王辉辉 王磊 康学玺
西安思坦仪器股份有限公司，陕西省西安710065
摘要：长庆油田井下作业工具与装置试验室在对管柱做拉压试验时，需要测量拉、压、扭力，仪器串接在试验机和需检验的之间，测量一段时间内管柱所承受的拉、压、扭力的大小，实验室中水平井试验机测量控制系统使用，在某些工况下，被检验的管柱需要持续旋转（转速0～120rpm），在该过程中测量管柱所承受的张力及扭矩，也可能配套其实验室中直井系统传感器使用，其功能类似于水平井试验机，通过直读显示实际测量的拉、压力及扭矩，对该传感器进行校准。
关键词：张力；扭矩；数据采集；传感器
1背景介绍
长庆油田井下作业工具与装备实验室提出测量实验管柱承受的张力及扭矩的仪器，测量该参数数值是为实际油井施工、作业提供参考。目前其采用水平井试验机提供拉、压力及扭矩进行测量并提供测量的参数数值，试验机最大能提供1000kN的拉、压力及8000Nm的扭矩，由于试验机采用液压传动装置的方式提供动力，测量时存在漏失及摩擦力较大导致测量精度低的问题，精度为5％，不能满足实际要求，现需我们设计精度高，精度要求5‰的测量仪器。
2总体方案设计
仪器可采取如下方案进行设计，仪器总体包含3部分：分别为测量部分，张力扭矩显示部分及上位机软件部分。
测量部分和张力扭矩显示部分都采用锂电池供电，测量部分包含信号采集板、锂电池及仪器接口等，主要完成拉、压力、扭矩等信号的采集及处理
2.1测量部分
测量部分由数据采集部分和传感器部分组成。测量部分和张力扭矩显示部分都采用锂电池供电，测量部分包含信号采集板、锂电池及仪器接口等，主要完成拉、压力、扭矩等信号的采集及处理。
仪器在三种不同的应用状况下的设计方案如下：
1)上位机通过485线缆与测量部分通信，直接获取测试值（有线传输方式，加载情况下测张力、扭矩）；
2)上位机与张力扭矩显示部分通过485线缆通信，张力扭矩显示部分与测量部分通过无线收发模块通信，间接获取测试值（无线传输方式，解决持续旋转测扭矩的情况）；
3)当需要对其实验室内直井系统传感器进行校准时，张力扭矩显示部分直接与测量部分通过无线传输方式通信完成测试，并显示测试的张力、扭矩值，进行校准（甲方有校准方法，我们只需实时显示当前测试值）。
2.2数据采集部分
数据采集部分用来连接张力扭矩传感器及试验管柱，同时固定安装采集板和锂电池，采集板将传感器采集的张力值、扭矩值进行采集处理，并与张力扭矩显示部分通信，锂电池用于给仪器供电
2.3传感器部分
传感器由测量张力的传感器和测量扭矩的传感器两部分组成，两部分设计在同一弹性体构件上，一体设计，分别包含4个应变片，4个应变片分90度对称贴在载体上，组成两个惠斯通电桥，同时测量张力和扭矩。
由于在实际测量中，仪器内部会通过高压流体，高压流体对传感器内壁会产生压力，该压力对张力测试的影响较大，因此需要测试流体压力对张力进行补偿。
张力扭矩传感器激励电压为2.5V，张力信号输出一个量程为-5～5mV的电压信号，扭矩信号输出一个量程为-5～5mV的电压信号，单片机通过AD口采集张力、扭矩值，同时对温度、流体压力进行采集
2.4上位机软件部分
根据该仪器的设计需求，仪器工作有时需要出检测报告，此时需配套专用上位机软件，软件界面浮动显示在其水平井试验机控制软件界面右上角，上位机与仪器通信采用MODBUS协议，上位机PC机软件应具备以下功能：
1、设置仪器的测试参数；
2、获取当前张力、扭矩值并在上位机上显示；
3、绘制出张力、扭矩随时间变化曲线图并存储、打印；
4、出检验报告，内容包括周期、最大张力和最大扭矩（报告格式已由甲方提供）。
3技术指标
.png)
4设计难点及解决办法
4.1扭矩量程大，要求精度高
已与传感器厂家协调，传感器及传感器的标定都由其完成，并协调第三方进行传感器的标检，最终交付我们满足精度要求的传感器及第三方检定证书，证书中须包含传感器检定结果（一定激励电压下，各检定点对应的毫伏量输出值）及标检结论（传感器符合的精度等级）。
4.2仪器耐强拉、压、扭性
仪器及传感器的材料可采用耐强压、强拉的17-4PH材料，同时尽可能增加仪器壁厚增强仪器的耐强拉、压、扭性能。
4.3内部流体压力对张力参数的影响
通过软件算法对张力值进行补偿。仪器打压时记录各个压力下零点时的张力值，结合张力扭矩传感器的刻度文件（传感器厂家提供）。
采用软件算法形成补偿张力的刻度文件（内部流体压力与张力的对应关系），通过线性补偿。
5.室内试验
5.1张力精度的测试验证
张力的检定在陕西省计量院进行。检定满足精度要求。
5.2扭矩精度的测试验证
扭矩标检是在红旗厂进行，检定满足精度要求。
参考文献
[1]刘心.地下管线测量的方法和质量控制[D].世界家苑-学术.2018.
[2]胡泽宏、苗长勇、李灼文 浅谈汽车总装扭矩管理方法与防错管理.时代汽车.2019年第03期.
作者简介：王辉辉（1983.10-），男，陕西富平，2011年毕业于陕西科技大学，硕士，中级工程师，现从事石油仪器相关设计及其研究工作。
通信方式：地址陕西省西安市高新区，电话18092136025，邮箱277792495@qq.com?? 邮编：710065