автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование модели индикаторов веса и её метрологического обеспечения для применения в отраслях нефтегазовой промышленности

Теплых Александр Николаевич

4857078

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ ИНДИКАТОРОВ ВЕСА И ЕЁ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ОТРАСЛЯХ НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

05.11.15 - «Метрология и метрологическое обеспечение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з ОКТ 2011

Новосибирск - 2011

4857078

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Уставич Георгий Афанасьевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Серьёзнов Алексей Николаевич;

кандидат технических наук Толстихина Татьяна Викторовна.

Ведущая организация -

ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Новосибирской области» (г. Новосибирск).

Защита состоится 27 октября 2011 г. в 13.00 час на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, Плахотного, 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 23 сентября 2011 г.

Ученый секретарь (

диссертационного совета Симонова Г.В.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 20.09.2011. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,34. Тираж 100 экз. Заказ 3 S .

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 10.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований. В настоящее время в отраслях нефтегазовой промышленности все работы по подземному и капитальному ремонту сопровождаются спуском в скважину и подъемом из нее труб, штанг и различных инструментов. Для этого над устьем скважины устанавливается подъемное сооружение - вышка или мачта с оборудованием для спускоподъемных операций. Для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при проведении спускоподъемных операций были разработаны приборы - так называемые индикаторы веса. Существует широкий спектр измерительных устройств для определения веса с аналогичными параметрами и характеристиками. Однако эти устройства обладают существенными недостатками, главными из которых являются: наличие систематических и случайных погрешностей измерений, связанных с индивидуальными особенностями оператора, наличие неучтенной погрешности в результатах измерений, зависящей от изменения диаметра стального каната, на котором закрепляются рассматриваемые приборы при проведении спускоподъемных операций, а также отсутствие возможности бесконтактного съема измерительной информации. Кроме этого, широкий спектр номенклатуры продукции, выпускаемой отечественной и зарубежной промышленностью, обусловил создание ряда индивидуальных средств поверки для отдельных типов индикаторов веса. Это связано с особенностями конструкций и условиями эксплуатации данных измерительных устройств. Для обеспечения точности и правильности результатов измерений эти приборы обычно поверяются на гидравлических разрывных машинах типа МР-500, которые, в свою очередь, также должны быть поверены.

Для обеспечения достоверности результатов измерений машины типа МР-500 подвергаются поверке с помощью эталонных динамометров третьего разряда, которые, в свою очередь, атгестовываются на эталонных силоизмери-тельных машинах второго разряда. Однако очевидными недостатками данных способов поверки являются: технологическая и приборная сложность систем, а также наличие субъективной погрешности измерений, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием поверителя. Под технологической сложностью системы понимаются инструментальные и организационные трудности в проведении поверки, вызванные необходимостью применения различных средств поверки типа гирь, и их транспортирование, при соблюдении требуемой точности и диапазонов измерений.

Современные тенденции развития науки и техники направлены на автоматизацию всех процессов метрологического обеспечения средств измерений (СИ). Повышение требований к точности измерений ведет к дальнейшему усовершенствованию конструкции индикаторов веса. В связи с этим возникает задача создания принципиальных схем измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов с применением электронно-цифровой техники, которая минимизирует систематические и случайные погрешности и обеспечивает высокую точность измерений, например, при слежении за деформацией объектов. Поэтому разработка бесконтактных методов и средств измерения и регистрации,

3

V-

усилий натяжения стальных канатов с использованием цифровых систем регистрации результатов измерений является актуальной задачей определения метрологических характеристик при измерении силы.

Целью диссертационной работы является:

- разработка и исследование модели индикаторов веса, минимизирующей систематические и случайные погрешности измерений для определения и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин в отраслях нефтегазовой промышленности;

- разработка и исследование метрологического обеспечения предложенной модели индикаторов веса.

Основные задачи исследования. Указанная цель достигается путем решения следующих задач:

- анализа составляющих погрешности и её теоретической оценки при использовании в комплексе СИ силы и длины;

- разработки принципиальных схем определения величины деформации чувствительных элементов индикаторов веса методом высокоточного геометрического нивелирования;

- разработки и исследования модели индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами;

- оценки общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

- разработки и исследования методов градуировки индикаторов веса с применением цифровых нивелиров;

- разработки автоматизированной системы для определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств;

- разработки метода аттестации индикаторов веса с помощью высокоточных СИ длины.

Научная новизна выполненной работы состоит в том, что впервые:

- выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

- разработаны новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;

- разработана автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;

- разработан высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;

- разработана и реализована модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

Практическая значимость работы. Разработана модель индикаторов веса, минимизирующая систематические и случайные погрешности измерений для определения и регистрации усилий натяжения стальных канатов бесконтактными методами в отраслях нефтегазовой промышленности, основанная на использовании цифровых нивелиров. Результаты экспериментальных работ, выполненных с помощью предлагаемых методов, показывают возможность использования их для градуировки индикаторов веса, а также при испытании образцов металлоконструкций с применением цифровых нивелиров.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются существующие индикаторы веса, используемые в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин, предметом исследования являются методы уменьшения погрешности измерений объекта исследований.

На защиту выносятся:

- анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

- новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;

- автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;

- высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;

- модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

Реализация результатов работы. Разработанная модель индикаторов веса при непосредственном участии автора прошла апробацию в ЗАО «НерудЗап-сиб» при измерении и регистрации усилий натяжения стальных канатов. Предложенные методы применялись при определении деформации различных образцов металлоконструкций в ЗАО «НерудЗапсиб» и ЗАО «Инженерный центр». Разработанные методы прошли апробацию при определении метрологических характеристик силоизмерительных элементов динамометров в ФГУ «Новосибирский ЦСМ». Разработанные методы определения значений перемещения и деформации чувствительных элементов динамометров, образцов металлоконструкций с применением цифрового нивелира внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» и производственный ФГУ' «Новосибирский ЦСМ», ЗАО «НерудЗапсиб», ЗАО «Инженерный центр».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на II Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2006» (Новосибирск,

2006 г.); III Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007 г.); XI Международной научно-практической конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости» (Португалия, 2007 г.); IV Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2008» (Новосибирск, 2008 г.); V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2009» (Новосибирск, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 научных работ (из них 6 в соавторстве, 3 - в рецензируемых изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, шести приложений и списка использованных источников. Работа изложена на 113 страницах (из них 15 - приложения), содержит 18 таблиц, 38 рисунков. Список использованных источников включает 50 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены цель и основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, описаны структура и краткое содержание диссертации.

В первом разделе рассмотрены функциональная и технологическая схемы работы наиболее распространенных моделей индикаторов веса (ИВ), используемых для измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин в отраслях нефтегазовой промышленности.

Все приборы, применяемые в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин, используют визуальные методы регистрации показаний, поэтому не исключают систематических и случайных погрешностей измерений, связанных с индивидуальными особенностями оператора, а также не имеют возможности дистанционного съема информации. Поэтому возникает необходимость в разработке принципиальных схем определения значений перемещения и деформации с применением цифровых систем регистрации результатов измерений с дистанционным съемом информации и записью её на карте памяти USB.

Таким образом, создание модели ИВ для измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин направлено на повышение точности, производительности и безопасности методов и средств воспроизведения значений единицы силы в отраслях нефтегазовой промышленности.

Во втором разделе проведен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины.

Отмечается, что преобразователем механического сигнала является упругий элемент, который входит практически во все ИВ. Входной величиной упру-

того элемента является сила (момент) или давление, а выходной - перемещение (линейное или угловое) или деформация, выраженная в относительных или абсолютных единицах. «Вход-выход» определяет чувствительность преобразователя, его конструктивное оформление, а также метод предыдущего и последующего преобразования.

К преобразователям силы, например, относятся упругие элементы в виде сплошных и полых стержней, колец постоянного и переменного сечения, балок равного сечения и равного сопротивления, специальных стержневых упругих элементов. К преобразователям давления относятся трубки Бурдона, мембранные коробки, мембраны с несимметричным центром, колпачки, полусферы, комбинированные упругие элементы. Для таких упругих элементов как плоские и гофрированные мембраны, сильфоны и другие, входной величиной может быть как сила, так и давление.

Блок-схему пассивного датчика измеряемой величины силы можно представить в виде сигнала датчика механических величин, вызывающего в первичном преобразователе деформацию или перемещение. Сигнал выходного элемента вторичным преобразователем может быть измерен непосредственно или преобразован в форму, удобную для его регистрации. Таким образом, для средств измерений силы или деформации удобны комбинированные датчики (рисунок 1), позволяющие учитывать зависимость основной расчетной величины деформации упругого измерительного элемента и активное сопротивление датчика, зависящие от его геометрических размеров, свойств материала, электрических параметров используемых схем и материалов, внешних условий при регистрации сигналов.

ТШрвичная Первичный преовразова-гНель Промежу- Вторичный преобразователь Электри-

измеряв- 1 лая Пели-1 точная величина ческий сигнал

чина [____ ______________j

Ком5иниро8аииый датчик

Рисунок 1 - Блок-схема комбинированного датчика

Растягивающее усилие Б, воздействуя на стержень длиной Ь с поперечным сечением А и модулем упругости Е, вызывает его деформацию АЬ/Ь, которую можно измерить, например, по сопротивлению резистивного датчика, совмещенного со стержнем И..

При этом соотношение для первичного преобразователя, связывающее растягивающее усилие с деформацией:

Д£ 1 F

Соотношение для вторичного преобразователя, связывающее деформацию с реакцией на выходе (активным сопротивлением датчика):

(2)

R L

где К- коэффициент вторичного преобразования.

Основная зависимость, связывающая растягивающее усилие с изменением активного сопротивления, для комбинированного датчика определяется формулой:

AR _ К_ F т

R ~ Е А

Таким образом, напряжение на выходе из комбинированного датчика Ueba рассчитывается по формуле:

U = ^ (4)

4 R [>

Механические напряжения в первичном преобразователе определяют линейность полученных характеристик преобразования при градуировке датчиков силы. При этом следует особо отметить, что при градуировке и эксплуатации датчиков большое значение приобретает учет величин, не только измеренных, но и других физических величин, влияющих на выходной сигнал и погрешность измерений датчиков. К основным влияющим величинам относятся: температура, давление, ускорение, вибрация, влажность, электромагнитные характеристики элементов и внешнего поля передачи сигнала.

Если обозначить величины, влияющие на датчик, gu g2-.., то связь между сигналом на выходе датчика s и измеряемой величиной m в идеальном случае выражается как

s=F(m). (5)

Для реально получаемого выходного сигнала преобразуем к виду:

s = F (т, gu g2,-)■ (6)

В заключение второго раздела сделан вывод, что учет влияния внешних условий при проведении измерений, построении схем преобразования и регистрации измерительного сигнала применение методов на основе теории вероятностей и математической статистики позволяет определить, уменьшить или исключить погрешности в результатах измерений.

В третьем разделе разработана и исследована модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

S0,15 . .. •;•;• :•■, ——----^ ^^^ ^_________________

Д 01 _________

И ' ~

0,05 —-----------

0 . _

о 5 10 15 20 25 30 35 40 45

S, M

Рисунок 3 - График зависимости влияния расстояния до предмета измерений на точность измерений цифровым нивелиром Trimble DiNi 0.3

При измерении и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности необходимо получение дистанционной информации об их динамике в процессе проведения спускоподъемных операций при капитальном и подземном ремонте скважин во взрывоопасной зоне. Поставленная задача может быть решена следующим образом. Принципиальная схема модели ИВ, основанная на использовании цифровых нивелиров, представлена на рисунке 2. На жестком

основании устанавливается высоко- 3 я

точный цифровой нивелир на расстоянии от исследуемого объекта не менее 2 м (это обусловлено тем, что наименьшее расстояние визирования нивелира 1,9 м). Были проведены исследования влияния расстояния до предмета измерений на точность измерений цифровыми нивелирами (рисунок 3). Исследования выполнялись на Бийской ТЭЦ-1 с применением цифрового нивелира Trimble DiNi 0.3. Выбор данного объекта обусловлен тем, что на промышленной площадке условия практически идентичны тем, которые возникают при эксплуатации нефтегазового оборудования.

Рисунок 2 - Принципиальная схема модели ИВ

На основании полученных результатов можно сделать следующий вывод: для получения результатов с минимальной погрешностью измерений линейных величин цифровой нивелир должен быть установлен на расстоянии от исследуемого объекта от 2 до 20 м.

После этого на стальном канате 1 с помощью металлической скобы 2 закрепляется штрих-кодовая рейка 3. Затем включается нивелир 4 и проверяется его работоспособность, для чего устанавливается необходимая освещенность рейки и производятся тестовые отчеты по ней. Перед началом спускоподъем-ных операций необходимо провести метрологическую аттестацию грузоподъемных механизмов путем измерения величины линейного перемещения. Для этого к нижнему концу каната закрепляется эталонный груз весом Р. Затем производится взятие исходного (начального) отчета по рейке цифровым нивелиром с сохранением результатов измерений на карте памяти USB. После увеличения веса производится повторное взятие отсчета по штрих-кодовой рейке. Эти действия продолжаются до момента разрыва исследуемого образца стального каната. После калибровки величины линейного перемещения конструкции под действием эталонных грузов закрепляется канат с аналогичными параметрами (диаметр, механические свойства проволоки, прочностные характеристики, материал сердечника и т. д.). Далее к нижнему концу данного каната прикрепляется перемещаемое оборудование и после определения его веса путем измерения величины линейного перемещения начинаются спускоподъемные операции. В тех случаях, когда установлено, что вес перемещаемого оборудования превышает максимально допустимый, спускоподъемные операции приостанавливаются до нормализации веса или закрепления стального каната с большим диаметром.

Рассмотрим практическую реализацию разработанной модели ИВ в лабораторных условиях (рисунок 4).

Рисунок 4 - Практическая реализация разработанной модели ИВ

При определении растяжения стального каната необходимо получение информации о значениях его растяжения в различных точках исследуемого диапазона разрывной машины. Поставленная задача решена следующим образом. В зажимах разрывной машины МР-200 закрепляется исследуемый образец стального каната диаметром 25,03 мм. Затем на жестком основании устанавливается высокоточный цифровой нивелир на расстоянии от разрывной машины не менее 2 м. Была разработана методика определения деформации методом высокоточного геометрического нивелирования цифровым нивелиром. Данная методика включала: выбор точности измерений, предела измерений, скорости измерений и продолжительности цикла измерений. Точность измерений зависит от расстояния до предмета измерений, выбранной программы измерений и влияния внешних условий. В зависимости от поставленной задачи измерений могут применяться различные программы наблюдений.

Сущность первой программы состоит в том, что измерение перемещений производится путем однократного «взятия отсчета». Под однократным взятием отсчета понимается взятие отсчета по рейке путем однократного визирования на рейку и однократного нажатия на кнопку «пуск» нивелира. При этом необходимо отметить, что нивелир представляет на цифровом табло отсчет, состоящий из ста независимых отсчетов. После взятия ста отсчетов происходит их осреднение с последующей выдачей его на табло. Отсчет, взятый по рейке, при неизменном положении нивелира будет являться горизонтом нивелира. Вначале необходимо произвести исходный отсчет по штрих-кодовой стороне рейки 0{. Затем через определенный временной интервал после изменения нагрузки берется повторный отсчет 02 по рейке. Таких операций производится п число раз до получения нужного количества измерений в зависимости от условий применения (величины нагрузки силоизмерительной машины). Отметим, что при необходимости взятие отсчетов производится в обратной последовательности.

В тех случаях, когда по производственным условиям возникает необходимость измерения перемещений в двух пунктах, необходимо применять вторую программу. С помощью этой программы измерение перемещений чувствительного элемента можно производить последовательно в двух пунктах. Взятие отсчета и осреднение производятся аналогично первой программе.

После этого на подвижной траверсе гидравлической машины с помощью металлической скобы закрепляется штрих-кодовая рейка. Затем испытательной машиной создается усилие натяжения. С целью исключения всех люфтов в механическом соединении начальное измерение принимается при силе натяжения в 5 кН. При использовании других разрывных машин значение минимальной нагрузки может быть любым. Затем производится взятие исходного отчета по рейке цифровым нивелиром. По аналогии через 5 делений гидравлической машины нивелиром производится взятие следующего отчета. После этого взятие отчета по рейке цифровым нивелиром производится через каждые 10 делений разрывной машины с записью результатов измерений в его памяти. Эти действия продолжаются до максимальной нагрузки разрывной машины в интересующей точке исследуемого диапазона или момента разрыва исследуемого об-

разца. По окончанию эксперимента результаты измерений сохраняются на карте памяти USB.

В таблице представлены результаты исследования образца стального каната на растяжение.

Величина деформации различных образцов металлоконструкций рассчитывается по формуле:

AL = Нтах - Дим» (7)

где Нтах - показания нивелира при максимальной деформации различных образцов металлоконструкций, мм;

НтЫ - показания нивелира при минимальной деформации различных образцов металлоконструкций, мм.

Таблица 1 - Данные приборов при испытании на растяжение

Показания разрывной Показания цифрового Величина растяжения об-

машины нивелира, разца стального каната,

Р,кН Н, мм AL, мм

До = 1 % До = 0,03%

5 364,83 (min) 7,73

10 365,01

20 365,61

30 367,90

40 369,13

50 369,76

60 370,39

70 370,96

80 371,53

90 372,00

100 372,56 (max)

Необходимо отметить, что на 100-м делении разрывной машины образец стального каната был диаметром 24,85 мм, что установлено с помощью микрометра.

На основании полученных результатов исследования образца стального каната диаметром 25,03 мм на растяжение можно сделать следующий вывод: при нагружении разрывной машины МР-200 в диапазоне показаний с пятого до сотого деления величина растяжения исследуемого образца стального каната составляет 7,73 мм.

Таким образом, в результате апробации разработанной модели ИВ было доказано, что она может быть применена для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при капитальном и подземном ремонте скважин. Данная модель ИВ позволит повысить точность, производительность и безопасность методов и средств воспроизведения значений единицы силы в отраслях нефтегазовой промышленности за счет минимизации систематических

и случайных погрешностей измерений, а также дистанционного съема измерительной информации. Сущность разработанной модели ИВ состоит в том, что исходные метрологические данные, полученные нивелиром в автоматическом режиме без участия оператора, хранятся на карте памяти USB в контролирующей организации. В случае возникновения аварийной ситуации, с целью установления причин аварии, карта памяти USB является подтверждающим документом достоверности проведения метрологических измерений. Однако для полноценного внедрения данной модели ИВ в отраслях нефтегазовой промышленности необходимо разработать метрологическое обеспечение предложенной модели ИВ.

Разработаны методы определения метрологических характеристик силоиз-мерительных элементов динамометров с помощью цифрового нивелира. Разработаны и исследованы в лабораторных условиях установки с применением высокоточного цифрового нивелира типа Trimble DiNi 0.3, который позволяет измерять перемещения чувствительного элемента с погрешностью измерений линейных величин порядка ±0,01 мм. Измерения производятся в автоматическом режиме и все операции, связанные с обработкой их результатов, имеют возможность сохранения данных на карте памяти USB. Это практически исключает возможность возникновения субъективной погрешности в результатах измерений.

При реализации методов определения метрологических характеристик си-лоизмерительных элементов динамометров цифровым нивелиром необходимо соблюдать нормальные условия измерений:

- диапазон температуры окружающего воздуха (20 ± 5) °С, при этом изменение температуры в процессе поверки не более 0,5 °С;

- значение относительной влажности воздуха не более 80 %.

При определении деформации динамометров необходимо получение информации о значениях перемещения и деформации динамометров в различных точках исследуемого диапазона силоизмерительной машины. Принципиальная схема методов определения метрологических характеристик чувствительных элементов динамометров цифровым нивелиром представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема методов определения метрологических характеристик чувствительных элементов динамометров цифровым нивелиром

На эталонной силоизмерительной машине второго разряда 1 закрепляется в захваты динамометр растяжения 2 или устанавливается на катковую опору машины динамометр сжатия 3. Затем на жестком основании устанавливается высокоточный цифровой нивелир на расстоянии от исследуемого оборудования не менее 2 м, для получения результатов измерения заданной точности. После этого на подвижной траверсе силоизмерительной машины с помощью металлической скобы 4 закрепляется штрих-кодовая рейка 5. Затем силоизмерительной машиной создается усилие натяжения (сжатия). Взятие отчетов по рейке нивелиром производится через определенные интервалы (5, 10 или 50 делений, в зависимости от используемой силоизмерительной машины). При использовании других силоизмерительных машин диапазон измерений может быть любым. При максимальном перемещении чувствительных элементов динамометров отчет нивелиром снимается дважды при прямом и обратном ходе силоизмерительной машины. Затем в этом же диапазоне производится разгружение машины до начального измерения со снятием отчета по рейке цифровым нивелиром в каждой точке диапазона и записью в его памяти. По окончанию эксперимента результаты измерений сохраняются на карте памяти USB.

Представленные методы измерений могут применяться при определении метрологических характеристик СИ силы и при нормировании условий эксплуатации различных образцов металлоконструкций.

Для получения результатов измерений заданной точности цифровой нивелир должен применяться поверенным в комплекте со штрих-кодовой рейкой.

Суммарная погрешность, обусловленная субъективной погрешностью оператора и погрешностью гистерезиса чувствительного элемента динамометра, рассчитывается по формуле:

ДЯ= (8)

где HHi - показания нивелира в г'-й точке измерения, задаваемой силоизмерительной машиной при нагружении, мм;

Hpi - показания нивелира в i'-й точке измерения, задаваемой силоизмерительной машиной при разгружении, мм.

В таблице 2 представлены результаты испытаний чувствительного элемента механического динамометра на растяжение. На основании полученных результатов строится график суммарной погрешности, обусловленной субъективной погрешностью оператора и погрешностью гистерезиса чувствительного элемента динамометра (рисунок 6).

Из полученных результатов исследования чувствительного элемента динамометра на растяжение можно сделать следующий вывод: во всех точках исследуемого диапазона силоизмерительной машины при прямом и обратном ходах цифровым нивелиром была выявлена суммарная погрешность, обусловленная субъективной погрешностью оператора и погрешностью гистерезиса чувствительного элемента динамометра.

В таблице 3 приведены результаты испытаний чувствительного элемента механического динамометра на сжатие. На основании полученных результатов изображается график суммарной погрешности, обусловленной субъективной

погрешностью оператора и погрешностью гистерезиса чувствительного элемента динамометра (рисунок 7).

Таблица 2 - Показания приборов при испытании чувствительного элемента динамометра на растяжение

Показания эта- Показания цифрового Значение растяжения

лонной машины нивелира, чувствительного элемен-

второго разряда, Р, кН Н, мм Д0 = 0,03 % та динамометра, AL, мм

Д0 = 0,2 %

Нагрузка, HHi Разгрузка, HDi Нагрузка Разгрузка

50 481,57 481,62

100 482,04 482,02

150 482,37 482,43

200 482,67 482,76

250 482,96 483,08 2,89 2,84

300 483,27 483,38

350 483,57 483,65

400 483,85 483,93

450 484,17 484,22

500 484,46 484,46

485 484 Т |483| 1482 ~ 481.: 480

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Р, кН

Показания нивелира при нагрузке машины Показания нивелира при разгрузке машины

Рисунок 6 - График суммарной погрешности, обусловленной субъективной погрешностью оператора и погрешностью гистерезиса чувствительного элемента динамометра

На основании полученных результатов исследования чувствительного элемента динамометра на сжатие можно сделать следующий вывод: во всех точках исследуемого диапазона силоизмерительной машины при прямом и обратном ходах цифровым нивелиром была выявлена суммарная погрешность, обусловленная субъективной погрешностью оператора и погрешностью гистерезиса чувствительного элемента динамометра.

Таблица 3 - Показания приборов при испытании чувствительного элемента динамометра на сжатие

Показания эталонной машины второго разряда, Р, кН Л0 = 0,2 % Показания цифрового Значение сжатия чувст-

нивелира, вительного элемента

Н, мм А0 = 0,03 % динамометра, Д£, мм

Нагрузка, Нн1 Разгрузка, Нт Нагрузка Разгрузка

5 540,65 540,53

10 541,06 541,11

20 541,86 542,09 3,73 3,85

30 542,72 542,93

40 543,50 543,60

50 544,38 544,38

545 | 544 543 | 542 - 541 Е 540 539 538

Показания нивелира при нагрузке машины Показания нивелира "при разгрузке машины

10

20 30

Р, кН

40

50

Рисунок 7 - График суммарной погрешности, обусловленной субъективной погрешностью оператора и погрешностью гистерезиса чувствительного элемента динамометра

Результаты измерений наглядны и градуировки разработанной модели ИВ.

Рисунок 8 - Принципиальная схема метода определения растяжения образца арматурной стали цифровым нивелиром

легко могут быть использованы для

Предложенным методом были проведены исследования образцов арматурной стали на растяжение. При определении растяжения арматурной стали необходимо получение информации о значениях её растяжения в различных точках исследуемого диапазона разрывной машины. Принципиальная схема метода определения растяжения образца арматурной стали цифровым нивелиром представлена на рисунке 8.

В зажимах разрывной машины 1 закрепляется исследуемый образец арматурной стали 2. На жестком основании устанавливается высокоточный цифровой нивелир на расстоянии от разрывной машины не менее 2 м. При выполнении нивелирования применялась первая программа наблюдений. На подвижной траверсе гидравлической машины с помощью металлической скобы 3 закрепляется штрих-кодовая рейка 4. Машиной типа МР-200 создается усилие натяжения. Отсчет по рейке цифровым нивелиром 5 производится через каждые 10 делений разрывной машины с записью результатов измерений в его памяти. Эти действия продолжаются до максимальной нагрузки разрывной машины, интересующей точки исследуемого диапазона или момента разрыва исследуемого образца. По окончании эксперимента результаты измерений сохраняются на карте памяти. Значение растяжения исследуемого образца арматурной стали рассчитывается по формуле (7) или по кривой Гука, полученной из результатов измерений (рисунок 9).

За максимальное растяжение образца арматурной стали принимался момент разрыва. При этом на циферблате разрывной машины регистрировались показания в ки-лоньютонах.

Аналогичным образом проведены испытания образца сварной металлоконструкции на изгиб. Принципиальные отличия от вышерассмотренного исследования состоят в том, что в качестве исследуемого образца использовалась сварная металлоконструкция и разрывной машиной создавалось усилие сжатия. Принципиальная схема метода определения стрелы прогиба / образца сварной металлоконструкции нивелиром представлена на рисунке 10.

За максимальный прогиб образца сварной металлоконструкции принимался момент излома. При этом на циферблате разрывной машины регистрировались показания в килоньютонах.

Аналогично были проведены испытания образца металлической трубы на сжатие. Принципиальная схема метода определения процесса сжатия металлической трубы цифровым нивелиром представлена на рисунке 11.

За максимальное сжатие образца металлической трубы принимался момент визуальной деформации. При этом на циферблате разрывной машины регистрировались показания в килоньютонах.

Предел Предел

текучести прочности

40 60 80 100 120

Р, кН

Рисунок 9 - Деформация образца арматурной стали при нагружении разрывной машины

Рисунок 10 - Принципиальная схема метода определения стрелы прогиба/ образца сварной металлоконструкции нивелиром: 1 - подвижная траверса разрывной машины; 2 - исследуемый образец сварной металлоконструкции; 3 - штрих-кодовая рейка; 4 - цифровой нивелир

Рисунок 11 - Принципиальная схема метода определения процесса сжатия металлической трубы цифровым нивелиром: 1 - подвижная траверса разрывной машины; 2 - исследуемый образец металлической трубы; 3 - штрих-кодовая рейка; 4 - цифровой нивелир

Разработанные методы позволяют непосредственно на предприятии атте-стовывать стандартные образцы металлоконструкций. Данные методы позволяют получить достоверные результаты исследований, застрахованные от субъективной погрешности, а также возможного их умышленного изменения. Сущность предложенных методов состоит в том, что исходные метрологические данные, полученные нивелиром в автоматическом режиме без участия оператора, хранятся на карте памяти USB в контролирующей организации. В случае возникновения аварийной ситуации, с целью установления причин аварии, карта памяти является подтверждающим документом достоверности проведения метрологических измерений.

При определении метрологических характеристик ИВ часто необходимо получение информации об их динамике в различных точках исследуемого диапазона разрывной машины в процессе исследования во времени. Разработана структурная схема автоматизированной системы определения деформации чувствительных элементов ИВ (рисунок 12). На разрывной машине А закрепляется ИВ в захваты или устанавливается на катковую опору. Затем в пункте Б на жестком основании устанавливается высокоточный цифровой нивелир на определенном расстоянии от исследуемого оборудования (не менее 2 м). При выполнении нивелирования применяется первая программа наблюдений. После этого на подвижной траверсе силоизмерительной машины с помощью металлической скобы закрепляется штрих-кодовая рейка В. Далее в пунктах Г, Д, Е, Ж на твердом основании и необходимой высоте устанавливаются цифровые фотоаппараты. После этого силоизмерительной машиной создается усилие натяжения (сжатия). Взятие отчетов по рейке нивелиром и фиксация процесса деформации цифровыми фотоаппаратами производятся через определенные интервалы (5, 10 или 50 делений, в зависимости от используемой разрывной машины) с записью в памяти используемых цифровых устройств. Эту информацию регистрируют либо до максимальной, либо до интересующей нагрузки машины или до момента разрыва (излома) чувствительных элементов ИВ. Для наблюдения процесса деформации чувствительных элементов ИВ в динамике цифровые фотоаппараты используются синхронно в режиме видеосъемки. По окончанию эксперимента результаты измерений и полученная фотосъемка сохраняются на карте памяти иБВ.

Рисунок 12 - Структурная схема автоматизированной системы определения деформации чувствительных элементов ИВ (вид сверху)

Сущность данной технологии состоит в том, что в дополнение к цифровому нивелиру, измерения выполняются, фиксируются и хранятся с применением цифровых фотоаппаратов. Алгоритм вычисления метрологических характеристик ИВ в автоматизированной измерительной системе приведен на рисунке 13.

Рисунок 13 - Алгоритм вычисления метрологических характеристик ИВ: 1 - величина деформации, м; т - прикладываемая нагрузка, кг; 1 - время, с; Б - сила, Н

Таким образом, можно сделать вывод, что применение цифровых фотоаппаратов позволяет зарегистрировать даже малейшее изменение формы исследуемого объекта. Данные цифровые снимки являются дополнением к результатам, полученным цифровым нивелиром. Снимки дают визуальное представление о характере деформационных процессов, а цифровой нивелир - её линейную величину в зависимости от нагрузки.

В тех случаях, когда необходимо воспроизвести размер единицы силы от чувствительных элементов динамометров с дискретностью 0,001 мм, в качестве измерителя перемещений предлагается использовать лазерный интерферометр.

Интерферометр может выполнять две задачи:

- поверку штрих-кодовых реек в комплексе с цифровым нивелиром;

- выполнение собственно измерений при градуировке ИВ.

При реализации данного метода должны соблюдаться жесткие параметры нормальных условий (температура, давление, влажность).

При определении метрологических характеристик СИ силы необходимо получение информации о значениях данных характеристик СИ в различных точках исследуемого диапазона силоизмерительной машины. Принципиальная схема метода определения деформации СИ силы лазерным интерферометром приведена на рисунке 14. На разрывной машине 1 закрепляется СИ силы 2 в за-

хваты или устанавливается на катковую опору 3. Затем на жестком основании устанавливается лазерный интерферометр 7 на определенном расстоянии от исследуемого оборудования. После этого в измерительном плече устанавливаются призма 5 и два уголковых отражателя 4 и 6. Перед началом пуска силоизме-рительной машины включается ПК и запускается программное обеспечение интерферометра. Измерение длины СИ силы интерферометром производится через определенные интервалы (5, 10 или 50 делений, в зависимости от используемой силоизмерительной машины). Эти действия продолжаются до максимальной нагрузки машины в интересующей точке исследуемого диапазона или момента разрыва (излома) чувствительного элемента СИ силы. По окончанию эксперимента результаты измерений сохраняются на карте памяти USB.

деформации СИ силы лазерным интерферометром

Данный метод определения метрологических характеристик СИ силы позволяет получить достоверные результаты исследований, застрахованные от субъективной погрешности, а также возможного их умышленного изменения. Сущность предложенного метода состоит в том, что лазерная интерферометри-ческая измерительная система при равномерном нагружении позволит выявить подробную характеристику изменения величины деформации чувствительного элемента динамометров, а также величину деформации сложных элементов конструкций изделий. При этом следует отметить что, несмотря на высокую точность, данный метод имеет ограниченное применение в виду следующих причин:

- высокой стоимости метрологического интерферометрического комплекса;

- недостаточной мобильности в его использовании;

- технологической и приборной сложности данной системы, поэтому такой метод рационально применять для измерений на уровне чувствительных элементов динамометров первого разряда.

Таким образом, разработанные методы определения значений перемещения и деформации позволяют автоматизировать процесс аттестации ИВ, а также существенно улучшить методы определения погрешности результатов измерений в отраслях нефтегазовой промышленности. Предлагаемые методы по-

зволят внедрить в отраслях нефтегазовой промышленности разработанную модель ИВ, основными преимуществами которой по сравнению с существующими являются (таблица 4): возможность дистанционного съема измерительной информации, минимизация систематических и случайных погрешностей в результатах измерений, высокая точность и мобильность при её использовании.

Таблица 4 - Сравнительные характеристики индикаторов веса

Основные технические характеристики индикаторов веса Тензомет-рический индикатор веса ТИВ-20/2,5 Гидравлический индикатор веса ГИВ6-М2 Электронный индикатор веса ИВЭ-50 Разработанная модель индикаторов веса

Наибольший предел измеряемых усилий натяжения стальных канатов, кН 200 320 300 500

Предел допускаемой приведенной погрешности измерения усилия натяжения ±2,5% ± 2,5 % ± 2,5 % ± 0,9 %

Диапазон рабочих температур окружающего воздуха, °С - от -50 до +50 от -40 до +50 от -35 до +50

Дополнительная погрешность при отклонении температуры от (20±5) °С на каждые 10°С (в процентах от максимального усилия) - ±0,5 - -

Диаметр каната, мм от 18 до 35 22, 25,28, 32, 35, 38 от 18 до 38 от 18 до 38

Основные результаты работы

1. Выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса.

2. Разработаны принципиальные схемы определения величины деформации чувствительных элементов индикаторов веса методом высокоточного геометрического нивелирования.

3. Разработана и реализована модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактньми методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины. Разработанная модель индикаторов веса при непосредственном участии автора прошла апробацию в ЗАО «Не-рудЗапсиб» при измерении и регистрации усилий натяжения стальных канатов.

4. Разработаны новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса, минимизирующие систематические и случайные погрешности в результатах измерений и позволяющие автоматизировать эту операцию.

5. Предложена автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер.

6. Предложен метод аттестации индикаторов веса с использованием лазерных измерителей длины.

7. Разработан высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса.

8. Практическая реализация исследований осуществлена внедрением разработанных методов определения значений деформации чувствительных элементов динамометров и стандартных образцов металлоконструкций в учебный процесс ГОУВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» и производственный ФГУ «Новосибирский ЦСМ», ЗАО «НерудЗапсиб», ЗАО «Инженерный центр».

Список основных научных работ автора, опубликованных по теме диссертации

1 Теплых, А.Н. Разработка и исследование способов определения перемещения и деформации металлоконструкций с применением средств измерений силы и длины [Текст] / А.Н. Теплых // Законодательная и прикладная метрология. - М„ 2010. -№ 4. - С. 22-26.

2 Уставич, Г.А. Разработка и реализация модели индикатора веса [Текст] / Г.А. Уставич, А.Н. Теплых // Законодательная и прикладная метрология. - М., 2011.-№2.-С. 8-10.

3 Теплых, А.Н. Разработка и исследование методики поверки индикаторов веса [Текст] / А.Н. Теплых // Научный вестник НГТУ. - Новосибирск, 2008. -№2.-С. 177-190.

4 Теплых, А.Н. Методика определения деформаций мостовых кранов и металлоконструкций [Текст] / А.Н. Теплых // Вестник СГГА (Сибирской государственной геодезической академии). - Новосибирск: СГГА, 2010. - Вып. 1(12). — С. 105—111.

5 Теплых, А.Н. Разработка методики аттестации мер силы с помощью средств измерений длины [Текст] / А.Н. Теплых // Вестник СГГА (Сибирской государственной геодезической академии). - Новосибирск: СГГА, 2010. - Вып. 1(12).-С. 112-116.

6 Теплых, А.Н. Разработка и исследование способов определения метрологических характеристик эталонных динамометров цифровым нивелиром [Текст] / А.Н. Теплых // Сборник материалов V Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009». Т. 5 «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника», ч. 2. - Новосибирск, 2009. - С. 152-156.

7 Теплых, А.Н. Разработка и исследование способов определения деформации различных образцов металлоконструкций цифровым нивелиром [Текст] / А.Н. Теплых // Сборник материалов V Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-

2009». Т. 5 «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника», ч. 2. - Новосибирск, 2009. - С. 157-162.

8 Теплых, А.Н. Разработка автоматизированной системы определения деформации опытных образцов [Текст] / А.Н. Теплых // Сборник науч. тр. аспирантов и молодых учёных. - Новосибирск: СГТА, 2009. - Вып. 6. - С. 14-18.

9 Теплых, А.Н. Анализ погрешности индикаторов веса на разрывной машине МР-500 [Текст] / А.Н. Теплых, С.В. Хатюшин // Сборник материалов ШМеждунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2007». Т. 4 «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника», ч. 2. - Новосибирск, 2007. - С. 164-167.

10 Теплых, А.Н. Совершенствование методики поверки гидравлического индикатора веса ГИВ6-М2 [Текст] / А.Н. Теплых, И.Н. Косенко // Сборник материалов XI Междунар. науч.-практ. конф. «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости». - Португалия, 2007. - С. 75-79.

11 Теплых, А.Н. Разработка методики поверки индикаторов веса ГИВ6-М2 [Текст] / А.Н. Теплых // Сборник материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2008». Т. 1 «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Спутниковые навигационные системы», ч. 1. -Новосибирск, 2008. - С. 161-165.

12 Соболева, E.JI. Влияние перемещения наблюдателя на положение штатива при выполнении высокоточного нивелирования цифровыми нивелирами [Текст] / E.JI. Соболева, А.Н. Теплых, Т.А. Хоменко // Сборник материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕС)-Сибирь-2006». Т. 1 «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия», ч. 1. - Новосибирск, 2006. - С. 70-75.

13 Соболева, E.JI. Методика нивелирования I класса цифровым нивелиром на геодинамическом полигоне [Текст] / E.JI. Соболева, А.Н. Теплых // Сборник науч. тр. аспирантов и молодых учёных. - Новосибирск: СГГА, 2006. -Вып. 3. - С. 41-45.

14 Теплых, А.Н. К вопросу о понятиях «ошибка» и «погрешность» измерения [Текст] / А.Н. Теплых // Сборник материалов III Междунар. науч. конгр. «ПЮ-Сибирь-2007». Т. 4 «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника», ч. 2. - Новосибирск, 2007. - С. 160-163.

15 Соболева, E.JI. Методика нивелирования III класса с применением цифровых нивелиров [Текст] / E.JI. Соболева, А.Н. Теплых // Сборник науч. тр. аспирантов и молодых учёных. - Новосибирск: СГГА, 2007. - Вып. 4. - С. 26-31.

16 Теплых, А.Н. Опытный образец лазерного бесконтактного измерителя диаметров [Текст] / А.Н. Теплых // Соврем, проблемы геодезии и оптики. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 100-105.

Введение.

1 Современное состояние методов и средств измерения, воспроизведения, передачи и обработки результатов измерений единицы силы и их метрологических характеристик.

1.1 Анализ существующих методов и средств измерения силы.

1.2 Анализ существующих методов и средств воспроизведения, передачи и обработки результатов измерений единицы силы и их метрологических характеристик.;.

1.3 Анализ индикаторов веса, используемых для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин в отраслях нефтегазовой промышленности.

1.4 Постановка задачи исследования .:.;.:.;.

2 Современное состояние метрологического обеспечения индикаторов веса.

2.1 Оценка основных погрешностей измерений при использовании в комплексе средств измеренийхилы и длины.:.

2.1.1 Анализ основных источников погрешностей измерений механических величин.

2.1.2 Погрешности; вызванные влиянием внешних,условий. 322.1.3 Выявление дополнительных погрешностей измерений при однократном и циклическом нагружении.

2.2 Устройство и технологическая схема работьь силоизмерительных машишразличных модификаций.

3 Разработка и исследование модели индикаторов веса для измерений и регистрации усилий; натяжения; стальных канатов;бесконтактными методами; на основе совместного применения'средств измерений силы и длины.

3.1 Разработка и исследование модели индикаторов веса.

3:1.1 Оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса.

3.1.2 Разработка методов определения-метро логических характеристик чувствительных элементов,динамометров цифровымнивелиром.

3.1.3 Исследование влияния вибрации на точность измерений цифровыми нивелирами.

3.2 Разработка автоматизированной системы определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса.

3.3 Разработка высокоточного метода аттестации индикаторов веса лазерным интерферометром.

3.3.1 Разработка метода калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы

3.4 Практическая реализация разработанных методов определения метрологических характеристик чувствительных элементов динамометров, основанных на использовании цифрового нивелира.

Актуальность темы исследований. В настоящее время в отраслях нефтегазовой промышленности все работы по подземному и капитальному ремонту сопровождаются спуском в скважину и подъемом из нее труб, штанг и различных инструментов. Для этого над устьем скважины устанавливается подъемное сооружение - вышка, мачта с оборудованием для спускоподъемных операций. Для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при проведении спускоподъемных операций были разработаны приборы, так, называемые индикаторы веса. Существует широкий спектр измерительных устройств для определения веса с аналогичными параметрами и характеристиками. Однако эти устройства обладают существенными недостатками, главными из которых являются: наличие систематических и случайных погрешностей измерений, связанных с индивидуальными особенностями оператора, наличие неучтенной погрешности в результатах измерений, зависящей от изменения диаметра- стального каната, на котором закрепляются рассматриваемые приборы при проведении спускоподъемных операций, а также отсутствие возможности бесконтактного съема измерительной информации. Кроме этого широкий спектр номенклатуры продукции, выпускаемой отечественной и зарубежной промышленностью, обусловил создание ряда индивидуальных средств поверки для отдельных типов индикаторов, веса. Это связано с особенностями конструкций и условиями^ эксплуатации данных измерительных устройств. Для обеспечения» точности и правильности результатов измерений эти приборы обычно поверяются на гидравлических разрывных машинах типа МР-500, которые в свою очередь также должны быть поверены.

Для обеспечения достоверности результатов, измерений машины типа. МР-500 подвергаются поверке с помощью- эталонных динамометров третьего разряда, которые в свою очередь аттестовываются на эталонных силоизмерительных машинах второго разряда. Однако очевидными недостатками данных способов поверки являются: технологическая и' приборная сложность систем, а также наличие субъективной1 погрешности измерений, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием поверителя. Под технологической сложностью системы понимаются инструментальные и организационные трудности в проведении поверки, вызванные необходимостью применения 1 различных средств поверки типа гирь и их транспортирование, при соблюдении требуемой« точности и диапазонов измерений.

Современные тенденции развития науки и техники направлены на автоматизацию1 всех процессов метрологического обеспечения средств измерений (СИ). Повышение требований к точности измерений ведет к дальнейшему усовершенствованию конструкции индикаторов веса. В связи с этим возникает задача создания принципиальных схем измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов с применением электронно-цифровой техники, которая минимизирует систематические и случайные погрешности и обеспечивает высокую точность измерений, например, при слежении за деформацией объектов. Поэтому разработка бесконтактных методов и средств измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов с использованием цифровых систем регистрации результатов измерений является актуальной задачей определения метрологических характеристик при измерении силы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование модели индикаторов веса, минимизирующей систематические и случайные погрешности измерений для определения и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин- в отраслях нефтегазовой промышленности; разработка и исследование метрологического обеспечения, предложенной модели, индикаторов веса.

Основные задачи исследования. Указанная цель достигается« путем решения следующих задач:

- выполнения анализа существующих измерительных устройств, используемых в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин;

- анализа составляющих погрешности и её теоретической оценки при использовании в комплексе СИ силы и длины;

- исследования функциональной и технологической схемы работы СИ, используемых в качестве эталонов для поверки индикаторов веса;

- разработки принципиальных схем определения величины деформации методом высокоточного геометрического нивелирования;

- разработки и исследования модели индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения' стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами;

- оценки общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

- разработки и исследования методов градуировки индикаторов веса с применением цифровых нивелиров;

- разработки автоматизированной системы для определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств;

- разработки метода аттестации индикаторов веса с помощью-высокоточных СИ длины.

Научная новизна выполненной работьъ состоит в том, что впервые:

- выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

- разработаны новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;

- разработана автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;

- разработан высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;

- разработана и реализована модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

Практическая значимость. Разработана модель индикаторов-веса, минимизирующая систематические и случайные погрешности, измерений для определения и регистрации усилий натяжения1 стальных канатов бесконтактными методами' в отраслях нефтегазовой промышленности, основанная на использовании цифровых нивелиров. Результаты экспериментальных работ, выполненных с помощью предлагаемых методов, показывают возможность использования их для градуировки индикаторов веса, а также при испытании образцов металлоконструкций' с применением цифровых нивелиров.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются' существующие индикаторы веса, используемые в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин, предметом являются методы уменьшения погрешности измерений объекта исследований.

На защиту выносятся):

- анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса; - новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;

- автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;

- высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической- измерительной1 системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;

- модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

Реализация результатов работы. Разработанная модель индикаторов веса при непосредственном участии автора прошла апробацию в ЗАО «НерудЗапсиб» при измерении и регистрации усилий натяжения стальных канатов. Предложенные методы применялись при определении деформации различных образцов металлоконструкций в ЗАО «НерудЗапсиб» и ЗАО «Инженерный центр». Разработанные методы прошли апробацию при определении метрологических характеристик силоизмерительных элементов динамометров в ФГУ «Новосибирский ЦСМ». Разработанные методы определения значений перемещения и деформации чувствительных элементов динамометров, образцов металлоконструкций с применением цифрового нивелира внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Сибирской государственной геодезической академии» приложение В и производственный ФГУ «Новосибирский ЦСМ» приложение Г, ЗАО «НерудЗапсиб» приложение Д, ЗАО «Инженерный центр» приложение Е.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

1) II Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 24-28 апреля Новосибирск 2006 г;

2) III Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 25-27 апреля Новосибирск 2007 г;

3) XI Международной научно-практической конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС-Технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризация земель и объектов недвижимости» 27 мая-03 июня Португалия 2007 г;

4) IV Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 22-24 апреля Новосибирск 2008 г.

5) V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 20-24 апреля Новосибирск 2009 г.

По теме диссертационной'работы опубликовано 16 научных работ (из них 6 - в соавторстве, 3 — в рецензируемых изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ).

Структура диссертации. Диссертация включает в себя введение, три раздела, заключение, шесть приложений и список использованных источников. В первом разделе рассмотрены функциональная и технологическая схемы работы наиболее распространенных моделей индикаторов веса, используемых для измерения и регистрации усилий натяжения, стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин в отраслях нефтегазовой промышленности. Во втором разделе рассмотрено современное состояние метрологического обеспечения индикаторов веса и выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и> длины. В третьем разделе разработана и реализована модель * индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности. Кроме этого в данном разделе разработаны и исследованы методы определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов динамометров с помощью цифрового нивелира и лазерного интерферометра. Также предложена разработанная автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса. В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

1.П. О градуировке методом сличения с группой динамометров Текст. / Э.П. Агафонов // Точные измерения массы, силы, вязкости и плотности: тр. НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". - JL, 1982. - С.29-37.

2. ГОСТ 8.065-85. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений силы Текст. М.: Изд-во стандартов, 1985.-7 с.

3. Чаленко, Н.С. Методы и средства измерения силы Текст. / Н.С. Чаленко. -М.: Изд-во стандартов, 1991. 30-36 с.

4. Герасимов, Н.С. Исходные средства измерений статических механических величин Текст. / Н.С. Герасимов // Измерение, контроль, автоматизация. -1985.-№7.-С.43-46:

5. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений* Текст. / П.В1 Новицкий, И.А. Зограф. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 55-59 с.

6. Синельников, А.Е. Низкочастотные линейные акселерометры, методы и средства поверки и градуировки Текст. / А.Е. Синельников. М.: Изд-во стандартов, 1979. - 82-85 с.

7. Долинский, Е.Ф. Обработка результатов измерений Текст. / Е.Ф. Долинский. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 134-137 с.

8. Камке, Д. Физические основы единиц измерения Текст. / Д: Камке, К. Кремер. М.: Мир, 1980. -208 с.

9. Вишенков, A.C. Методы и средства аттестации, поверки и испытаний силоизмерительных приборов Текст. / A.C. Вишенков. М.: Изд-во стандартов, 1985. -182 с.

10. Бошерницан, Е.С. Метрологическое обеспечение средств измерений больших сил Текст. / Е.С. Бошерницан // Измерительная техника. 1984. -№ 4. - С. 36-38.

11. Максимов, JI.M. Эталон единицы силы Текст. / JI.M. Максимов, С.А. Смолич // Измерительная техника. 1967. - № 11. - С.27-28.

12. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике Текст. / Л.И. Седов. -М.: Наука, 1977.-388 с.

13. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.geotek.ru/ktts.php?Page=dvesa.

14. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http.V/www.midural.ru/ek.ru/economics/enterprises/ves/prod 10 .htm.

15. ГОСТ Р 8.563-96. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений Текст. М.: Госстандарт России, 1996.-7 с.

16. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tcontrol .ru/rus/giv 1 .htm.

17. ГОСТ 13032-77. Жидкости полиметилсилоксановые. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1977.-7 с.

18. Сычев, Е.И. Проблемы технических измерений Текст. / Е.И. Сычев // Измерительная техника. 1995. - №4. - С. 15-17.

19. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http.7/www.tcontrol.ru/шs/giv6.htm.

20. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.measurement.ru/gk/meteo/08/03.htm.

21. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.raznoves.ru/ive50.htm.

22. Министерство нефтяной промышленности. Правила безопасности в нефтяной промышленности Текст. М., 1993. - 68 с.

23. ГОСТ Р 51330.0-99. Электрооборудование взрывозащитное. Общие требования Текст. М.: Госстандарт России, 1999:-11 с.

24. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащитное. Искробезопасная электрическая цепь / Текст. М-.: Госстандарт России, 1999.-11 с.

25. ГОСТ Р 51330.13-99. Электрооборудование взрывозащитное. Электроустановки во взрывоопасных зонах (кроме подземных выработок) I Текст. М.: Госстандарт России, 1999.-11 с.

26. Проектирование датчиков для измерения*механических величин Текст.: под ред. Е. П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979. - С.69-74.

27. Аш, Ж. Датчики измерительных систем Текст. / Аш Ж. и соавторы. В 2-х кн. Кн. 1 пер. с франц. - М.: Мир, 1992. - С. 15-17.

28. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений Текст. М.: Изд-во стандартов, 1976.-7 с.

29. Золоторевский, В. С. Механические свойства металлов Текст. / В. С. Золоторевский. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1983. - С.23-26.

30. Испытательная техника Текст.: справ, в 2-х кн. / под ред. В. В. Клюева.-М.: Машиностроение, 1982.-528 с.

31. ГОСТ 28840-90. Машины* для- испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования Текст. М.: Изд-во стандартов, 1990.-7 с.

32. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение и изгиб Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

33. ГОСТ 9500-84. Динамометры эталонные переносные. Общие технические требования Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

34. ГОСТ 8.287-78. Динамометры эталонные переносные третьего разряда. Методы и средства поверки Текст. М.: Изд-во стандартов, 1978.-11 с.

35. Машина разрывная Р-5. Паспорт Гб 2.773.035 ПС.- М., 1981.- 38 с.

36. ГОСТ 21743-76. Масла авиационные. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1976.-7 с.

37. ГОСТ 17216-2001. Чистота промышленная. Классы чистоты жидкостей Текст. Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001.-11с.

38. Характеристики машины Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vnir.ru/desc.php?bctovarid=49.

39. ГОСТ 14896-84. Манжеты уплотнительные резиновые для гидравлических устройств. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

40. ПР 50.2.006-94. ГСИ. Порядок проведения поверки средств измерений.- М., 1994.- 56 с.

41. Характеристики^ машин Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tochmash.ru/ir6053 .htm.

42. Перов, В.И. Достоверность результатов контроля авиационной техники Текст. / В.И. Перов. М.: Отраслевое изд-во «Технический прогресс и повышение квалификации в авиационной промышленности», 1994. - 82 с.

43. МИ 2060-90 ГСИ. Государственная,поверочная схема-для средств измерений длины в диапазоне от 1х10"6 до*50 м и длин волн в диапазоне 0,2-50 мкм.

44. Коронкевич, В.П. Современные лазерные интерферометры Текст. / В.П; Коронкевич, В.А. Ханов. Н.: Наука, 1985. - 179 с.

45. Характеристики' прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ref.by/refsZ81/18474/1 .html

46. Характеристики< прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://revolution.allbest.ru/geology/d00050160.html

47. Карташева, А.Н. Достоверность измерений' и критерии качества испытаний приборов Текст. / А.Н. Карташева. М.: Изд-во стандартов, 1967.- 158 с.

48. Характеристики прибора* Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.geototal.ru/goodescr/705/

49. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.renishaw.ru/client/product/Russian/PRD-3.shtml

50. Характеристики прибора Электронный/ ресурс. Режим доступа: http://www.renishaw.ru/client/region/Russian/REGCONT-96.shtml