任忠宏
, 刘晓晨, 张阳, 郑海军, 宋银玲, 王俊, 王惠婕
中国石油渤海钻探第一录井公司
Ren Zhonghong, Liu Xiaochen, Zhang Yang, Zheng Haijun, Song Yinling, Wang Jun, Wang Huijie
中图分类号: TE132.1
文献标识码: A
收稿日期: 2018-11-20
网络出版日期: 2018-12-25
版权声明: 2018 《录井工程》杂志社 《录井工程》杂志社 所有
作者简介:
作者简介：任忠宏 工程师,1973年生,1995年毕业于原天津市大港油田石油学校,2009年7月毕业于中国石油大学(华东)资源勘查专业,现在中国石油渤海钻探第一录井公司计量站从事计量检测与产品质量控制工作。通信地址:300280 天津市滨海新区大港油田渤海钻探第一录井公司。电话:(022)25926646。E-mail:ren_1125@126.com
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摘要
阐述了光电编码器技术原理、室内校准装置、传统脉冲信号校准方法存在的问题。针对录井行业脉冲信号传感器精确计量的需求,结合脉冲信号传感器的特点,确定了采用光电编码器技术对脉冲信号传感器进行快速精确校准的思路,即将脉冲传感器与光电编码器固定于单相异步电机同一轴上,通过转速表显示测量脉冲与标准脉冲进行校准的方法,并在实验室内将光电编码器技术成功应用于脉冲信号传感器的校准中,使光电编码器技术在石油专用计量器具校准中得到了合理的应用。其应用结果表明,光电编码器技术精确稳定,实现了录井行业脉冲信号传感器的精确校准。
关键词：
Abstract
The technical principle of photoelectric encoder, indoor calibration devices, and the problems of traditional pulse signal calibration method are described. In view of the need of accurate metering of pulse signal sensor in mud logging industry and the characteristics of pulse signal sensor, the idea of fast and accurate calibration of pulse signal sensor with photoelectric encoder technology was determined. Pulse sensor and photoelectric encoder are fixed on the same axis of single-phase asynchronous motor, tachometer shows measuring pulse and full sized pules. The photoelectric encoder technology has been successfully applied to the calibration of the pulse signal sensor in the laboratory, which makes the photoelectric encoder technology get a reasonable application in the calibration of petroleum special metering devices. The application results show that the photoelectric encoder technology is accurate and stable, and the accurate calibration of pulse signal sensor in mud logging industry is realized.
Keywords：
石油专用计量器具是保证计量单位统一、量值准确可靠的一种仪器,是石油行业发展的重要支撑,是实现国际互认的科学技术手段。近年来,随着科学技术的快速进步,石油设备设施和勘探开发仪器的多样化发展,石油专用标准计量器具的创新发展也势在必行。目前在脉冲信号传感器校准领域,光电编码器技术起到了不容忽视的作用,它具有测量精确、分辨率高、抗干扰能力强等特点,受到广大有脉冲信号校准需求行业的青睐[1]。
针对石油录井行业脉冲信号传感器精确校准处理方面的需求,结合脉冲信号传感器自身的特点,提出了利用光电编码器技术对脉冲信号传感器进行快速准确校准的思路,并在实验室内将光电编码器技术成功应用于脉冲信号传感器的校准中,使光电编码器技术在石油专用标准计量器具的校准中得到了合理的应用[2]。
光电编码器是传感器的一种,它是通过光电转换,将输出轴端的机械几何位移量转换为脉冲或数字量,主要应用于各种数控设备上,在石油行业中也有应用,是目前各行各业应用最多、最广泛的传感器之一。光电编码器按材料、样式、工作原理、刻度方法、信号输出形式的不同可以分成不同的类型:按材料分为天然橡胶型、塑料型、胶木型和铸铁型;按样式分为圆轮缘型、内波纹型、平面型、表盘型;按工作原理分为光学型、磁型、感应型、电容型;按刻度方法和信号输出形式分为增量型、绝对型、混合型。
主要部件光栅盘和光电检测装置构成光电编码器(图1),在检测系统中,光栅盘与电动机同轴,电动机带动光栅盘旋转,然后经过光电检测装置,输出若干个脉冲信号,根据该脉冲信号单位时间内的脉冲数,即可计算出当前电动机转动的速度[3]。码盘输出两个相位相差90°的光码,据双通道输出光码状态的不同,判断电动机转动的方向。
长期以来,脉冲信号传感器的校准一直沿用传统的校准方法,即手动校准法。脉冲信号传感器是采用电磁振荡与金属感应相结合的方式进行校准,在手动校准过程中,将脉冲信号传感器固定在支架上,接通电源,脉冲信号传感器的电磁振荡电路在供电电源的作用下产生振荡,通过手动金属目标物交替靠近和远离传感器探头,改变其输出电压幅度,从而改变输出电流,产生一组脉冲信号,可从电流表上观察输出电流的变化,定性判断被测传感器的性能;或者利用综合录井仪中的采集软件,将脉冲信号传感器连接到采集系统上,开启采集软件,选择起始点,顺时针转动脉冲信号传感器既定圈数,再逆时针转动脉冲信号传感器既定圈数,如果大钩高度回到起始点,说明该脉冲信号传感器性能符合要求,否则说明该传感器有故障,以此来判断被测脉冲信号传感器的性能。手动校准方法费时费力,误差大,只能定性判断传感器的性能,且不具可溯源性及可传递性[4],为此需要采用光电编码器技术实现脉冲信号传感器校准的自动化[5]。
该型号编码器采用圆光栅,经光电转换后,将旋转轴的角位移量转换成电脉冲信号,其输出的三组方波脉冲以A、B、Z表示(图2),其中A、B两组脉冲相位差相差90°,据此判断电动机转动的旋转方向,将Z设定为每转一个脉冲,以便于基准点的定位 [6]。
该光电编码器由旋转轴、光栅盘、接收元件、狭缝、发光元件、信号处理、输出部分组成(图3)。
该型号光电编码器电气参数包括输出类型、输入电压、消耗电流、输出电压、上升及下降时间、响应频率、绝缘阻抗、允许注入电流(表1);机械参数包括最高转速、启动力矩、允许角加速度、最大负载、转动惯量、质量(表2);环境参数包括工作温度、贮存环境温度、移动过程中耐冲击指标、耐振动指标(表3)。
表1 电气参数
| 输出 类型 | 输入电压 DC/V | 消耗电流/ mA | 输出电压/V | 上升时间/ μs | 下降时间/ μs | 响应频率/ kHz | 绝缘阻抗/ MΩ | 允许注入电流/ mA | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VH | VL | ||||||||
| A | 5~26 | <150 | ≥0.7 | ≤0.5 | ≤0.2 | ≤0.1 | 0~100 | - | - |
表2 机械参数
| 最高转速/ (r·min-1) | 启动力矩(25℃)/ (N·m) | 允许角加速度/ (rad·s-2) | 最大负载/N | 转动惯量/ (kg·m2) | 质量/ kg | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 径向 | 轴向 | |||||
| 5 000 | 5×10-2 | 10 000 | 20 | 20 | 4×10-7 | 约0.4 |
表3 环境参数
| 工作温度/℃ | 贮存环境温度/℃ | 耐冲击/(m·s-2) | 耐振动/(m·s-2) |
|---|---|---|---|
| -10~70 | -20~80 | 490 (x、y、z 3个方向 各3次,每次6 ms) | 49 (10~200 Hz,x、y、z 3个方向各2 h) |
根据光电编码器技术与脉冲信号传感器的测量原理,在实验室内可设计出用光电编码器技术校准脉冲信号传感器的自动校准系统(图4)。光电编码器技术校准系统由电源模块、电机控制单元、标准脉冲源、脉冲信号传感器、电机马达调速器、转速表组成,其中标准脉冲源包括光电编码器、电源、转动轴和固定接件。标准脉冲源和单相异步电动机结合,所产生的信号通过数显转速表输出(标准脉冲);脉冲信号传感器和光电编码器固定在单相异步电动机同一中心轴上,同时作为脉冲信号传感器和光电编码器的金属感应物,通过可调节直流电源为脉冲信号传感器供电,供电电压可根据脉冲信号传感器的需要进行调节,脉冲信号传感器随着电机转动,产生感应脉冲信号并通过转速表输出(测量脉冲),同时通过光电编码器产生标准脉冲信号,并通过转速表显示输出(标准脉冲),通过对比标准脉冲和测量脉冲即可定量、定性判断脉冲信号传感器的性能。
在实验室内,将被测脉冲信号传感器安装在转动轴固定支架上,采用防脱扣固定,确保在转动过程中传感器不松动,被测传感器信号线、供电线与校准装置提供的供电、信号接口正确连接。打开校准装置总电源开关,设置被测脉冲信号传感器供电、齿数、正反转、传感器供电类型(电流型或电压型传感器)、测量信号或模拟信号,启动电机电源控制开关,电机进入正常工作状态后,可由马达调速器控制其转速快慢(图5)。
传统的脉冲信号传感器校准方法:采用手动的方式进行校准,在校准过程中,通过手动金属目标物交替靠近和远离传感器探头,改变其输出电压幅度,从而改变输出电流,产生一组脉冲信号,从电流表上观察输出电流的变化,可以定性判断被测传感器的好坏。
依据SY/T 6679.1-2014“综合录井仪校准方法第1部分:传感器”,采用光电编码器技术进行脉冲信号传感器校准方法,校准多批次脉冲信号传感器,随机抽取,按标准要求选取校准点,设置不同的马达转速,分别正向和反向旋转,标准脉冲输出和测量脉冲输出,校准数据见表4。
表4 校准数据统计
| 批次 | 校准 日期 | 校准 频次 | 马达转速/ (r·min-1) | 旋转 方向 | 标准脉冲 显示 | 测量脉冲 显示 | 校准 结果 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 每支 | 50 | 正/反 | 50 | 50 | |||
| 每支 | 100 | 正/反 | 100 | 100 | |||
| 第一批30支 | 2018-09 | 每支 | 200 | 正/反 | 200 | 200 | 合格 |
| 每支 | 400 | 正/反 | 400 | 400 | |||
| 每支 | 50 | 正/反 | 50 | 50 | |||
| 每支 | 100 | 正/反 | 100 | 100 | |||
| 第二批25支 | 2018-09 | 每支 | 200 | 正/反 | 200 | 200 | 合格 |
| 每支 | 400 | 正/反 | 400 | 400 | |||
| 每支 | 50 | 正/反 | 50 | 50 | |||
| 每支 | 100 | 正/反 | 100 | 100 | |||
| 第三批50支 | 2018-10 | 每支 | 200 | 正/反 | 200 | 200 | 合格 |
| 每支 | 400 | 正/反 | 400 | 400 | |||
| 每支 | 50 | 正/反 | 50 | 50 | |||
| 每支 | 100 | 正/反 | 100 | 100 | |||
| 第四批50支 | 2018-11 | 每支 | 200 | 正/反 | 200 | 200 | 合格 |
| 每支 | 400 | 正/反 | 400 | 400 | |||
| 每支 | 50 | 正/反 | 50 | 50 | |||
| 每支 | 100 | 正/反 | 100 | 100 | |||
| 第五批30支 | 2018-11 | 每支 | 200 | 正/反 | 200 | 200 | 合格 |
| 每支 | 400 | 正/反 | 400 | 400 |
通过对比得出,采用光电编码器技术进行脉冲信号传感器校准,智能性强、校准精确,操作方便快捷,标准数据和测量数据直观,既可定性判断传感器的好坏,又可定量判断传感器的性能,具有传递性及可溯源性。
计量检测机构应紧密结合石油工业计量科技创新需求,建立和完善符合工作实际的计量科技创新机制,加强石油专用计量器具的科技创新项目研究与应用,积极开展石油专用计量器具的研制与研发工作。
本文重点阐述了光电编码器技术在脉冲信号传感器校准中的新应用,并成功研制了录井行业中基于光电编码器技术的脉冲信号传感器校准装置,取代了以往传统的校准方法,能够有效地校准脉冲信号传感器,具有误差小、人为因素少的特点,从而为作业现场脉冲信号传感器的准确性、可溯源性、可传递性提供了可靠的依据,同时该校准方法操作简洁,实用性强,自动化程度高,为石油行业录井专用计量技术服务的创新与发展提供了借鉴。
The authors have declared that no competing interests exist.
| [1] |
光电编码器关键技术研究 [D]. |
| [2] |
基于增量式光电编码器的高精度位置检测技术研究 [D]. |
| [3] |
光电编码器检测技术的研究现状及发展趋势 [J]. |
| [4] |
基于激光测距技术的液位监测传感器校准装置 [J]. |
| [5] |
强化计量管理要突出科技创新 [J]. |
| [6] |
单片机检测转角、转速 [J]. |
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