автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Двухкомпонентный магнитоанизотропный преобразователь механических сил

- -На правах рукописи

гЧ О ОА

• ;: ■ ; го .

БАГИЖЕВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

УДК 621.3.087.92

ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ МАГНИТОАНИЗОТРОПНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание \-чёной степени кандидата технических наук

УФА 2000

Работа выполнена на кафедре «Электротехника и электрооборудование предприятий» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научные руководители - доктор технических наук,

. профессор Ураксеев MA., кандидат технических наук, доцент Чигвинцев C.B.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Хайруллин И.Х., кандидат технических наук, и.о. профессора Артемьев Э.А.

Ведущее предприятие- МОАО «Нефтеавтоматика».

Защита состоится « 15 » декабря 2000 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д-117.07.01 при Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанном}' адресу в двух экземплярах.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан « 14 » ноября 2000 г.

Учёный секретарь Диссертационного Совета, д-р техн. наук, проф. I И.Ю. Петрова

1131-561-01,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

В современном экономически развитом государстве, в условиях рыночной экономики повышение эффективности производства является наиважнейшей задачей.

Одним то методов повышенна экономической эффективности в нефтяной отрасли является уменьшение затрат- на эксплуатацию оборудования и повышение механической скорости бурения, которая достигается правильным выбором режимов работы бурового оборудования.

Механическая скорость бурения скважины может быть повышена на 25-30%, за счёт правильного выбора режима бурения.

Основными параметрами, влияющими на режим бурения, являются осевая нагрузка на долото, крутящий момент, передаваемый долоту и частота вращения долота.

Чрезмерное увеличение осевой нагрузки на долото может привести к поломке бурильных труб, выпадению зубьев шарошек и соответственно к разрушению шарошек и заклиниванию долота. Недозагрузка долота приводит к уменьшению скорости бурения. По крутящему моменту, передаваемого долоту можно судить о режущей (разрушающей) способности долота.

При бурении скважин, особенно глубоких, технологические параметры, определяющие процесс бурения, контролируются, как правило, на поверхности и существенно отличаются от реальных на забое скважины,

В связи с этим эффективное управление работой забойного двигателя и поро-доразрушающего инструмента при больших глубинах по информации, полученной с помощью наземных приборов, становится затруднительным, а иногда невозможным.

Существующие средства измерения, применяемые в системах управления бурением скважины и располагаемые на забое, не удовлетворяют возросшим требованиям со стороны систем управления по надежности, точности, информативности. Поэтому одним из актуальных направлений научно-технического прогресса является совершенствование существующих и создание новых элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в частности, измерительных преобразователе!! для систем управления процессами разработки месторождений.

С учётом изложешюго диссертационная работа, посвященная созданию и исследованию преобразователей механических сит с улучшенными технико-экономическими показателями, является актуальной.

Работа проводилась:

- в соответствии с межвузовской научно-технической программой «Системы контроля и управления процессами разработки газовых месторождений» (М.Т.473), утверждённой приказами Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации от 03.11.97 № 2227, указанием Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации от 22.12.97 № 747-19;

- в рамках единого заказ-наряда по тематическому плану НИР Уфимского государственного нефтяного технического университета (1997-1998 гг.) Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации.

Цель работы

Создание преобразователя механических сил с расширенным! функциональными возможностями и высокой надежностью для системы управления режимом работы долота в процессе бурения.

Эта цель достигается в работе решением следующих задач:

- структурный синтез однокомпонешных магнитоанизотропных преобразователей механических сил для создания новой конструкции - двухкомпонентного магнитоанизотропного преобразователя механических сил;

- разработка математических моделей ДКМАПС, позволяющих получить функцию преобразования в аналитическом виде;

- анализ влияния конструктивных, электрических и магнитоупругих параметров на статическую характеристику преобразования, чувствительность и погрешности;

- анализ основных характеристик ДКМАПС и разработка методов их улучшения;

- разработка методики инженерного расчёта и программы расчёта на ЭВМ.

Методы исследований

Анализ механической прочности базировался на теории прочности механизмов и машин.

Математические модели подучены на основе теории электромагнитного поля и магнитных цепей с сосредоточенными параметрами.

Теоретические исследования проводились методом математического моделирования с использованием элементов векторно-матричной алгебры, дифференциальных уравнений, теории пределов, рядов Фурье, преобразований Лапласа, методов теории вероятностей.

Экспериментальная проверка разработанных математических моделей проведена с применением теории планирования эксперимента.

При моделировании использованы пакеты для расчёта статических нагрузок -Cosmos/M; решение систем линейных уравнений первого порядка, дифференциальных уравнений, пределов, рядов Фурье и преобразований Лапласа осуществлялось с помощью математических пакетов - MathLab 5.0, MathCAD 8.0, Maple V-R4. Разработка прикладных программ проводилась с применением Borland Delphi версии 5.0.

На защиту выносятся

- результаты синтеза двухкомпонентного магнитоанизотропного преобразователя механических сил;

- математические модели, учитывающие пространственное положение вектора магнитной индукции и его поворот под воздействием измеряемых компонент механических сил и использующие схемы замещения с сосредоточенными параметрами;

- результаты математического моделирования статических характеристик преобразования на ЭВМ.

Научная новизна

- произведён структурный синтез двухкомпонентного магнитоанизотропного преобразователя механических сил, обеспечивший возможность одновременного измерения двух независимых компонент - механических сил от осевой нагрузки на долото и крутящею момента, передаваемого долоту в системах управления бурением скважин; установлено, что для расширения функциональных возможностей маг-

нитоанизотропных преобразователей механических сил необходимо обеспечить определённое пространственное расположение обмоток измерения во взаимно перпендикулярных плоскостях с поворотом на 45° относительно продольной измеряемой компоненты, а положение жёстко скрепленной с ними обмотки возбуждения так. чтобы создаваемый ею вектор магнитной индукции лежал на линии пересечения плоскостей измерительных обмоток;

- разработана математическая модель, основанная на повороте вектора магнитной индукции, учитывающая пространственное положение вектора индукции магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения, и позволяющая получить статическую характеристику преобразования в аналитическом виде;

- разработана математическая модель, основанная на схеме замещения маг-нишой цегги с сосредоточенными параметрами, состоящая из системы линейных уравнений первого порядка, более полно учитывающая геометрические размер!,! магнитоттровода и поверхностный эффект,

- на основе разработанных математических моделей проведены исследования, позволившие установить характер влияния конструктивных, электричесыгх и мапштоупругих параметров на статическую характеристику преобразования, чувствительность, погрешности и позволившие дать рекомендации по методам их улучшения.

Достоверность

Полученные в работе результаты и выводы подтверждены эксперимешаль-ными и теоретическими исследованиями. Из экспериментальных исследований ДКМАПС следует, что максимальное расхождение экспериментальных данных от расчетных для статической характеристики преобразования ДКМЛПС не превышает 16,4% при токе возбуждения 600 мА, частоте гока возбуждения 50 Гц, температуре окружающей среды 20 °С.

Практическая ценность

Разработан и рекомендован к внедрению в промышленности двухкомпонепт-ный магнитоанизотропный преобразователь механических сот с расширеншлми функциональными возможностями, обладающий высокой надёжностью к внезапным отказам. Разработана программа инженерного расчёта на ЭВМ статической характеристики преобразования, чувствительности, погрешностей и надёжности ДКМАПС. Выявлены конструктивные принципы совершенствования ДКМАПС.

Апробация работы

Содержание и основные результаты работы докладыва/гись и обсуждатись на:

- 47-й научно-технической конференции студентов и молодых \чёных (Уфа, 1996 г.);

- научно-технической конференции «Современные технологии обучения в профессиональной подготовке студентов технического вуза» (Стерлитамак, 1997 г.);

- международной научно-технической коиферешцти «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1998 г.);

- электронной научно-технической конференции «АИМ-2000» (Тула, 2000 г.);

- юбилейной научной сессии, посвященной 70-летию Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина «Нефтегазовое образование и наука: итоги, состояние и перспективы» (Москва, 2000 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, получено два реклам-

но-технических описания программы инженерного расчёта и макроса для ЭВМ.

Объём и структура диссертационной работы

Диссертация изложена на 157 страницах, содержит 58 рисунков, 36 таблиц, шесть приложений и список использованных источников, состоящий из 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе проанализировано состояние строительства нефтяных и газовых скважин, ведущегося у нас в стране и за рубежом. Показано, что в настоящее время при существующем уровне буровой техники первостепенное значение имеет оптимизация режима бурения, то есть поддержание заданных основных параметров, влияющих на режим бурения, таких как: осевая нагрузка на долото (280 кН), частота вращения долота (от 450 до 650 об/мин) и крутящий момент, передаваемый долоту (3,5 кН • м).

Отмечено, что в настоящее время при разработке скважин широкое применение нашли устройства измерения осевой нагрузки на долото и крутящего момента, передаваемого долоту, располагаемые на устье скважины (рисунок 1,а). Недостатками перечисленных устройств являются измерения, производимые через колонну бурильных труб, что уменьшает чувствительность к реально действующим нагрузкам и повышает погрешность измерения.

тга

а)

б)

Рисунок 1 - Места установки датчиков: а-известные места установки датчиков; б-предлагаемый способ размещения датчиков; 1-бурильпая труба; 2-переводник; 3-породоразрушающий инструмент (долото); 4-датчики (показаны условно), устанавливаемые на забое; 5-датчики, устанавливаемые на устье скважины; 6-ивдикатор

Устройства, располагаемые на забое скважины, функционируют в качестве регистраторов нагрузки, так как имеют основную приведённую погрешность более 10% и нелинейность преобразования более 2,5%.

Установлено, что с ростом глубины возрастает несоответствие в показаниях наземного индикатора веса типа ГИВ и забойного датчика. Если на глубине 7001000 м разница в показаниях составляет 5-10%, то на глубине 2000-2500 м она достигает ¡0-20% от показаний наземного прибора. Причём отклонение показаний наземного прибора всегда в сторону уменьшения значений относительно забойного датчика.

Таким образом, для повышения достоверности измерений необходимо размещать дат гик как можно ближе к породоразрушающему инструменту. -

В автоматических системах управления технологическим процессом бурения скважин важная роль отводится первичным преобразователям, поскольку они находятся в наиболее сложных условиях эксплуататщи. Так на измерительный преобразователь, располагаемый па забое скважины, воздействуют давления, температуры и агрессивные жидкости. С увеличением глубины буреши, а также с необходимостью контроля различных процессов по интенсификации добычи нефти и газа давление окружающей среды в скважине может достигать ¡00-150 МПа, а температура около 300 °С на глубине приблизительно 5 000 м при воздействии ударных вибраций с частотой до 10 кГц.

Одним из требований СУ бурением скважин к измерительному преобразователю (ИП) являются расширенные функциональные возможности. Они выражаются в возможностях преобразователя производить измерения нескольких параметров режима бурения, например, одновременное измерение осевой нагрузки на долото и крутящего момента. Вариантом расширения функциональных возможностей является одновременное измерение механических сил от воздействия осевой нагрузки на долото и крутящего момента. Другими словами, ИП должен измерять компоненты сил или быть многокомпонентным.

Для создаштя многокомпонентных датчиков имеются следующие возможности: объединение нескольких однокомпонентных датчиков с помощью соединительных звеньев, размещение нескольких преобразователей к одном датчике, произвольное расположите достаточного количества преобразователей внутри одного да гчика.

Па основании сравнительного анализа многокомпонентных преобразователей механических сит но данным научно-технической и патентной литерату ры показано, что существующие многокомпонентные преобразователи не удовлетворяют требованиям системы управления бурением скважин.

Рассмотренные основные способы преобразования мехаш1ческих сил в электрический сигнал применительно к СУ бурением скважин показали, что в датчиках для СУ бурением скважин наиболее применимы ИП, построенные на основе магни-тоупругого эффекта.

Магнитоупрутие преобразователи широко применяются в силоизмерительных датчиках, используемых в тяжело]! промышленности, например, в металлургии, нефтяной отрасли дтя измерения усилий от единиц килоныотонов до десятков ме-ганьютонов. Значительными преимуществами этого пша датчиков являются: высокая чувствительность, большая выходаая мощность, простота изготовления и эксплуатации, возможность непосредственного преобразования силы (без промежуточных элементов), минимальные эксплуатационные затраты.

Второй раздел посвящен синтезу ДКМАПС и разработке его математических моделей, основанных на повороте вектора магнитной индукции и на схеме замеще-

11.11.00

ния магнитной цепи с сосредоточенными параметрами.

Осевую нагрузку, на долото и крутящий момент, передаваемый долоту, действующих на элементарную площадку бурильной трубы, можно представить в виде однородных компонент - сил 1<\ и действующих по осям X и Ъ.

Известный магаитоанизотропный преобразователь механических сил (МАПС) со скрещенными обмотками (прессдуктор) позволяет измерять только одну компоненту вектора силы (рисунки 2,а и 2,6). Для измерения компонент Fx и 1<\ необходимо использовать отдельные МАПС, что не удовлетворяет условиям со стороны СУ бурением скважины, так как увеличиваются габаритные размеры.

г)

Рисунок 2 - Варианты расположения обмоток МАПС в пространстве для измерения соответствующих компонент - механических сил:

а-измерение горизонтальной компоненты; б-измерение вертикальной компоненты; в-из-мерение горизонтальной и вертикальной компоненты в ДКМАПС; г-плоскости расположения обмоток ДКМАПС; 1-обмотка возбуждения; 2, 3-обмотки измерения компонент сил

Магнитоанизотропные преобразователи механической силы необходимо размещать таким образом, чтобы при измерении одной компоненты изменение другой не влияло бы на результат измерения первой.

На рисунках 2,а и 2,6 показаны два варианта размещения обмоток преобразователя в пространстве относительно измеряемой и нечувствительной компонент (на рисунке 2 перечёркнута крестиком). Оба преобразователя имеют обмотки возбуждения и обмотки измерения. Плоскость, в которой расположена обмотка измерения соответствующей компоненты, находится под утлом 45° к этой компоненте, а компонента, к которой измерительная обмотка нечувствительна, лежит в плоскости измерительной обмотки.

Равенство 1ДС ну лю достигается при условии, что вектор магнитной индукции В лежит в плоскостях измерительных обмоток (Гх и П'л.

В результате совмещения двух однокомпонентных МЛПС, удаления одной обмотки возбуждения и изменения расположения второй обмотки возбуждения получаем двухкомпононшый магнтоашгзотрогшый преобразователь механических сит (ДКМАПС) с одной обмоткой возбуждегам и двумя обмотками измерения компонент Кх и (рисунки 2,в и 2,г).

Необходимым условием является расположение обмоток измерения в плоскостях неизмеряемых компонент (рисунок 2,г). Например, неизмеряемая компонента Кг для обмотки измерения компоненты Кх должна лежать в плоскости 2 обмотки измерения компоненты Кх, а неизмеряемая компонента Кх для обмотки измерения компоненты Кг должна лежать в плоскости 3 обмотки измерения компоненты К2. Причём утол а.хх между- плоскостью 2 и измеряемой компонентой Кх равен 45°, а утол между плоскостью 3 и измеряемой компонентой 1<'ъ также равен 45°. При этом вектор магнитной индукции В в момент отсутствия прилагаемых компонент Кх и Кг должен лежат в плоскостях 2 и 3 измерителышх обмоток, то есть находился на линии ЛВ пересечения плоскостей 2 и 3.

Рисунок 3 - Общий вил ДКМАПС:

1 -чувствительный элемент; 2, 3 -предохранительные крышки. 4-обмогка возбуждения; 5 обмотка измерения силы Рх; 6-обмотка измерения силы Гг; 7- площадка для приложения силы / 'х; Х-площадка для приложения силы Ег

Для правильного футнсционнрова1шя ДКМАПС необходима независимость воздействующих компонент Кх и К?..

Синтезированный двухкомпонентный магнитоанизотротшй преобразователь механических сил обладает следующими преимуществами:

а) возможна установка вблизи породоразрушающего инструмента;

б) позволяет измерять две независимые механические силы;

в) принцип действия основан на магнитной анизотропии;

г) содержит меньшее количество отказонеустойчивых элементов;

д) меньшие габаритные размеры.

е) мощный выходной сигнал, не требующий усиления.

Известно, что принцип действия магнитоашвотропиых преобразователей механических сил основан на изменении магнитной проницаемости вследствие возникающих механических напряжений при приложении внешних механических сил.

Основной задачей исследования механического звена является установление связи между максимальными значениями прилагаемых компонент механических сит и возникающих механически напряжений в измерительных зонах 1 чувствительного элемента (рисунок 4).

w-

Рисунок 4 - Распределение механических напряжений в центральном срезе чувствительного элемента при двухстороннем нагружении компонентами Fx и Fz по 50кН:

1-область измерения; 2-областъ максимальных напряжений; 3-контакгная площадка для компоненты Fx; 4-контактная площадка для компоненты Fz

Значения допускаемых напряжений или коэффициентов запаса прочности устанавливаются техническими условиями и нормами проектирования.

Согласно методу допускаемых напряжений максимальные напряжения, возникающие в центре чувствительного элемента 1 (рисунок 4) преобразователя, не должны превышать сгЮ11 с учётом тангенцшльных составляющих вследствие влияния коэффициента Пуассона и коэффициента запаса п.

Анализ эпюр механических напряжений, произведённый с использованием пакета программ COSMOS Static Solver версии 2.0 фирмы SRAC, показал, что максимальные механические напряжения 2 возникают в областях контактных площадок 3 и 4 (см. рисунок 4).

Разработанная математическая модель основана на представлении изменения направления вектора магнитной индукции В в зависимости от направления и величины прилагаемых к ЧЭ механических сил. Методика анализа однокомпонентного датчика разработана Украинским научно-исследовательским трубным институтом.

При приложении внешних механических сил Fx и Fz (рисунок 5) условия на-

магничивагаи в направлегага осей X, Y и Z становятся различными.

о

а)

б)

Рис\нок 5 - Векторы напряжённости и магнитной индукции при приложении внешних механических сил:

а-пространственное представление; б-в плоскости ХОУ

Воздействующие на ЧЭ механические силы изменяют модули векторов индукции В1Х, В~п- и В1г, что приводит к повороту результирующего вектора В] на углы /?._т и относительно осей X и Z.

/?ХУ = arctg

( \

Vn--ТгН1^ '(°"х +o"z)

______

2 ■ /ц • . .

Мн---^—"-(o-x+t'n-o"?)

t£«v

(1)

Pyl = arctg

.llhltLL

Hi

fi„ -(crx +<Tz) 'Sin%

fhi

-tga.

(2)

Вектор В, проецируется на нормали к обмоткам измерения ГГХ и IVZ в виде векторов Щту и (рисунок 5,6), которые создают поток, проходящий через вторичные обмотки и наводящий в них ЭДС.

Ях = - /4,44 • /вюб • 1ГХ ■ ^ ■ /во,б • 1ГВШ6, • sin az ■ cos arx

L(o-x+nn-crz) •

sinQgXT -¿¡Чух), COS J3X у

(3)

£2 = ~/4,44-/во

СОБ

ММ, основанная на схеме замещения магнитной цепи, сводится к определению полных потоков, состоящих из суммы потоков, пересекающих соответствующие обмотки измерения в неразветвлёшюй части цепи.

Согласно схеме замещения (рисунок 6) при воздействии внешних прилагаемых компонент Ру: и Fz на ЧЭ преобразователя в последнем изменятся магнитные сопротивления участков 17, 25, 27, 28, 30 и 38. При этом произойдёт перераспределение магнитного потока, возбуждаемого первичной обмоткой. Вследствие этого в обмотках измерения изменятся значения наводимых ЭДС. Как правило, сердечник магнитоупругого преобразователя выполняется из сплошного материала и его размер превосходит глубину проникновения магнитного поля, в этом случае магнитное сопротивление определяется формулой Л.Р. Неймана.

сосредоточенными параметрами

Полные ЭДС при этом (для рисунка 6)

4 = -/4,44• /Е03б. ■ !ГХ ■ (Ф25 - Ф28); (5)

¿'7 =->4,44-/вдаб ■ 1У7 -(Ф25 -Ф38). (6)

В третьем разделе получена статическая характеристика преобразования (СХП) ДКМАПС в аналитическом виде для ММ, основанной на повороте вектора магнитной индукции в виде произведения: конструктивных (А'консХ, А конс 2), элек-

трического (К ) и магнитоупругих (К х, Км г) параметров

¿7.(0=*,

коне /

(8)

В результате математического исследования ДКМАПС на ЭВМ были выявле-

Общий случай СХП представлен на рисунке 7,а. Неоднозначность ЭДС в обмотках измере1шя объясняется изменением направлетпгя вектора магнитной индукции при возникновении механических напряжений.

Рисунок 7 - Общий случай СХП:

а-СХП: б-вид картины электромапшнюго поля; 1 па1ру-жеиие компонентой Ь'г'О кН; 2-нагружение компонентой Ет-125 кН; 3 нагруженне компонентой /•2=250 кН; 4-на| ружение компонентой Рг-375 кН: 5-нагружение компонешой /;>=500 кН

Рассмотрен картину векторов электромагшгшого поля в плоскости ХОУ (рисунок 7,6), увидим, что вектор магнитной индукции в начальный момент времени, при отсутствии внешних прилагаемых компонент направлен под утлом агх^-. Вследствие того, что вектор магнитной индукции не совпадает по направлению с линией ЛИ в которой расположена обмотка измерения Н'х, в ней возникаег ЭДС «нуля», индуцируемая вектором 1ГЕХ.

Воздействия внешних мехашгческих сил на ЧЭ преобразователя, вызывают поворот вектора магнитной индукции в пространстве. Если вектор магнитной ин-дукппи В будет лежать в плоскости расположения обмотки измерения, ЭДС в измерительной обмот ке будет равно нулю. Точка Б на рисунке 7,а характеризует совпадение вектора магшгшой индукции с плоскостью расположения обмотки Их при силе Fx, равной 370 кН, и силе/'г, равной нулю. Точка Л характеризует совпадение вектора мапшпюн шщукщш с плоскостью расположения обмотки )ГХ при силе равной 160 кН, и силе равной 500 кН. Эффект влияния измеряемых сил на противоположные ЭДС измерительных обмоток объясняется присутствием коэффици-

ны СХП.

Усилие

а)

V

б)

ента Пуассона в конечных выражениях ЭДС (3) и (4).

Дальнейшее увеличение прилагаемой компоненты силы вызовет изменение направления вектора магнитной индукции на B1XY (рисунок 7,6). При этом изменится фаза выходного сигнала на 180°. Для полной информативности преобразователя необходимо контролировать четыре параметра: две амплитуды и две фазы.

В случае, если система управления не имеет возможности контроля за четырьмя параметрами, а только за двумя, необходимо применение частных случаев СХП, представленных на рисунках 8 и 9, при которых фаза выходного сигнала остаётся постоянной, а ЭДС является падающей или возрастающей.

0,12 В

п

20 30 40 кН 50 Усилие Рх ->

а)

Рисунок 8 - Падаюшая СХП:

а-СХП; б-вид картины электромагнитного поля; 1-нагружение компонентой Ег=0 кН; 2-нагружение компонентой 1-г= 125 кН; 3-нагружение компонентой Рг-250 кН; 4-нагружение компонентой /-7-375 кН; 5-нагружение компонентой/•2-500кН

40 кН 50

а)

Рисунок 9 - Возрастающая СХП:

а-СХП; б-вид картины электромагнитного поля; 1-нагружение компонентой /^=0 кН; 2-нагружение компонентой /гг=125 кН; 3-нагру~жение компонентой Рг=250 кН; 4-нагружсние компонентой Fz=т375 кН; 5-нагружение компонентой /*г=500 кН

Частный случай СХП, представленный на рисунке 8,а, проявляется в том, что

результирующий вектор магнитной индукции, не совпадающий с плоскостью расположения обмотки измерения в начальный момент времени, индуцирует ЭДС в измерительных обмотках (рисунок 8,6, вектор ЯЕХ). При создании механических напряжений разность углов расположения вектора магнитной индукции /?ХУ и плоскости, в которой расположена обмотка измерения аг,,,х, уменьшается, что вызывает падение ЭДС.

Частный случай СХП, представленный на рисунке 9,а, будет в том случае, если результирующий вектор магнитной индукции лежит в плоскости расположения обмозки измерения в начальный момент времени и не индуцирует ЭДС в измерительных обмотках (рисунок 9,6). При нагружении разность углов расположения вектора магнитной индукции /?ху и плоскости, в которой расположена обмотка измерения аЛХ, увеличивается, что вызывает возрастание ЭДС.

Анализ экспериментальных СХП показал, что в экспериментальном образце ДКМЛ11С отсутствует магнитная симметрия. Это видно из совпадения экспериментальной статической характеристики преобразования с математическим моделированием на ЭВМ (рисунок 8,а).

Смоделированные в трёхмерном пространстве статические характеристики преобразования по ММ, основанной на схеме замещения мапппиой цепи, представлены на рисунке 10. Так как обе обмотки измерения взаимно зависят от распределения магнитного потока в ветвях, и изменение одной из проекций силы вызывает изменение механических напряжений во всех трёх координатах, создавая анизотропию магнитных свойств в материале, то имеет место влияние измеряемых компонент на противоположные обмотки измерения (измеряемой компоненты /ч- на П'7 и измеряемой компоненты Рг на И'х).

а) б)

Рисунок 10 Поверхность изменения статической характеристики преобразования:

а) ЭДС Ех в обмотке И х; б)ЭДС /:>. в обмотки Иг

Моделирование статической характеристики преобразования на ЭВМ показало влияние на её вид механических, электрических и магнитных параметров, таких как: диаметры отверстий, толщина чувствительного элемента, ток возбуждения, частота тока возбуждения, магнитная проницаемость и т.п.

Изменение диаметров отверстия (без изменения количества витков обмотки

возбуждения и обмоток измерения) показано на рисунке 11. Уменьшение диаметра ведёт к уменьшению дойн участков магнитопровода и соответственно к уменьшению их магнитных сопротивлений. Тем самым изменяется общее направление вектора магнитной индукции, что ведёт к уменьшению ЭДС обмотки измерения.

10 20 30 40 кН 50 Усилие

а)

Рисунок 11 - Влияние диаметра отверстий на статическую характеристику преобразования:

а) диаметр отверстия 2,5 мм; б) диаметр отверстия 10 мм; 1-нагружение компонентой ^-^О кН; 2-нагружение компонентой ^=125 кН; 3-нагружение компонентой Fz=250 кН; 4-нагружение компонентой Fz=375 кН; 5-нагружение компонентой Fz=5 00 кН

Влияние геометрических размеров магнитопровода на СХП показано на рисунке 12. С увеличением толщины чувствительного элемента увеличивается коэффициент запаса, уменьшается ЭДС «нуля» и уменьшается влияние перпендикулярной составляющей силы, увеличивается выходная мощность. Последнее в большей степени зависит от режима работы магнитопровода. Увеличение сечения чувствительного элемента ведёт к увеличению габаритов преобразователя в целом, что нежелательно для применения в СУ бурением скважин.

а) б)

Рисунок 12 - Влияние толщины ЧЭ на статическую характеристику преобразования: а) толщина ЧЭ 5 мм; б) толщина ЧЭ 20 мм; 1-нагружение компонентой Fz=0 кН; 2-нагружение компонентой /-г=125 кН; 3-нагружение компонентой /^250 кН; 4-нагружение компонентой Fz=375 кН; 5-нагружение компонентой Fz=500 кН

Статическую характеристику преобразования можно изменить следующим образом:

а) дополнительно нагрузить ДКМАПС в соответствующей координате;

б) произвести термическую обработку преобразователя;

в) произвести магнитную обработку преобразователя;

г) подобрать геометрические размеры магнитопровода.

Метод дополнительного нагруження (создание внутренних механических напряжений при отсутствии измеряемых компонент) позволяет вывести статическую характеристику преобразования на участок возрастания ЭДС, при этом отрицательным следствием является уменьшение диапазона измеряемых сил.

Термическая обработка преобразователя позволяет симметрировать магнитную цепь за счёт выравнивания магнитных и электрических свойста материала.

Магнитная обработка позволяет сформировать ось лёгкого намагничивания, совпадающую с осью симметрии ДКМАПС или, другими словами, создать начальный угол направления вектора магнитной индукции.

Путём изменения геометрических размеров участков магнитной цепи можно добиться равномерного распределения магнитного потока в участках 17, 25, 27, 28, 30. 38 (см. рисунок 6). Например, в нашем случае, увеличив ширину ЧЭ в два раза, получим характеристику, близкую к представленной на рисунке 12,6.

Чувствительности по ММ, основанной на схеме замещения магнитной цени, имеют непостоянный характер, то есть с увеличением прилагаемых усилю! чувствительности ДКМАПС уменьшаются, что говорит о существовании нелинейности в статической характеристике преобразования. Отрицательный знак чувствительности говорит, что СХП падающая, при этом с увеличением тангенциальной проекции чувствительность уменьшается.

Максимальные числовые значения чувствительности по обоим методам анализа ДКМАПС, а также результаты экспериментального исследования приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения чувствителыюсги при /„^ --• 600 мА. частоте тока возбуждения

/вчс " 50 Гц и температуре окружающей среды в -~-20 °С

Канал возденет ВИЯ ММ. основанная на поворо-1е вектора магнитной индукции ММ. основанная на схеме замещения магнитной цепи с СИ Резулыаш чкепери-меща.тьно! о исследования

Кх, нВ'Па 11,90 0,00 -0,53 -0,15 -0,68 -0,48

Р7, нВ'Па 0,00 11,90 -0,15 -0,53 -0,44 -0,65

Математическое моделирование чувствительности на ЭВМ также пока ¡ало влияние на её вид механических, электрических и магнитных параметров.

Например, уменьшение диаметра отверстий ведёт к увеличению модуля чувствительности ЭДС (0,88 мкВ/Н) по сравнению с модулем чувствительности при начальном диаметре отверстий (0,78 мкВЛ{). Увеличите же диаметра ведёт к противоположным изменениям (модель чувствительности уменьшается до 0,56 мкВ/Н).

С уменьшением толщины чувствительного элемента модель чувствительности ЭДС тоже уменьшается (0,07 мкВ/Н). С увеличением толщины чувствительного элемента модуль чувствительности - увеличивается (0,004).

Максимальное изменение чувствительности происходит при изменении толщины чувствительного элемента, поскольку изменяется магнитная симметрия преобразователя.

В соответствии с ГОСТ 8.009-84 и существующей классификации, погрешности магнитоанизотропных преобразователей силы делятся на систематические и случайные. Систематические погрешности, в свою очередь, делятся на основные и от воздействия внешних влияющих факторов.

Источником основных погрешностей ДКМАПС являются:

а) нелинейность преобразования;

б) инструментальные погрешности;

в) погрешность отклонения начальной магнитной проницаемости;

г) погрешность от магнитоупругого гистерезиса;

д) погрешность «нуля».

Сравнение инструментальных погрешностей, обусловленных отклонением геометрических размеров, показывает, что математическая модель по схеме замещения магнитной цепи более полно описывает ДКМАПС, в то время как ММ, основанная на повороте вектора магншной индукции, не учитывает некоторые геометрические размеры преобразователя.

При математическом моделировании на ЭВМ выявлены параметры, при изменении которых погрешность «нуля» сводится к минимуму. Одним из них является толщина чувствительного элемента. При увеличении толщины чувствительного элемента в два раза погрешность «нуля» уменьшилась с 79,2% до 4%.

Таблица 2 -Значения основных погрешностей

В процентах

Вид погрешности ММ, основанная на повороте вектора магнитной индукции ММ, основанная на схеме замещения магнитной цепи Результаты экспериментального исследования

Нелинейность преобразования 0,00 0,91 1,28

Инструментальные (отклонение геометрических размеров на 1? о) 0,99 0,68 -

Разброс начальной магнитной проницаемости на 1 % 2,05 0,82 -

Магнитоупругого гистерезиса - через один цикл - через десять циклов - - 8,55 4,38

Н\'ля 0,00 79,22 78,1

Источниками погрешностей от воздействия внешних влияющих факторов являются:

а) изменение температуры окружающей среды;

б) нестабильность тока питания;

в) нестабильность частоты тока возбуждения;

г) наличие внешних магнитных полей.

Из динамики работы долота известно, что при вращении шарошек возникают колебания бурового инструмента с частотами 3, 28 и 80 Гц. При этом возникает динамическая погрешность преобразования.

Максимальная динамическая погрешность ДКМАПС при этом

Таблица 3 -Значения погрешностей от воздействия внешних влияющих факторов ___В процентах

Вид погрешности ММ, основанная на повороте вектора магнитной индукции ММ, основанная на схеме замещения магнитной пени

Температурная, на 10 °С 0.72 0,81

Нестабильность юка питания, на 1% 0,99 0,99

Нестабильность несушей частоты тока питания, на 1 % 0,99 0,99

L-1-c

£ ÍP

(9)

где - частота изменешга механических напряжений в ЧЭ; / - д'ппга чувствительного элемента; <тдоп - допустимые напряжения в ЧЭ; 5 - площадь сечения ЧЭ.

Из выражения (9) следует, что дня уменьшения динамической погрешности ДКМАПС необходимо уменьшать высоту преобразователя, его жёсткость и выбирать материалы с определёнными свойствами: высокое допустимое напряжение, малая плотность материала и высокое значаще модуля Юнга.

Таблица 4 - Значения динамической погрешности

Часто!а изменения действующего механическою напряжения. Гц Значение погрешностей, °о

3 0.01

28 0,07

80 0.20

Суммарная 0,28

Одним из основных показателей качества датчика является надёжность.

С точки зрения надёжности, измерительны;! преобразователь (ИП) можно рассматривать в двух аспектах. С одной стороны, ИП является частью констру кции, параметры которой он измеряет. С другой стороны, ИП рассматривается как преобразователь измерительной информации с нормированными метрологическими характеристиками Таким образом, низкая надёжность ИП может, с одной стороны, послужить причиной выхода из строя дорогостоящего объекта, с другой стороны, причиной получения недостоверной информации.

При анализе надёжности необходимо определять вероятности исправной работы ИП, при этом все устройства автоматики делятся по сложности условий, в которых они применяются. Для этого вводится коэффициент кратности (интенсивности) отказов, например, для наземных стационаршлх устройств к - 10, для космической и военной техники к = 150.

Структурно-функциональный анализ надёжности ИТ! производится по конкретному элементу в отдельности и в итоге по всему ИП в целом. ЧЭ проверяется па механическую надёжность и способность не разрушаться при воздействии механических сил. Обмотки возбуждения и измерения - это катушки индуктивности, при-

чинами выхода из строя которых могут быть:

а) обрывы вследствие высоких механических напряжений при намотке, напряжениях, вызванных тепловым расширением при нагреве, коррозией и электролизом в обнажённых местах изолированного провода;

б) короткие замыкания витков или слоёв вследствие механического или теплового нарушения изоляции провода;

в) пробой изоляции из-за перенапряжений или нарушений изоляции провода;

г) уменьшение сопротивления изоляции из-за ухудшения её изоляционных свойств от влияния температуры, влажности, давления и времени.

Обоснованием высокой надёжности по внезапным отказам служит использование в датчике наименьшего количества отказонеустойчивых элементов (одна обмотка возбуждения в ДКМАПС, вместо двух в известных многокомпонентных маг-нитоупругих датчиках).

Таблица 5 -Внезапные отказы

Вариант Интенсивность отказа, blCJ4-' Время наработки на отказ при вероятности безотказной работы, o.e. Вероятность отказа через промежуток времени, ч

0,90 | 0,95 | 0,99 | 0,997 8 | 2000 | 8000 | 10000

ч o.e.

ДКМАПС _ 0,412 25572 12449 2439 729 0,9999 0,9918 05676 0.9596

Известный многокомпонентный магнитоупругий датчик 0,512 20578 10018 1963 569 0,9999 0,9898 0,9599 0,9500

В четвёртом разделе проведены экспериментальные исследования, целью которых являлась проверка правильности теоретических соотношений и формул.

Экспериментальные исследования проводились на опытной установке в лабораторных условиях.

Исследование разработанного преобразователя осуществлялось на прессе марки Р-5 с пределом нагружения 50 кН и разрешающей способностью 0,2 кН путём статического нагружения ДКМАПС.

Для получения экспериментальных данных была использована конструкция ДКМАПС, представленная на рисунке 3.

В качестве материала для ДКМАПС выбрана легированная сталь 40ХН (желе-зохромоникелевый сплав), благодаря механическим, электрическим и магнитным свойствам этого материала. Он обладает большим активным электрическим сопротивлением (0,1 10"4 Ом/м) и жаростойкостью, что говорит о меньших потерях на вихревые токи, хорошей механической прочности (850 МПа) и хорошо выраженными магнитострикционными свойствами: большим изменением магнитной проницаемости в направлен™ прилагаемого усилия и малым изменением магнитной проницаемости в направлении, перпендикулярном направлению усилия.

Известно, что железо-хромистые стали высокочувствительны к сжимающим нагрузкам и практически не чувствительны к растягивающим, температурный коэффициент изменения сопротивления их мал (ае =12-10"6). Всё это является необходимым условием для правильного функционирования ДКМАПС. Причём датчики

с чувствительным элементом из железо-хромистых сталей работают при большей магнитной индукции (£5«1,8 Тл), нежели никелевые и железоникелевые сплавы (В, <1,0 Тл), что говорит о большей выходной мощности

Кроме того, стать 40ХН легче обрабатывается, чем специальные железоникелевые или электротехнические сплавы.

Экспериментальные исследования проводились на конструкции (рисунок 13) состоящей из коромысел 4, передающих и преобразующих механические силы, шариков 5, передающих усилия на подкладки 6, и самого преобразователя 3.

Рисунок 13 - Общий вид конструкции для проведения исследований дв\хкомпоненшых преобразователей механических сил:

¡-неподвижная опора пресса; 2-подвижная опора пресса; 3-исследуемый датчик сил: 4 коромысла: 5 шарики: 6-подкладки: 7 углубление для установки шариков

Особенностью данного устройства является возможность измерения каждой компоненты 1<х и Р7 вектора силы /•' без учёта тангенциальных составляющих от влияния друг на друга этих компонент. Изменение компонент Ух и Ьг происходит за счёт изменения утла а наклона всей конструкции.

В процессе проведения экспериментов определялись статические характеристики преобразования ДКМАПС при различных значениях тока возбуждештя и частоты тока возбуждения.

Экспериментальное исследование зависимости относительной магнитной проницаемости от величины тока возбуждения показало, что при значении тока возбуждения 600 мА достигается максимальное значение относительной магнитной проницаемости раш «760 о е.. которое позволяет получить наибольшую магнито-упругую чувствительность ДКМАПС.

На рисунке 14,а показаны экспериментальная и расчётная статические характеристики преобразования. При этом максимальное отклонение экспериментальных данных от теоретических не превышает 16,4%, что вполне допустимо.

2

в

Установлено, что чувствительности ЭДС, наводимых в обмотках (!'х и \\'г компонентой /<х не одинаковы (наклон СХП на рисунке 14,6), так как модуль чувствительности ЭДС Е\ от действия компоненты выше (0,679 мкВ/Н), чем модуль чувствительности ЭДС Ег от действия компоненты Fx (0,489 мкв/Н).

У магнитострикционных материалов магнитострикционные свойства зависят от режима работы магнитного поля. Экспериментально установлено, что у стали 40ХН с увеличением намагничивающей силы коэффициент магнитострикции меняет свой знак при переходе из слабых магнитных полей в сильные при токе возбуждения 200 мА (рисунки 14,в и 14,г).

1 1

Эксперим. Ех — Расч. Ех

\

16 24 Усилие -> а)

35 кН 45

200 300 400 500 МД600 Ток возбуждения

в)

120 мВ 110

100

11

О 90 ^80

70

бо;

0 4 8 12 16 20 24 30 35 40 45 50 Усилие кН

б)

" Г

Ь-

300 **400 -500 -600

О 4 8 12 16 20 24 30 35 40 45,50

Усилие ■

кН

Рисунок 14 - Экспериментальные статические характеристики преобразования: а-нагружение силой Ех и ^ от 0 до 50кН, при токе возбуждения 600 мА и частоте тока возбуждения 50 Гц; б-нагружение силой Ех от 0 до 50 кН и частоте тока возбуждения 50 Гц; в-за-висимостъ выходной ЭДС от тока возбуждения и частоты при отсутствии усилий; г-нагружение силой Ех от 0 до 50 кН и токе р.озбуждеиия 600 мА

В пятом разделе приведена методика инженерного расчёта, которая сводится к определению его параметров и размеров, обеспечивающих получение требуемых уровней выходных ЭДС при заданных измеряемых силах, при наложении ограничений на ряд его параметров и размеров.

В предлагаемой методике используется статическая характеристика преобразования по ММ, основанной на схеме замещения магнитной цепи с сосредоточенными параметрами, так как она обеспечивает меньшие отклонения расчётных значений выходных ЭДС от экспериментальных, по сравнению со статической характеристикой преобразования по ММ, основанной на повороте вектора магнитной индукции.

Расчёт ДКМАПС делится на три этапа:

а) определение геометрических размеров и расчёт механической прочности;

б) расчёт статической характеристики преобразования;

в) анализ чувствительности, погрешностей, динамических свойств и надёжности.

Анализ, произведёщшй в третьем разделе, показал характер влияния геометрических размеров на вид статической характеристики преобразования ДКМАПС. Поэтому, ширина и высота подбираются так, чтобы добиться максимальной чувствительности и минимальной погрешности пуля.

Разработанная программа позволяет рассчитывать статическую характеристику преобразован;«!, чувствительность, погрешности и надёжность ДКМАПС.

Программа расчёта ДКМАПС реализована в среде визуального программирования Borland Delphi версии 5.0. Тестирование программы производилось на ЭВМ типа IBM PC с процессором Pentium II - ММХ Celeron 400 под управлением ОС Windows ОТ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ методов и средств измерения нагрузки на.Долото п момента вращения выявит необходимость создания устройств для проведения измерений на забое скважины, поскольку известные датчики осевой нагрузки на долото и момента вращения, применяемые в СУ бурением скважин и устанавливаемые на забое скважины, не соответствуют высоким требованиям по надёжности.

2. Из анализа существующих принципов преобразования механических сил в электрический сигнал видно, что наиболее подходящими для применёйм в СУ бурением скважин являются преобразователи, использующие-мапштоупрутий эффект.

3. Структурный синтез магннтоанизотропных преобразователей силы' позволил создать новую конструкцию - двухкомпонентный магнитоанизотропный преобразователь мехшшческих сил, обладающий расширенными функциональными возможностями при тех же габаритных размерах, что и однокомпонентный магнитоанизотропный преобразователь механических сил.

4. Разработаны математические_мйдели, позволившие получить функцию преобразования в аналитическом виде для исследования свойств преобразователя, учитывающие направление оси лёгкого намагничивания.■

5. Получена статическая характеристика преобразования в виде аналитической зависимости выходных ЭДС измерительных обмоток от конструктивных, электрического и магнитоупругих параметров, учитывающих геометрические, механические, электрические и магнитные свойства магшггопровода преобразователя, и определены основные возможные виды статических характеристик преобразования.

6. Моделирование предложенной конструкции показало увеличение времени наработки на внезапный отказ, по сравнению с известныш! многокомпонентными магнитоанизотропными преобразователями механических сил.

7. Разработана методика инженерного расчёта ДКМАПС по заданным номинальным механическим силам, токе возбуждения, частоте источника питания, учитывающая геометрические, механические, электрические и магнитные параметры магнигопроводов..'

8. Разработана программа инженерного расчёта для ЭВМ, позволяющая рассчитывать статическую характеристику преобразования и производить анализ чувствительности, погрешностей, динамических свойств и надёжности.

fiS

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАННОМ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Багижев В.В. Обзор многокомпонентных преобразователей величины механической силы // Проблемы нефтегазового комплекса России: Сб. науч. ст.- Уфа, 1998,-С. 32;

2. Чигвинцев C.B., Багижев В.В., Кузнецов А.Н. Встроенные АЦП и ЦАП для ШМ PC //Тез. докл. 47-й научно-технической конференции студентов, молодых учёных,- Уфа, 1996,- С. 52;

3. Багижев В.В., Альмухаметов A.A. ДКМАПС для систем управления технологическим оборудованием //Тез. докл. Международной электронной научно-технической конференции «Автоматизация и информатизация в машиностроении».-Тула, 2000.-http: wv^v.tsu.tula.ni/win/aim/wm/catalog_r.htm;

4. Альмухаметов A.A., Багижев В.В., Абызгильдин Ю.М. Использование ЭВМ доя контроля технологического процесса в нефтяной отрасли //Тез. докл. Международной научно-технической конференции «Нефтегазовое образование и наука: итоги, состояние и перспективы».- М., 2000;

5. Багижев В.В., Альмухаметов A.A. Проблемы измерения силы в системах управления бурением скважин //Тез. докл. Международной научно-технической конференции «Нефтегазовое образование и наука: итоги, состояние и перспективы»,- М„ 2000;

6. Багижев В.В., Кузнецов А.Н. САПР при обучении основам электротехники на уровне микромоделей //Тезисы докладов научно-технической конференции «Современные технологии обучения в профессиональной подготовке студентов технического вуза».- Стерлигамак, 1997,- С. 47;

7. Ураксеев М.А., Багижев В.В. Программа инженерного расчёта ДКМАПС: Рекламно-техническое описание программы.- М.: ВИНИТИ, 2000.- 1 е., № 50200000039 от 10.02.2000 г.;

8. Ураксеев М.А., Багижев В.В. Макрос анализа двухкомпонентного магни-тоанизотрогаюго преобразователя механических сил на статические нагрузки: Рек-ламно-техническое описание программы.- М.: ВИНИТИ, 2000.- 1 е., № 50200000163 от 20.06.2000 г.;

9. Багижев В.В. Математическое моделирование статических характеристик преобразования ДКМАПС //Электронный журнал «Исследовано в России», 89, 1229-1237,2000. http://zhurnal.ape.relam.ru/articles/2000/089.pdf;

10. Багижев В.В. Методика проведения экспериментального исследования двухкомпонентных преобразователей механических сил //Электронный журнал «Исследовано в России», 88,1222-1228, 2000. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2000 /088.pdf.

Соискатель

-В.В. Багижев

Подписано в печаггъ 27.10.2000. Бумага писчая. Формат 60x84 1/16 Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 1.0. Уч.-изд. л 0 9 Тираж 100 экз. Заказ № 47

450075 г. Уфа, пр. Октября,133