張 達(dá)，張洪寶，白玉新，王 恒，鄒河彬

(1. 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076；2.中石油遼河油田鉆采工藝研究院 遼寧 盤錦 124010)

·開發(fā)設(shè)計(jì)·

基于LVDT傳感器原理的油管接箍檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

張 達(dá)1，張洪寶2，白玉新1，王 恒1，鄒河彬1

(1. 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076；2.中石油遼河油田鉆采工藝研究院 遼寧 盤錦 124010)

針對(duì)帶壓修井作業(yè)時(shí)，油管接箍位置準(zhǔn)確識(shí)別的需求，設(shè)計(jì)了基于LVDT傳感器原理的油管接箍檢測(cè)裝置，在其等效物理模型的基礎(chǔ)上，用磁路分析法得到其結(jié)構(gòu)參數(shù)與輸出信號(hào)間的關(guān)系。建立了LVDT的等效簡(jiǎn)化模型，利用Maxwell 2D有限元軟件對(duì)LVDT模型的輸出特性進(jìn)行了仿真分析，得出了相應(yīng)的關(guān)系曲線，同時(shí)對(duì)線圈匝數(shù)及激勵(lì)頻率等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，LVDT采用非接觸式檢測(cè)方式，可實(shí)現(xiàn)較寬范圍的油管接箍位置準(zhǔn)確檢測(cè)，與傳統(tǒng)方法相比，安裝簡(jiǎn)單、方便，可靠性及效率都得到極大提高。

LVDT傳感器；油管接箍檢測(cè)；仿真分析

0 引 言

帶壓作業(yè)修井機(jī)工作時(shí)需實(shí)時(shí)判斷油管接箍準(zhǔn)確位置，圖1為其設(shè)備示意圖。如圖1所示，其具體工作流程為：關(guān)閉上半封，開啟下半封，待接箍部位通過下半封后，關(guān)閉下半封，開啟上半封。這一過程對(duì)上半封開啟時(shí)段有嚴(yán)格要求，過早開啟油管將會(huì)掉落，過遲開啟油管將會(huì)卡滯在接箍部位，因此必須在準(zhǔn)確判斷油管接箍位置后才能進(jìn)行上半封的開啟關(guān)閉操作。目前井場(chǎng)主要依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的工人來判斷油管接箍位置，從而控制上半封動(dòng)作。這種方法效率和準(zhǔn)確度均較低，油管長(zhǎng)短的變化也會(huì)對(duì)工人的判斷造成影響，極易出現(xiàn)操作失誤。同時(shí)，操作過程必須有三個(gè)人以上，且都處于8 m以上高空，勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)系數(shù)極高?；诖?，油管接箍位置檢測(cè)作為帶壓作業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，極有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

基于LVDT傳感器原理的檢測(cè)裝置利用電磁感應(yīng)原理，通過精確計(jì)算、設(shè)計(jì)將油管接箍在套管中的的位移變化量轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電路的輸出電壓變化量，并進(jìn)行適度放大以提高精度，最終實(shí)現(xiàn)油管接箍位置的高精度實(shí)時(shí)測(cè)量。

1-對(duì)接密封頭；2-上半封；3-固定卡瓦；4-上全封；5-放噴器；6-下半封；7-安全半封；8-安全卡瓦；9-安全全封；10-井口 圖1 帶壓修井作業(yè)設(shè)備示意圖

1 LVDT的原理及結(jié)構(gòu)

1.1 LVDT原理

LVDT位移傳感器具有工作可靠、輸出電壓精度高、線性度好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)中用作精密位移檢測(cè)部件[1，3]。理想情況下，其等效電路如圖2所示[4]。同一般變壓器原理，用交流電源給初級(jí)線圈供電，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)鐵芯處于次級(jí)線圈1和次級(jí)線圈2中間位置時(shí)，二者互感相等，產(chǎn)生的感生電壓大小相等，方向相反，輸出電壓為零；當(dāng)鐵芯偏離中間位置時(shí)，次級(jí)線圈1和次級(jí)線圈2之間的互感發(fā)生變化，二者的感生電壓不再相等，有電壓信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)用輸出電壓信號(hào)反應(yīng)輸入位移量的目的。

圖2 LVDT等效電路圖

1.2 結(jié)構(gòu)組成

基于LVDT位移傳感器的油管接箍檢測(cè)裝置示意結(jié)構(gòu)如圖3所示，線圈置于殼體槽內(nèi)，兩次級(jí)線圈按電勢(shì)反向串聯(lián)，外部采用高溫環(huán)氧樹脂灌封。法蘭盤與基座殼體采用雙密封結(jié)構(gòu)，滿足油管帶壓作業(yè)的需求。兩次級(jí)線圈間的差值電壓經(jīng)變換電路放大后輸出給顯示端，通過讀取數(shù)值即可判斷接箍實(shí)時(shí)位置。

1-法蘭盤1；2-次級(jí)線圈1；3-殼體；4-初級(jí)線圈；5-次級(jí)線圈2；6-基座；7-法蘭盤2；8-變換電路盒；9-接箍；10-油管 圖3 LVDT結(jié)構(gòu)示意圖

2 LVDT輸出電壓分析

考慮到油管接箍的實(shí)際外形，結(jié)合LVDT的線圈排布，可建立其簡(jiǎn)化模型如圖4所示，由于在檢測(cè)過程中油管部位與次級(jí)線圈1、次級(jí)線圈2間匝鏈磁通始終相等，輸出電壓信號(hào)僅與接箍和次級(jí)線圈1、次級(jí)線圈2間匝鏈磁通差值相關(guān)，故該模型只考慮接箍與次級(jí)線圈耦合部分。

圖4 LVDT等效模型

圖中，r1為接箍外徑；r2為油管外徑；R1為線圈內(nèi)徑；R2為線圈外徑；n為次級(jí)線圈長(zhǎng)度；L1為接箍與次級(jí)線圈1耦合長(zhǎng)度；L2為接箍與次級(jí)線圈2耦合長(zhǎng)度；ABCD為初級(jí)線圈與次級(jí)線圈1間的磁通路徑；EFGH為初級(jí)線圈與次級(jí)線圈2間的磁通路徑。

由于鐵芯采用導(dǎo)磁性材料，其磁導(dǎo)率較大，該處的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣及銅導(dǎo)線部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度。分析圖2所示的磁通路徑，可忽略鐵芯處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，僅考慮磁通路徑的AB、CD、EF、GH段。

對(duì)于ABCD回路，由安培環(huán)路定理得：

N1I=∮ABCDHdl

(1)

由于AB段、CD段主要處于空氣中，其磁導(dǎo)率可認(rèn)為是空氣磁導(dǎo)率μ0，則式1可寫為：

(2)

式中，N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。

根據(jù)磁通連續(xù)定理，由上述假設(shè)條件可知，B1、B2幅值相等，方向相反，求解可得：

(3)

則次級(jí)線圈1產(chǎn)生的磁鏈為：

(4)

式中，N2為次級(jí)線圈匝數(shù)。

同理可求得次級(jí)線圈2產(chǎn)生的磁鏈為：

(5)

則次級(jí)線圈產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)分別為：

(6)

(7)

式中，f為電源頻率。

則輸出電壓為：

U=U1-U2

(8)

由式8可見，LVDT輸出電壓的根本在于接箍與次級(jí)線圈1、接箍與次級(jí)線圈2間距離的差值，僅當(dāng)兩距離不相等時(shí)，才會(huì)有輸出電壓，且距離平方差值的大小也決定了輸出電壓大小。電源頻率、初級(jí)線圈匝數(shù)、次級(jí)線圈匝數(shù)、線圈尺寸相當(dāng)于輸出電壓的放大系數(shù)，通過合理選擇這些參數(shù)可調(diào)節(jié)輸出電壓在預(yù)設(shè)定范圍。

3 仿真分析

目前工程領(lǐng)域常用的電磁場(chǎng)分析軟件Maxwell2D使用方便、功能強(qiáng)大，可進(jìn)行靜態(tài)及瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，滿足LVDT建模、仿真需求[5]。

3.1 建模

LVDT的繞組線圈實(shí)際物理模型截面為圓形，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將其等效為相等截面積的矩形，由前述分析，LVDT的輸出電壓主要受電阻、電感和繞組匝數(shù)的影響，而電阻和電感主要取決于繞線截面積，與截面形狀無關(guān)，故該等效可反應(yīng)實(shí)際情況?；⒕€圈間隔板等采用非導(dǎo)磁性材料，其磁導(dǎo)率接近于空氣磁導(dǎo)率，故可將其忽略。由于LVDT的鐵芯及線圈均為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用RZ坐標(biāo)系，建立LVDT二維模型，各主要部件材料屬性見表1。

表1 LVDT材料屬性

3.2 輸出特性分析

Maxwell2D靜態(tài)求解器可計(jì)算直流電流、永磁體等恒激勵(lì)源產(chǎn)生的恒定電磁場(chǎng)，通過添加電流激勵(lì)，經(jīng)后處理計(jì)算得到輸出電壓隨油管及接箍位置變化曲線如圖5所示。

圖5 LVDT輸出電壓曲線

如圖5(a)所示，當(dāng)油管遠(yuǎn)離檢測(cè)裝置時(shí)，初級(jí)線圈與兩次級(jí)線圈的磁通路徑均為空氣，二者互感相等，輸出電壓為零。當(dāng)油管逐漸接近檢測(cè)裝置時(shí)，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈1匝鏈的磁通仍通過空氣路徑閉合，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈2匝鏈的磁通經(jīng)過空氣、油管、空氣回路閉合，其閉合回路磁導(dǎo)率增加，磁阻減小，互感大于初級(jí)線圈與次級(jí)線圈1間的互感，二者產(chǎn)生電壓差值，從而輸出電壓，且電壓隨著油管向前移動(dòng)而增大。當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大值后，油管繼續(xù)向前進(jìn)入次級(jí)線圈1區(qū)域，此時(shí)初級(jí)線圈與次級(jí)線圈1匝鏈的磁通經(jīng)空氣、油管、空氣回路閉合，其互感增大，從而使得輸出電壓減小。當(dāng)油管完全與次級(jí)線圈1重合時(shí)，輸出電壓減小為零。當(dāng)油管繼續(xù)前進(jìn)，接箍進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，由于接箍與油管外徑不同，將會(huì)重復(fù)上述過程。且二者外徑相差較小，輸出電壓幅值明顯降低。如圖5(b)所示，接箍通過檢測(cè)裝置時(shí)，其輸出電壓近似為線性，可較好反應(yīng)接箍位置，接箍位置-輸出電壓對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)見表2。

表2 接箍位置-輸出電壓數(shù)據(jù)

3.3 線圈匝數(shù)對(duì)輸出的影響

由式(8)可見，LVDT初級(jí)、次級(jí)線圈匝數(shù)對(duì)其輸出有較大影響，當(dāng)初級(jí)線圈、次級(jí)線圈取不同匝數(shù)時(shí)，計(jì)算得到其輸出電壓曲線如圖6所示。

圖6 不同匝數(shù)時(shí)輸出電壓曲線

由圖6可見，初級(jí)線圈匝數(shù)N1相同時(shí)，次級(jí)線圈N2匝數(shù)越大，輸出電壓越大。

3.4 激勵(lì)頻率對(duì)輸出的影響

選取接箍在某一位置，模擬電壓源激勵(lì)時(shí)的輸入輸出特性，計(jì)算輸出電壓隨激勵(lì)頻率變化曲線如圖7所示。

由圖7可見，當(dāng)頻率小于5 000 Hz時(shí)，輸出電壓隨頻率增加而增大。當(dāng)頻率增大到4 000 Hz至5 000 Hz時(shí)，輸出電壓已趨于平穩(wěn)?？紤]到頻率較高時(shí)渦流損耗較大，激勵(lì)頻率的選擇應(yīng)在合理范圍。

圖7 不同激勵(lì)頻率時(shí)輸出電壓曲線

4 結(jié) 論

1)基于油管接箍位置實(shí)時(shí)檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種基于LVDT傳感器原理的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了較大范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2)通過采集輸出電壓信號(hào)，得到油管接箍的實(shí)時(shí)位置參數(shù)。

3)該裝置與控制設(shè)備配合使用，可替代傳統(tǒng)的人工操作方式，實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)帶壓作業(yè)自動(dòng)化。

[1] 蔣曉彤，劉俊琴，王首浩.一種雙冗余LVDT式位移傳感器設(shè)計(jì)[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2015，3(6):10-13.

[2] 趙朋波.LVDT傳感器原理及在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的應(yīng)用[J]．裝備制造術(shù)，2015，8:147-148.

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[4] 錢 謙，劉武發(fā)，郭松路.新型精密LVDT仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014，3:214-216.

[5] 趙 博，張洪亮．Ansoftl2在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].中國(guó)水利水電出版社，2010.

Design of Tubing Coupling Detection Device Based on LVDT Sensor Principle

ZHANG Da1, ZHANG Hongbao2, BAI Yuxin1, WANG Heng1, ZOU Hebin1

(1.BeijingResearchInstituteofPreciseMechanicalandControlEquipment,Beijing100076,China;2.LiaoheOilfieldDrilling&ProductionTechnologyResearchInstitute,Panjin,Liaoning124010,China)

Because of the requirement for accurate identification of the tubing coupling position during the well repair operation under pressure, the detection device based on LVDT sensor was designed. On the basis of the equivalent physical model, the relationship between the structure parameter and the output signal was obtained by the magnetic circuit analysis method. A simplified model of equivalent LVDT was built, the finite element software Maxwell 2D was used to simulate the output characteristics of the LVDT model, the corresponding curves were obtained, and the simulation analysis was conducted on the influence of the key parameters such as the number of turns and incentive frequency with the output voltage. The results showed that LVDT can achieve a wide range of tubing coupling position detection by using non-contact method. Compared with the traditional method, the installation was simple and convenient, and the reliability and efficiency were greatly improved.

LVDT sensor; tubing coupling detection; simulation analysis

張 達(dá)，男，1986年生，工程師，2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事石油裝備研發(fā)工作。E-mail：hitzd@126.com

TE935

A

2096-0077(2017)02-0009-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.003

2017-01-10 編輯：葛明君)