī)械式和電子式兩種，機(jī)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(diǎn)數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)發(fā)展到與計(jì)算機(jī)連接與無線發(fā)射進(jìn)行信息傳輸，為示功圖資料的解釋應(yīng)用提供了更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)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(jī))、載荷和位移傳感器組成。
傳統(tǒng)的電子示功儀載荷傳感器是把貼有應(yīng)變片的彈性體裝在抽油機(jī)懸繩器上、下夾板間，因而把光桿負(fù)荷的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥泽w的變形，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)變片電阻值的變化，從而產(chǎn)生光桿載荷變化的電信號(hào)，位移的測量是利用抽油機(jī)帶動(dòng)線輪，經(jīng)過減速，帶動(dòng)電位器產(chǎn)生對應(yīng)位移的電信號(hào)，經(jīng)過電路處理后進(jìn)行顯示和打印出示功圖[1]。
由于傳統(tǒng)電子示功儀的載荷傳感器裝在抽油機(jī)懸繩器上、下夾板之間，抽油機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)負(fù)荷同時(shí)被測量，靜態(tài)負(fù)荷較大，動(dòng)態(tài)負(fù)荷（即柱塞泵的負(fù)荷變化）則較小，所以載荷傳感器的量程應(yīng)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(jī)，這樣不但操作過程煩瑣、效率低，而且停機(jī)還會(huì)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(fā)生。所以快捷式示功儀載荷傳感器的研究具有一定的實(shí)用意義。
二、快捷式示功儀載荷測量原理
抽油機(jī)的光桿屬受拉桿件，拉桿在軸向力作用下會(huì)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?yōu)長1（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(jī)是否工作，靜態(tài)負(fù)荷始終作用于光桿上，而動(dòng)態(tài)負(fù)荷 在抽油機(jī)工作時(shí)周期性的變化。虎克定理變?yōu)椋?
(3) 將式(2)、(3)整理后為： (4)
可見軸向動(dòng)態(tài)負(fù)荷將隨動(dòng)態(tài)變形 的變化而周期性變化。測量出 ，通過式(4)可計(jì)算出光桿動(dòng)態(tài)負(fù)荷[2]。
三、載荷傳感器結(jié)構(gòu)
抽油機(jī)載荷傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，本體7、活動(dòng)梁3上分別與快速吸合器2剛性連接，彈簧8限制活動(dòng)梁3的位置。當(dāng)光桿1受軸向拉力ΔP作用時(shí)產(chǎn)生軸向變形，兩個(gè)快速吸合器吸住光桿，并隨光桿的變形而移動(dòng)，活動(dòng)梁帶動(dòng)測微儀4相對于本體有一微小位移，測微儀將位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的變化量，電路板5對電信號(hào)進(jìn)行放大并通過插座6及外接導(dǎo)線傳輸至二次儀表，再配合位移傳感器，經(jīng)過電路處理后進(jìn)行顯示和打印出示功圖。
快速吸合器的結(jié)構(gòu)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(dǎo)磁率大大地減小了磁路損耗，并且很好的保護(hù)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(guān)系。應(yīng)保證彈簧的彈力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)滑移，使測微儀準(zhǔn)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(jì)算[3][4]。
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由摩擦學(xué)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(shù)（無量綱）。
由電磁學(xué)可知：
式中 N—磁鐵吸力，N；
B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；
S—磁通面積，mm2；
對于永久磁鐵：
式中：Br—剩磁，T。
四、結(jié)束語
快捷式示功儀載荷傳感器不同于傳統(tǒng)傳感器的測量機(jī)理，剔除掉抽油機(jī)光桿的靜態(tài)載荷，僅僅測量抽油機(jī)一段光桿動(dòng)態(tài)載荷。測量時(shí)，待抽油機(jī)光桿運(yùn)行到最低點(diǎn)附近，手持傳感器手把，將傳感器鉛垂方向移近抽油桿，兩個(gè)快速吸合器將吸附在光桿上，待光桿往復(fù)運(yùn)行2"3周期后即可測量。通過在大慶油田的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，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(huì)引起井況及泵況的變化，所測示功圖真實(shí)地反映抽油機(jī)的在線的工況。
