Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки
Методы контроля вибраций скважинной штанговой насосной установки (СШНУ) являются несовершенными. Например, это касается разрушения зубчатых пар редукторов СШНУ, эти явления весьма часто имеют место в повседневной практике. Для совершенствования контроля вибраций СШНУ мобильной системой контроля (МСК...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54407 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки / В.В. Лопатін // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 105-115. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-54407 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-544072014-02-02T03:12:50Z Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки Лопатін, В.В. Методы контроля вибраций скважинной штанговой насосной установки (СШНУ) являются несовершенными. Например, это касается разрушения зубчатых пар редукторов СШНУ, эти явления весьма часто имеют место в повседневной практике. Для совершенствования контроля вибраций СШНУ мобильной системой контроля (МСК) предложено повысить точность контроля с использованием метода компенсации уравновешивающим сигналом от помех посредством использования МСК. Точность предложенного метода определяется стабильностью работы обратной связи, входного и выходного элементов МСК. С целью повышения достоверности контроля вибрации сигнал поступающий сравнивают с компенсирующим сигналом, причем сравнение осуществляется методом преобразования (компенсации) сигнала, который уравновешивает с помощью гибкой обратной связи, в результате чего происходит компенсация погрешностей. МСК повышает точность контроля благодаря подключению датчиков к МСК, выполненного по компенсационной схеме (с обратным преобразователем и преобразователем неравновесия). Были проведены исследования экспериментальной МСК, подтверждающие правильность решения. Today, methods of vibration control of the sucker-rod pumping units (SRPU) are imperfect. In particular, it concerns destruction of the reducer gear pairs in the SRPU, which very often occurs in daily practice. To improve the SRPU vibration control, it is proposed to upgrade accuracy of control by using method of interference compensation by counterbalance signal with the help of mobile control systems (MCSs). The accuracy of this method is determined by stability of the MSC feedback and input and output elements. In order to improve reliability of the vibration control, incoming signal is compared with compensating signal. The comparison is carried out by transformation (compensation) of the signal which is counterbalanced through the flexible feedback resulting in error compensation. The MCS improves the control accuracy thanks to the sensors connected to the MCS by compensation scheme (with the inverse converter and disbalance converter). The experimental MSC was tested, and it confirmed correctness of the solution. 2012 Article Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки / В.В. Лопатін // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 105-115. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54407 [622.673.1: 681.514.54] uk Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Методы контроля вибраций скважинной штанговой насосной установки (СШНУ) являются несовершенными. Например, это касается разрушения зубчатых пар редукторов СШНУ, эти явления весьма часто имеют место в повседневной практике. Для совершенствования контроля вибраций СШНУ мобильной системой контроля (МСК) предложено повысить точность контроля с использованием метода компенсации уравновешивающим сигналом от помех посредством использования МСК. Точность предложенного метода определяется стабильностью работы обратной связи, входного и выходного элементов МСК. С целью повышения достоверности контроля вибрации сигнал поступающий сравнивают с компенсирующим сигналом, причем сравнение осуществляется методом преобразования (компенсации) сигнала, который уравновешивает с помощью гибкой обратной связи, в результате чего происходит компенсация погрешностей. МСК повышает точность контроля благодаря подключению датчиков к МСК, выполненного по компенсационной схеме (с обратным преобразователем и преобразователем неравновесия). Были проведены исследования экспериментальной МСК, подтверждающие правильность решения. |
| format |
Article |
| author |
Лопатін, В.В. |
| spellingShingle |
Лопатін, В.В. Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки Геотехническая механика |
| author_facet |
Лопатін, В.В. |
| author_sort |
Лопатін, В.В. |
| title |
Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки |
| title_short |
Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки |
| title_full |
Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки |
| title_fullStr |
Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки |
| title_full_unstemmed |
Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки |
| title_sort |
експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54407 |
| citation_txt |
Експериментальні дослідження мобільної системи контролю вібрації свердловинної штангової насосної установки / В.В. Лопатін // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 105-115. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT lopatínvv eksperimentalʹnídoslídžennâmobílʹnoísistemikontrolûvíbracíísverdlovinnoíštangovoínasosnoíustanovki |
| first_indexed |
2025-07-05T05:43:06Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:43:06Z |
| _version_ |
1836784483954589696 |
| fulltext |
105
УДК [622.673.1: 681.514.54]
Канд. техн. наук В.В. Лопатін
(ІГТМ НАН України)
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ МОБІЛЬНОЇ СИСТЕМИ
КОНТРОЛЮ ВІБРАЦІЇ СВЕРДЛОВИННОЇ ШТАНГОВОЇ НАСОСНОЇ
УСТАНОВКИ
Методы контроля вибраций скважинной штанговой насосной установки (СШНУ) явля-
ются несовершенными. Например, это касается разрушения зубчатых пар редукторов
СШНУ, эти явления весьма часто имеют место в повседневной практике. Для совершенство-
вания контроля вибраций СШНУ мобильной системой контроля (МСК) предложено повы-
сить точность контроля с использованием метода компенсации уравновешивающим сигна-
лом от помех посредством использования МСК. Точность предложенного метода определя-
ется стабильностью работы обратной связи, входного и выходного элементов МСК. С целью
повышения достоверности контроля вибрации сигнал поступающий сравнивают с компенси-
рующим сигналом, причем сравнение осуществляется методом преобразования (компенса-
ции) сигнала, который уравновешивает с помощью гибкой обратной связи, в результате чего
происходит компенсация погрешностей. МСК повышает точность контроля благодаря под-
ключению датчиков к МСК, выполненного по компенсационной схеме (с обратным преобра-
зователем и преобразователем неравновесия). Были проведены исследования эксперимен-
тальной МСК, подтверждающие правильность решения.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF MOBILE CONTROL SYSTEM OF
VIBRATION OF THE HOLE SUCKER-ROD PUMP UNIT
Today, methods of vibration control of the sucker-rod pumping units (SRPU) are imperfect. In
particular, it concerns destruction of the reducer gear pairs in the SRPU, which very often occurs in
daily practice. To improve the SRPU vibration control, it is proposed to upgrade accuracy of control
by using method of interference compensation by counterbalance signal with the help of mobile
control systems (MCSs). The accuracy of this method is determined by stability of the MSC feed-
back and input and output elements. In order to improve reliability of the vibration control, incom-
ing signal is compared with compensating signal. The comparison is carried out by transformation
(compensation) of the signal which is counterbalanced through the flexible feedback resulting in
error compensation. The MCS improves the control accuracy thanks to the sensors connected to the
MCS by compensation scheme (with the inverse converter and disbalance converter). The experi-
mental MSC was tested, and it confirmed correctness of the solution.
Видобування нафти за допомогою свердловинної штангової насосної уста-
новки (СШНУ) охоплює понад 65% діючого фонду свердловин в Україні. Бі-
льша частина СШНУ експлуатується понад нормативний термін (20-30 років),
мають місце численні відмови і аварії, кількість яких постійно зростає. В роботі
[1] розглядаються діагностичні моделі, методи та засоби діагностування техні-
чного стану СШНУ. Описано основні принципи побудови систем контролю
стану СШНУ, та показано, що методи контролю вібрацій СШНУ не є доскона-
лими. Методи контролю вібрацій СШНУ є недосконалими. Наприклад, це сто-
сується руйнування зубчастих пар редукторів СШНУ, ці явища досить часто
мають місце в повсякденній практиці. Тому актуальною є проблема визначення
стану СШНУ за непрямими ознаками. При цьому серед великого числа непря-
мих ознак треба вибрати такі, які дозволили б знаходити стан СШНУ з достат-
ньою мірою точності. Практичним критерієм придатності ознаки - сигналу
106
служить задовільний зв'язок його з параметрами стану СШНУ. Наприклад, еле-
менти зношеного редуктора СШНУ, робота яких супроводжується ударами,
можна вважати джерелами збурення. Для вдосконалення контролю вібрацій
СШНУ мобільною системою контролю (МСК) запропоновано підвищити точ-
ність контролю з використанням методу компенсації сигналом, що врівноважує
від завад, за допомогою використання МСК. Точність запропонованого методу
визначається стабільністю роботи зворотного зв'язку, вхідного і вихідного еле-
ментів МСК. З метою підвищення достовірності контролю вібрації сигнал, що
надходить, порівнюють з сигналом, що компенсує, причому порівняння здійс-
нюється методом компенсації сигналу, який врівноважує, за допомогою гнуч-
кого зворотного зв'язку, в результаті чого відбувається компенсація похибок.
МСК підвищує точність контролю завдяки підключенню датчиків, що виконано
по компенсаційній схемі (із зворотним перетворювачем і перетворювачем нері-
вноваги). Були проведені дослідження експериментальної МСК, які підтвер-
джують правильність рішення. Для вдосконалення контролю вібрацій СШНУ
МСК пропонується [2] підвищити точність контролю з використанням методу
компенсації завад. Точність методу [2] в основному визначається стабільністю
роботи ланки зворотного зв'язку, вхідного і вихідного елементів схеми. З метою
підвищення достовірності контролю вібрації сигнал, що поступає, порівнюють
з сигналом, який компенсує, причому порівняння здійснюється за методом
компенсації сигналу, який врівноважується, за допомогою зворотного зв'язку, в
результаті чого відбувається компенсація похибок, а пристрій підвищує точ-
ність контролю завдяки підключення акселерометрів до блоку реєстрації МСК,
яке виконане за компенсаційною схемою із зворотним перетворювачем і пере-
творювачем нерівноваги.
Відмінними рисами використання методу компенсації сигналу є наявність
зворотного перетворення вихідної величини у величину, однорідну з вхідною
величиною, і їх взаємне урівноваження з тією або іншою мірою точності. Хара-
ктерною для цього випадку є особлива структура пристрою контролю вібрації:
у структурі обов'язково повинен міститися зворотний перетворювач, вихідна
величина якого врівноважує вимірювану величину, і перетворювач нерівноваги
(нуль-орган або орган порівняння), який виявляє величину і знак відхилення від
рівноваги [2].
Принцип компенсації похибки може виконуватися з астатичною і статичною
системами урівноваження, а також з комбінованою системою урівноваження
[3]. Принцип компенсації похибки заснований на тому, що дія завад на акселе-
рометр залишається, але її вплив обчислюється (у нашому випадку процесором
блоку реєстрації МСК), а похибка компенсується.
У винаході [2] пропонується об'єднати ефект компенсації для обох видів пе-
решкод. Виконано це за рахунок гнучкого від'ємного зворотного зв'язку кожно-
го акселерометра з МСК, за допомогою індивідуальних зворотних перетворю-
вачів і перетворювачів нерівноваги на базі сучасних цифрових технологій.
Суть компенсації похибки в пропонованому методі полягає в тому, що
(рис.1) сигнал акселерометра (1), рівний Аа, та вихідний сигнал зворотного пе-
107
ретворювача (3) рівний Ау, порівнюють, виявляють ступінь нерівноваги (різни-
ця величин, що врівноважують, Аа й Ау) рівну ±∆А і як керуючий сигнал пода-
ють на вхід перетворювача нерівноваги (2), який за сигналом ±∆А обробляє ви-
хідний сигнал Б, який подають у блок реєстрації (4) і одночасно на вхід зворот-
ного перетворювача (3), який по сигналі Б виробляє вихідний сигнал, що врів-
новажує Ау.
Рис.1 - Схема компенсації погрішності в пропонованому методі для окремого акселеро-
метра МСК
Таким чином (рис.1) реалізується гнучкий зворотний зв'язок вихідного сиг-
налу акселерометра (1), рівного Аа, і вихідного сигналу зворотного перетворю-
вача (3) рівного Ау, що охоплює весь пристрій. Для підвищення точності вібра-
ційного контролю сигнал П датчика положення (5) подають у блок реєстрації
(4) паралельно із сигналом Б.
У нашому пристрої (рис. 2) цифровий акселерометр (1) через стандартний
порт і фідерно-кабельне з'єднання з'єднаний із процесором МСК (5). Функціо-
нально перетворювач нерівновагі, зворотний перетворювач, блок реєстрації ви-
конані у вигляді драйвера, інтерфейсу й програмного забезпечення для проце-
сора МСК (5). Весь пристрій має автономне джерело електропостачання (6).
Для підвищення точності вібраційного контролю кожен акселерометр обладна-
ний датчиком положення (7), що з'єднаний із процесором (5).
Суть компенсації завад у пропонованому пристрої (рис.2 ) полягає в тому ,
що вихід цифрового акселерометра (1), вихід зворотного перетворювача (3)
з'єднані із входом перетворювача нерівноваги (2), а цифровий вихід перетворю-
вача нерівноваги (2) з'єднаний із цифровими входами зворотного перетворюва-
ча (3) і блоку реєстрації (4).
Похибка пропонованого пристрою контролю [2] складається з трьох складо-
вих: похибки акселерометра (1) βа, похибки індивідуального зворотного пере-
творювача (3) βоп, похибки блоку реєстрації (4) βбр.
Коло перетворення, що врівноважує, складається з двох самостійних кіл
(рис.2):
108
Рис.2 - Схема компенсації завад в пропонованому пристрої для окремого акселерометра
МСК
- перетворювача нерівноваги (від ΔА до Б) з коефіцієнтом передачі К;
- зворотного перетворення (від Б до Ау) з коефіцієнтом передачі α.
Введемо для характеристики роботи цих кіл і роз'яснення принципу роботи
компенсаційної схеми в пропонованому пристрої контролю наступні позначен-
ня:
Аа – вхідна, перетворювана або вимірювана величина;
Ау – вихідний сигнал зворотного перетворювача;
Б- вихідна величина перетворювача нерівноваги;
К - Б/ΔА – коефіцієнт кола перетворювача нерівноваги;
α- Ау/Б – коефіцієнт кола зворотного зв’язку;
Ау/ΔА = К α – глибина зрівноваження;
γ = ΔА/Аа – відносна нерівновага;
ζ = Ау/Аа – відносна глибина зрівноваження.
При використанні вищенаведених позначень робота компенсаційної схеми
(рис.2) описується наступними рівняннями:
Аа = Ау + ΔА; Ау = Бα; Б = ΔАК.
З цих рівнянь виходить, що відносна нерівновага компенсаційної схеми
γ = ΔА /Аа = ΔА /( ΔА +Ау) = 1/[1+ Кα)];
відносна глибина урівноваження компенсаційної схеми
ζ = Ау/Аа = Ау/( ΔА +Ау) = (К α)/ [1+ (Кα)] = 1+ γ,
109
таким чином чутливість компенсаційної схеми
S = Б/Аа = (ΔАК)/А3 = γK = K/[1+(Кα)].
З отриманого виразу виходить, що чутливість компенсаційної схеми виявля-
ється в 1+(Кα) разів менше чутливості кола перетворювача нерівноваги компе-
нсаційної схеми. Це показує, що приблизно на таке ж число 1+(Кα) зменшуєть-
ся результуюча похибка перетворення Ау в Б. Як відомо, ця похибка складаєть-
ся з адитивних і мультиплікативних складових перетворювачів МСК.
При використанні тільки астатичного урівноваження процес урівноваження
продовжується до тих пір, поки вираз Аа - Ау = ΔА не стане менше величини ΔАч
- порогу чутливості зворотного перетворювача. Нехтуючи величиною ΔАч, по-
хибка в цьому випадку
ξc = ξα+ΔАч /А,
де ξc – похибка кола перетворювача нерівноваги компенсаційної схеми, ξα– по-
хибка перетворювача, ΔАч/А – відносна величина порогу чутливості, А – зна-
чення вимірюваного прискорення.
Явно видно недолік схеми, що виявляється в обмеженому порозі чутливості
ΔАч. Таким чином, відносна похибка зростала б обернено пропорційно до зна-
чення вимірюваної величини прискорення. У нашому випадку, збільшуючи
глибину урівноваження Кα, можна істотно зменшити частку похибки, тому Кα є
характерним показником якості пропонованого пристрою, чим більше Кα, тим
вище точність. Для отримання ідеальної точності необхідно, щоб ξα→0, тобто
використання мінімальної кількості перетворюючих ланок в колі зворотного
перетворювача.
Давачі кріпляться на вузлі контрольованої СШНУ так, щоб вони могли
сприймати вібрацію (удари), наприклад, в двох взаємно перпендикулярних го-
ризонтальних напрямах. Можлива установка і трьох акселерометрів, зорієнто-
ваних в тривимірному просторі або 3-координатного акселерометра. У цьому
варіанті можливе визначення напрямів ударів в тривимірному просторі – в двох
горизонтальних напрямах і додатково у вертикальному.
Коливання кожного давача перетворюють в індивідуальному зворотному
перетворювачі і порівнюють в перетворювачі нерівноваги, який виявляє вели-
чину і знак відхилення від рівноваги і коректує (змінює) сигнал до здобуття
відповідності вихідною і вхідною контрольованими величинами. Цей принцип
застосовний для усунення як адитивних, так і мультиплікативних завад. Його
перевага полягає в тому, що він може бути використаний тоді, коли завади не
можуть бути визначені.
Після установки апаратури контролю на вузлі контрольованої свердловин-
ної насосної установки проводять її тарування. Для цього в місцях кріплення
давачів завдають удари відомої величини по напрямах дії давачів та фіксують
величини на МСК. За величиною сили удару і величиною амплітуди першої га-
110
рмоніки коливань давачів, що записана на МСК, визначають ціну ділення шка-
ли МСК. Для кожного давача визначають фазування, тобто відповідність на-
пряму удару фазі записаної амплітуди першої гармоніки на МСК.
При вібраційному контролі СШНУ ударні навантаження відсутні, і вібрація
має плавний характер. По мірі зносу устаткування СШНУ при русі механізмів
відбуваються ударні навантаження. Чим більше знос механізмів, тим більші
удари і тим сильніші вібрації, що вони збуджують. Наприклад, це стосується
руйнувань зубчастих пар редукторів СШНУ [4], ці явища досить часто мають
місце, що вказує про нестачу існуючих методів контролю редукторів СШНУ. Ці
вібрації сприймаються давачами (акселерометрами) і перетворюються в елект-
ричні затухаючі коливання, частота кожного з яких визначається власною час-
тотою механічних коливань.
Вироблені акселерометрами коливання подають в МСК, де коливання кож-
ного акселерометра записуються діаграмами. За записаними діаграмами визна-
чають силу удару по величині амплітуди першої гармоніки електричних коли-
вань акселерометра і ціні ділення шкали реєстратора. Звіряючи діаграми з ре-
зультатами тарування, визначають напрям удару в контрольованому механізмі
СШНУ. Наприклад, при фазі першої амплітуди першої гармоніки, що дорівнює
180°, удар відбувається зліва, при 0° - справа. Коли відсутній сигнал від другого
акселерометра, напрям удару збігається з віссю першого акселерометра, і на-
впаки, коли відсутній сигнал першого акселерометра, напрям удару збігається з
віссю другого акселерометра. При значной незбіжності напряму удару з напря-
мами осей акселерометрів контроль ведуть за свідченнями двох акселерометрів
із співвідношень:
А = 2 2
1 2 ,А А+
А2/А1= sinφ1/ sinφ2 ,
φ = аrсtg А2/А1 ,
φ1 + φ2 = 90°,
де А1 – перша амплітуда першої гармоніки коливань першого акселерометра; А2
– перша амплітуда першої гармоніки коливань другого акселерометра;
φ1 – кут між віссю напряму удару і віссю спрямованості першого акселеромет-
ра; φ2 – кут між віссю напряму удару і віссю спрямованості другого акселеро-
метра.
Простота співвідношень дозволяє повністю автоматизувати процес обробки
МСК.
Функціонально зворотний перетворювач, перетворювач нерівноваги і блок
реєстрації можуть бути виконані на базі комп'ютера з відповідним інтерфейсом
і програмним забезпеченням. При досить малому порозі чутливості перетворю-
111
вача нерівноваги досягається майже повна рівновага, і похибка пристрою конт-
ролю вібрації визначається майже виключно похибкою перетворювачів, тобто
комп'ютера пристрою контролю вібрації.
Наприклад, нехай ударні вібрації виникають в контрольованому вузлі з бо-
ку, протилежного місцю кріплення акселерометрів (уздовж осі другого акселе-
рометра).Перший акселерометр не вироблятиме сигнал, а працюватиме лише
другий акселерометр. Наявність сигналу другого акселерометра говорить про
те, що удари відбуваються в поперечному напрямі контрольованого вузла.
Отримані дані передають ремонтній бригаді, де вказують силу і частоту удару,
його напрям і місце виникнення (що визначають за давачем положення), а та-
кож те, що удар прогресує і несе небезпеку руйнування деталей. Якщо удар не
прогресує і незначний за величиною, оператор-контролер (комп'ютер) може
прийняти рішення про продовження роботи. Таким чином, за величинами пер-
шої амплітуди і фази першої гармоніки, записаними залежно від місця розта-
шування контрольованого вузла СШНУ, та їх змінам під час експлуатації, су-
дять про технічний стан вузла, величину зношування, якість кріплення, тощо -
виконуються вібраційний контроль СШНУ.
Були проведені дослідження експериментальної МСК, які підтверджують
правильність нашого рішення у винаході [2].
Конструктивно чуттєвий елемент інтегрального акселерометру експеримен-
тальної МСК типу ADXL150 [5] являє собою диференціальну конденсаторну
структуру з повітряним діелектриком. Інерційна маса при наявності прискорен-
ня зміщується щодо іншої частини кристала полікрем'яної плівки акселеромет-
ра, утворюючи рухливу обкладку конденсатора змінної ємності. Розтяжки, що
утримують у висячому положенні інерційну масу, є механічними пружинами
постійної пружності, які обмежують переміщення спробної маси і її повернення
у вихідне положення. Акселерометр типу ADXL150 є, по суті, неповним сучас-
ним аналогом МП-95 [4], тобто сила інерції при впливі прискорення врівнова-
жується пружною силою пружини F = kx, де k - жорсткість пружини розтяжки
інерційної маси, x – переміщення інерційної маси m щодо вихідного стану.
Звідси випливає, що лінійне прискорення а = х(к/m), причому к/m - характерис-
тичний (конструктивний) параметр інтегрального акселерометру МСК типу
ADXL150. Однак у ADXL150, як і у пізніх моделях акселерометрів типу
ADXLxxx компанії Analog Devise, відсутній зворотний негативний зв’язок, якій
потрібен заради зменшення похибки контролю вібрації МСК. Для підтверджен-
ня сказаного проведемо експеримент.
Акселерометр типу ADXL150 експериментальної МСК був жорстко закріп-
лений на одному з кінців сталевого стрижня конструкції свердловинної штан-
гової насосної установки (СШНУ) довжиною приблизно 1,6 м, що переміща-
ється з великими прискореннями на відстань 0,4 м. Унаслідок пружності стри-
жня це переміщення супроводжується вібрацією досить великої амплітуди з ча-
стотою приблизно 300 Гц.
На рис. 3 приведений графік залежності швидкості від часу акселерометра
типу ADXL150 експериментальної МСК. Швидкість контролюється, коли пе-
112
реміщення супроводжується вібрацією досить великої амплітуди з частотою
300 Гц 12-розрядним АЦП МСК із частотою вибірки 1000 Гц. Графік швидкості
є результатом чисельного інтегрування цих даних методом трапецій. На почат-
ку і наприкінці інтервалу спостереження (0–0,9 с) швидкість акселерометра до-
рівнює нулю. На графіку швидкості (рис. 3), крапки якого розраховані за дани-
ми акселерометра типу ADXL150, похибка кінцевого значення швидкості скла-
ла приблизно 1,3 м/с при максимальній швидкості 3,4 м/с. Похибка кінцевого
значення швидкості склала 38,2%.
Рис. 3 - Графік швидкості обмірюваної інтегральним акселерометром МСК типу
ADXL150 при вібрації 300Гц.
На рис. 4 приведений графік лінійного прискорення, коли переміщення ста-
левого стрижня конструкції СШНУ супроводжується вібрацією досить великої
амплітуди з частотою 300 Гц 12-розрядним АЦП МСК із частотою вибірки
1000 Гц, отриманий безпосереднім зчитуванням сигналу акселерометра.
Рис. 4 - Графік прискорення обмірюваного інтегральним акселерометром МСК типу
ADXL150 при вібрації 300Гц.
113
Акселерометр типу ADXL150 експериментальної МСК був жорстко закріп-
лений на більш твердій конструкції СШНУ при подібних параметрах вібрації.
На рис. 5 приведений графік прискорення акселерометру типу ADXL150
МСК 12-розрядним АЦП із частотою вибірки 1000 Гц, отриманий безпосеред-
нім зчитуванням сигналу. Переміщення супроводжуються значно меншою по-
довжньою вібрацією. Як бачимо, похибка визначення прискорення значно зме-
ншилася.
Рис. 5 - Графік прискорення обмірюваного інтегральним акселерометром МСК типу
ADXL150 при зниженій вібрації.
На рис. 6 - графік швидкості обмірюваної інтегральним акселерометром ти-
пу ADXL150 експериментальної МСК з 12-розрядним АЦП із частотою вибірки
1000 Гц. Графік швидкості одержано чисельним інтегруванням методом трапе-
цій. На початку і наприкінці інтервалу спостереження (0–0,9 с) швидкість аксе-
лерометра дорівнює нулю. На графіку швидкості (рис. 6), крапки якого розра-
ховані за даними акселерометра типу ADXL150, похибка кінцевого значення
швидкості зменшилася в багато разів.
Похибка кінцевого значення швидкості акселерометра типу ADXL150 скла-
ла менше 5%.
Рис. 6 - Графік швидкості обмірюваної інтегральним акселерометром МСК типу
ADXL150 при зниженій вібрації.
114
Як бачимо, похибка визначення прискорення, а особливо швидкості, значно
зменшилася.
Цей результат підтверджується збігом отриманих результатів з результатами
експериментальних досліджень інших авторів, наприклад [6].
На наш погляд, компанія Analog Devise при розробці поверхневого інтегра-
льного акселерометра ADXL50 [5] з використанням зворотного негативного
зв’язку по положенню інерційної маси була на вірному шляху (повним сучас-
ним аналогом МП-95) (див. рис.7).
Рис. 7 - Функціональна схема акселерометра ADXL50
Розглянемо роботу акселерометра ADXL50. На верхню і нижню обкладку
від генератора подаються прямокутні протифазні сигнали однакової амплітуди
частотою 1МГц. За відсутності прискорення, як було сказано вище, завдяки од-
наковим відстаням між обкладинками конденсатора, ємності будуть однакові,
отже, на рухливі обкладки передаються сигнали однакової амплітуди. Різнице-
вий сигнал, що поступає на вхід повторювача, дорівнює нулю. Зрозуміло, що
при лінійному прискоренні амплітуда різницевого сигналу буде пропорційна
його величині, а фаза визначається знаком прискорення. Це здійснюється фазо-
чутливим демодулятором, що перетворює різницевий сигнал в низькочастотний
(смугою від 0 до 1000Гц ), що характеризує величину і знак прискорення. Для
зменшення впливу тимчасових змін параметрів, зниження нелінійністі перехід-
ної характеристики акселерометра, впливу температури довкілля використову-
ється негативний зворотний зв'язок (повна аналогія демпфуванню в МП-95) за
положенням інерційної маси. Як видно з схеми, напруга з виходу передпідси-
лювача через резистор подається на рухливі обкладки акселерометра, які праг-
нуть встановити інерційну масу в початковий стан.
Поверхневій інтегральний акселерометр типу ADXL50 (з використанням
зворотного негативного зв’язку) був знятий з виробництва з метою зниження
вартості, підвищення економічності, збільшення розмаху вихідної напруги і чу-
тливості. В більш пізніх моделях акселерометрів типу ADXLxxx компанія
Analog Devise відмовилася від зворотного негативного зв'язку, що привело, як
бачимо, до реального погіршення їх лінійності та похибки акселерометрів типу
ADXLxxx.
115
ВИСНОВКИ
У нашому винаході [2, 4] ми врахували негативний досвід компанії Analog
Device. Приведені графіки (рис.3-6) підтверджують правильність нашого рі-
шення у винаході.
Наявність вагової обробки у винаході [2] приводити до того, що мобільна
система контролю (МСК) стає системою з перемінними параметрами. Викорис-
тання вагової обробки вимагає застосування окремого нуль-органа. Необхід-
ність вагової обробки підкреслює значення цифрової техніки у винаході, оскі-
льки згладжування сигналів помилки з перемінними ваговими коефіцієнтами
можливо зручніше в МСК виконати в цифровому вигляді. Ця частина МСК ви-
конується програмою і перетворювачами сигналу до цифрового вигляду.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Заміховський Л.М. Діагностика технічного стану штангових глибинно-насосних установок./ Л.М. Замі-
ховський, В.А. Ровінський, О.В. Євчук.- Івано-Франківськ: Сімфонія форте, 2006.-307с.
2 Спосіб вібраційного контролю свердловинної штангової насосної установки і пристрій для його реаліза-
ції. /Б.В. Копей, В.В. Лопатін, О.І. Стефанишин. -Реєстр. номер заявки а201002864, Бюл.№23 2010; Опубл.
10.12.2010.
3. Турчин А.М. Электрические измерения величин/ А.М. Турчин. - ЛВИКА им. А.Ф. Можайского, - Л. -
1967, 429с.
4. Копей Б.В.Мобільні вимірювальні системи в нафтогазовій та гірничій промисловості/ Б.В. Копей, В.В.
Лопатін, О.І. Стефанишин. Монографія. - Івано-Франківськ, ІФНТУНГ, 2010, - 392с.
5. Давачі прискорень у мобільних інформаційно-вимірювальних системах/ Б.В. Копей, В.В. Лопатін, І.Б.
Копей, Ю.А. Бобошко // Нафтогазова енергетика. Усеукраїнський щоквартальний науково-технічний журнал. -
№ 3(4) - 2007.- С. 47-54.
6. Волович А. Интегральные акселерометры / А. Волович, Г. Волович // Электроника, -2002 - №7 - С. 69-74.
УДК 622.78 (045):622.02:543.226
Канд. техн. наук К.С. Ищенко,
научн. сотр. В.Я. Осенний
(ИГТМ НАН Украины)
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ И
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
ПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Дослідження механізму крихкого термічного руйнування і структурні зміни в гірських
породах при їх тепловому (плазмовому) навантаженні.
На основі теорії термопружності і енергетичних показників описуваного процесу розгля-
нуто механізм крихкого термічного руйнування гірських порід. При його оцінці враховува-
лась градієнтна, структурна та термічна пружність мінералів в породі. У лабораторних умо-
вах на відібраних зразках порід (шелушці) продуктів руйнування кварцитів і сланців Крив-
басу в процесі розширення свердловин повітряною плазмою проведені дослідження їх струк-
турних змін з використанням методів рентгеноструктурного, термогравіметричного і дифе-
ренціально-термічного аналізів. Для їх реалізації використовувались дослідницькі комплекси
дериватограф і ДРОН- 3.
За результатами теоретичних досліджень проведена оцінка механізму крихкого терміч-
ного руйнування з використанням критерію міцності Баландина для будь-якої породи. Роз-
раховані чисельні значення лінійної швидкості крихкого руйнування для кварцитів. Експе-
риментально за результатами рентгеноструктурного, термогравіметричного і хімічного ана-
лізів проаналізовані ендотермічні і окислювальні процеси розкладання мінералів в гірській
породі. При теоретичній оцінці механізму термічного руйнування гірської породи отримані
основні вирази, що описують структурні і градієнтні напруження в породі при її відділенні
|