高精度液压管钳扭矩标定仪的设计与实现.pdf

一 6 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年 第 4 2卷 第 l 1 期 ●钻井技术与装备 高精 度液压管钳扭矩标定仪 的设计 与实现 窦益华 于 晓 张福祥 杨 向同 1 ．西安石油大学2 ．中国石油塔里木油田分公司 摘要 为 了解决扭矩控制记录装置存在的扭矩标定及扭矩控制误差过大的问题，研制 了一种 液压管钳扭矩标定仪。介绍 了液压管钳标定仪 的硬件和软件设计。所设计 的信号调理 电路在采样 电阻和 A ／ D转换 电路之 间，增加 了由超高精度、超低失调 电压 的运算放大器 0 P A 2 3 6 4构成的电 压跟随缓冲电路 ，不但降低 了信号的失真，还可以降低运算放大器 的失调电压对测量精度 的影响。 设计 了高精度的 A ／ D基准电压 ，为 系统的测量提供 了精确的基准。软件上设 计 了分段标定 算法， 减小 了偶然误差对标定的影响。经 国家扭矩检测 一级计量站检定，液压管钳扭矩标定仪 的示值精 度为 0 ． 2 ％ ，达到 了国家一级计量标准。 关键词液压管钳 ；扭矩标定仪 ；数据采集；基准 电压；分段标定 中图分类号T E 9 2 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 0 2 De s i g n a n d Re a l i z a t i o n o f a Hi g h- pr e c i s i o n To r q ue Ca l i br a t i o n I n s t r u m e n t f o r Hy dr a ul i c To n g s Do u Yi hu a Yu Xi a o Zh a n g Fu x i a n g Ya n g Xi a ng t o n g 1 ． X i ’ a n S h i y o u U n i v e r s i t y ；2 ． P e t r o C h i n a T a r i m O i lfi e l d C o m p a n y Ab s t r a c t T o a d d r e s s t h e b i g c a l i b r a t i o n a n d c o n t r o l e r r o r s o f t o r q u e c o n t r o l d e v i c e s ，a t o r q u e c a l i b r a t i o n i n s t r u me n t f o r h y d r a u l i c t o n g s wa s d e v e l o p e d ． Th e ha r d wa r e a n d s o f t wa r e d e s i g n o f t h e i n s t r u me n t i s pr e s e n t e d i n t h e p a p e r ． A v o l t a g e fol l o we r b u f f e r c i r c u i t c o n s i s t e d o f u l t r a h i g h p r e c i s i o n l o w o f f s e t v o l t a g e o p e r a t i o n a l a mp l i fi e r s 0PA23 6 4 i s a d d e d b e t we e n s a mpl i ng r e s i s t a n c e a n d A／D c o n v e r s i o n c i r c ui t ， wh i c h c a n r e d uc e no t o n l y s i g na l d i s t o r t i o n， bu t a l s o t h e e f f e c t o f o f f s e t v o l t a g e o p e r a t i o n a l a mp l i f i e r o n me a s u r e me n t a c c ur a c y ． A／D r e f e r e n c e v o l t a g e wi t h h i g h p r e c i s i o n i s a l s o de s i g ne d，wh i c h c a n p r o v i d e a c c u r a t e r e f e r e n c e f o r s y s t e m me a s u r e me n t ．S u b s e c t i o n e a l i b r a t i o n a l g o r i t h m i s us e d i n t h e s o f t wa r e， wh i c h c a n r e d u c e t h e e f f e c t o f a c c i d e n t a l e r r o r o n c a l i br a t i o n ． Th e i n s t r u me n t i s t e s t e d b y Na t i o na l To r q u e De t e c t i o n T o p Le v e l Me t r o l o g y S t a t i o n， wi t h i t s i n d i c a t i o n p r e c i s i o n u p t o 0 ． 2％ ， w h i c h c a n me e t t h e t o p l e v e l o f t h e n a t i o n a l s t a n d a r d s o f me a s u r e me n t ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c t o ng； t o r q ue c a l i b r a t i o n i n s t r u me n t ； d a t a c o l l e c t i o n； r e f e r e n c e v o l t a g e； s u b s e c t i o n c a l i b r a t i o n 0 引 言 油田现场广泛使用的各类拧扣机、液压动力大 钳等设备在上扣时须严格控制上扣扭矩 ，以防过载 损坏油、套管螺纹。 目前已有专门的扭矩控制记录 装置使用在这些场合 。这些扭矩控制记录装置 的测量是否准确直接影响着上扣质量 ，为此 ，需要 有专门的扭矩检测标定装置 ，用于标定扭矩控制记 录装置 ，解决扭矩标 定和扭矩控 制误差过 大的 问 题 。基于此 ，笔者研制了液压管钳扭矩标定仪 。 液压 管钳扭矩标定仪 由电阻应 变式扭矩传感 器 、扭力杆、显示 仪表及 配套计算 机测 量软件 等相关附件组成 。传感器和扭力杆组成扭矩传感机 基金项目国家科技重大专项 “ 超深超高压气井油套管柱安全评价与控制技术研究” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 4 6 0 3 0 7 。 一 8一 石 油机械 2 0 1 4年第4 2卷第 1 1期 制输入信号的幅度 ，保护后级电路 ，为后级电路安 全、可 靠 工 作 提 供 了有 力 保 障。I J5 、L 7 、C 1 0 、 R 3 1 、C 8组成信号的低通滤波电路 ，低通滤波电路 可以有效地滤除有用信号中的纹波干扰，减小测量 值的波动 ，提高测量的稳定性 。 考虑到采样电阻对 A ／ D转换 电路输入阻抗的 影响，进而影响测量精度 的问题 ，信号调理 电路在 采样电阻和 A ／ D转换电路 之间 ，增加 了由超高精 度、超低失调 电压 的运算放大器 0 P A 2 3 6 4构成的 电压跟 随缓 冲电路 ，电压跟 随电路 具有高输入 电 阻 、低输 出电阻的特点 ，能减少因输入阻抗不匹配 而导致测量精度下降的现象 。同时考虑到实际运算 放大器的失调 电压不可能为 0的情况 ，仪表 的电压 跟随缓冲电路没有使用传统的单端缓 冲电路结构 ， 在 A ／ D转换 电路的输入高端 和输入低端均增加 由 0 P A 2 3 6 4构成 的电压跟随 电路 ，由于 2个 运算放 大器封装在同一个基片内，温度系数和失调 电压基 本一致 ，这样 2个运算放大器的输出相互抵消，对 测量精度不影响，这种电路不但可以减少信号的失 真，还可以降低运算放大器失调电压对测量精度的 影响 ，是提高系统测量精度的重要手段 。 1 ． 2 A ／ D转换电路设计 A ／ D转换电路是将传感器输出的模拟电压信 号转换为微处理器能够识别的数字信号 ，以供微处 理器处理 。A ／ D转换电路选用 T I 公司的高精度 1 6 位串行 A ／ D转换芯片 A D S 8 3 2 5 。该芯片线性度高 、 噪声低 ，A D S 8 3 2 5采样速率达 1 0 0 k Hz ，完全满足 系统要求。仪表 开机上 电后 ，微 处理器根据 A ／ D 转换器发出控制指令 ，A D S 8 3 2 5将传感器输出的模 拟信号进行转化后输入微 处理器。A ／ D转换 电路 如 图 3所 示 图 3 A ／D转 换 电路 F i g ． 3 A／D c o n v e r t e r c i r c ui t 1 ． 3 微处理器 电路设计 微处理器 电路 以单片机为核心 ，其主要功能是 完成测量数据采集处理 、设置和校准数据 、处理保 存 、报警状态 以及通信控制等 。微处理单元 以 A T ． me 1 公司的 A T m e g a l 6单片机为核心 j ，其 电路如 图 4所 示 图 4微 处理 器 电路 设 计 Fi g ． 4 De s i g n o f mi c r o p r o c e s s o r c i r c u i t A T me g a 1 6单片机为 A T me l 公司生产的 A V R系 列单片机中性能较好 的处理器 ，其运算速度快 ，指 令 的吞 吐量 大 1 6 MI P S 。A T me g a l 6单片 机除 了 自带的 1 6 k b i t 可编程 F l a s h外 ，还有 5 1 2 b i t 的 E E - P R O M，因此 A T me g a 1 6单 片机 可 以不 采 用 片外 E E P R O M，即可完成 系统设 置 的相 关参 数保 存功 能。A T m e g a 1 6单片机的 3 2个可 编程双 向 1 0端 口 分别被用于数据采集 、报警控制 、显示控制 、通信 控制和键盘管理等。 2 显示仪表分段标定算法设计 考虑到扭矩传感器线性度不足 ，液压管钳扭 矩 标定仪采用分段标定 ，可降低 因传感器输 出信号线 性度不足对测量精度的影响。每段的标定均采用最 小二乘法 ，减小了偶然误差对标定的影响。对于量 程 2 0 0 0 0 Nm 的仪表 而言 ，根 据传感器 的线 性