卡光桿綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化探討

孫思源

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163513)

0 引 言

低壓測(cè)試儀油田用于測(cè)試功圖、液面深度、套壓等參數(shù)，主要判斷泵效、了解地層壓力，其校準(zhǔn)質(zhì)量直接影響測(cè)試結(jié)果。目前低壓測(cè)試儀有綜合測(cè)試儀、液面監(jiān)測(cè)儀、示功儀[1]等。隨著科技的發(fā)展，示功儀已經(jīng)被綜合測(cè)試儀替代。綜合測(cè)試儀正朝著無線傳輸、間接測(cè)量的方向發(fā)展，載荷采用測(cè)量抽油桿形變量代替壓載式，位移采用測(cè)量加速度測(cè)量位移代替拉線式[2]。低壓測(cè)試儀型號(hào)和功能不斷地推陳出新，給校準(zhǔn)工作的標(biāo)準(zhǔn)化提出了更高的要求[3-4]?，F(xiàn)行的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7080-2016《抽油機(jī)井綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)方法》，在針對(duì)卡光桿綜合測(cè)試儀的特殊校準(zhǔn)方法下的標(biāo)準(zhǔn)化操作還存在很多模糊和需要討論的地方，仍然沿用了SY/T 6678-2007《電子示功儀校準(zhǔn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中壓載拉線式綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)方法，需要改進(jìn)。

1 卡光桿綜合測(cè)試儀的校準(zhǔn)方法標(biāo)準(zhǔn)化

卡光桿綜合測(cè)試儀的技術(shù)要求主要體現(xiàn)在：準(zhǔn)確度等級(jí)、示外觀檢查、振動(dòng)和沖擊檢查、載荷零點(diǎn)、滿量程穩(wěn)定性和鑒別力的檢查、示值校準(zhǔn)。

現(xiàn)行使用標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 7080-2016《抽油機(jī)井綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)方法》，2016年1月7日發(fā)布，2016年6月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)啟用后的抽油機(jī)井綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)工作中的技術(shù)要求和數(shù)據(jù)處理方法提出了要求，并未針對(duì)現(xiàn)行儀器的具體校準(zhǔn)方法和流程建立標(biāo)準(zhǔn)化要求。在此，針對(duì)從儀器交接到檢定證書出具的各項(xiàng)環(huán)節(jié)提出標(biāo)準(zhǔn)化的討論意見。

1.1 卡光桿載荷零點(diǎn)穩(wěn)定性校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化建議

SY/T 6678-2000《電子示功儀校準(zhǔn)方法》和SY/T 7080-2016《抽油機(jī)井綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)方法》中對(duì)載荷零點(diǎn)偏移和零點(diǎn)漂移校準(zhǔn)都是針對(duì)壓載拉線式綜合測(cè)試儀制定的，但是對(duì)于卡光桿加速度式綜合測(cè)試儀載荷零點(diǎn)校準(zhǔn)不適應(yīng)。首先，由于卡光桿綜合測(cè)試儀測(cè)試原理和標(biāo)定方程模型AD差值變化量對(duì)應(yīng)是載荷差值變化量的比值，這樣的測(cè)量方法無法形成如壓載綜合測(cè)試儀空載時(shí)的絕對(duì)零值，載荷校準(zhǔn)單元如圖1所示。所以卡光桿綜合測(cè)試儀安裝在圖1中抽油桿組件的位置進(jìn)行載荷校準(zhǔn)，壓載綜合測(cè)試安裝在圖1中壓頭、壓腳的位置進(jìn)行載荷校準(zhǔn)。其次，區(qū)別于原始?jí)狠d拉線式測(cè)試儀的完全無載荷值的零點(diǎn)采集，在進(jìn)行零點(diǎn)檢查時(shí)，卡光桿綜合測(cè)試儀的載荷零點(diǎn)是一個(gè)相對(duì)的量。固定儀器標(biāo)準(zhǔn)的松緊度是一個(gè)區(qū)間而不是一個(gè)值，導(dǎo)致每一次安裝儀器時(shí)，卡光桿綜合測(cè)試儀都存在一個(gè)初值且初值可變。

因此，卡光桿加速度式綜合測(cè)試儀載荷絕對(duì)零點(diǎn)檢是無法實(shí)現(xiàn)的。如果要求對(duì)零點(diǎn)示值偏移和漂移校準(zhǔn)，在給定一載荷值進(jìn)行測(cè)試，如20 kN之前記錄零點(diǎn)對(duì)應(yīng)工程值。觀察儀器的響應(yīng)數(shù)值，按零點(diǎn)漂移和零點(diǎn)偏移的計(jì)算方法時(shí)，必須扣除之前記錄的工程值，從而來判斷儀器的穩(wěn)定性是否合格。如對(duì)相對(duì)零點(diǎn)漂移有較高的要求，可以嘗試在儀器檢定下使用載荷檢定程序，采集初值之后觀察并記錄相對(duì)AD初值的實(shí)測(cè)AD值以及載荷值的變化量，將數(shù)值填入檢定軟件中進(jìn)行精度計(jì)算。

由此看出，卡光桿綜合測(cè)試儀載荷示值、零點(diǎn)偏移、零點(diǎn)漂移校準(zhǔn)必須進(jìn)零點(diǎn)修正。

圖1 載荷校準(zhǔn)單元

1.2 載荷示值校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化建議

卡光桿加速度綜合測(cè)試儀載荷校準(zhǔn)?？ü鈼U綜合測(cè)試儀載荷并不能按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7080-2016所述進(jìn)行選點(diǎn)標(biāo)定，不能按照壓載拉線式載荷標(biāo)定辦法進(jìn)行標(biāo)定。

卡光桿綜合測(cè)試儀的校準(zhǔn)工作，由于其原理限制，對(duì)于零點(diǎn)的采集是不準(zhǔn)確的。同時(shí)由于傳感器位卡光桿的位置、松緊、光桿外徑、光桿材料性質(zhì)的影響，同一載荷下，不同循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)光桿被壓縮或拉伸，卡光桿傳感器輸出的量值不同。因此，標(biāo)定時(shí)并不以零點(diǎn)為起始點(diǎn)，在儀器固定之后需要讀取儀器初值，從而檢定零點(diǎn)漂移和零點(diǎn)偏移。對(duì)于其他標(biāo)定點(diǎn)，卡光桿綜合測(cè)試儀的不同儀器廠家采用一定范圍內(nèi)兩點(diǎn)三循環(huán)拉伸標(biāo)定。

1)GY-GSG-100

GY-GSG-100型儀器在標(biāo)定時(shí)，采用兩點(diǎn)標(biāo)定，一般的標(biāo)定區(qū)間是10 kN和130 kN。進(jìn)行三次拉伸標(biāo)定，確定每千牛導(dǎo)致的傳感器數(shù)值變化的平均值進(jìn)而標(biāo)定儀器。儀器標(biāo)定范圍10～130 kN，檢定范圍0～100 kN五點(diǎn)三循環(huán)計(jì)算誤差值。

2)HYKJ

HYKJ型儀器在標(biāo)定時(shí)，第一步是寫入初值，基本可以避免零點(diǎn)誤差。采用兩點(diǎn)拉伸標(biāo)定進(jìn)行載荷校正，一般的標(biāo)定區(qū)間是50 kN和100 kN。僅進(jìn)行一次采值計(jì)入標(biāo)定方程。儀器標(biāo)定范圍50～100 kN，檢定范圍0～100 kN五點(diǎn)三循環(huán)計(jì)算誤差值。

3)GTP-S200

GTP-S200型儀器在標(biāo)定時(shí)，采用兩點(diǎn)拉伸標(biāo)定進(jìn)行載荷校正，一般的標(biāo)定區(qū)間是20 kN和40 kN。僅進(jìn)行一次采值計(jì)入標(biāo)定方程。儀器標(biāo)定范圍20～40 kN，檢定范圍0～100 kN五點(diǎn)三循環(huán)計(jì)算誤差值。

通過對(duì)以上三種卡光桿綜合測(cè)試儀載荷標(biāo)定不同于壓載拉線式綜合測(cè)試儀載荷標(biāo)定，壓載式載荷標(biāo)定生成的數(shù)學(xué)公式是一次直線方程，標(biāo)準(zhǔn)載荷一一對(duì)應(yīng)的儀器響應(yīng)值，而卡光桿載荷標(biāo)定方法為——兩點(diǎn)拉伸標(biāo)定，數(shù)據(jù)處理采用做差再相除的辦法，即儀器對(duì)應(yīng)AD值之差與標(biāo)準(zhǔn)值之差的商是一個(gè)常數(shù)，生成的方程是改進(jìn)的正比例函數(shù)。所以最新標(biāo)準(zhǔn)必須規(guī)定卡光加速度式綜合測(cè)試載荷校準(zhǔn)(標(biāo)定、檢定)方式、選點(diǎn)范圍。

1.3 卡光桿綜合測(cè)試儀回程數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化建議

同樣，卡光桿綜合測(cè)試儀載荷檢定的數(shù)據(jù)也不同于壓載式載荷檢定數(shù)據(jù)的處理方法。由于卡光桿綜合測(cè)試儀的原理是測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)桿在拉伸和壓縮過程中的微小形變，其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)桿拉伸和壓縮兩種受力情況下的彈性系數(shù)的一致性要求很高。在日常檢定的過程中，經(jīng)常遇到的一種情況是：標(biāo)定方程形成后，遞增的拉伸過程檢定數(shù)值誤差很小，但在反向量程數(shù)值遞減的過程中，出現(xiàn)檢定數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值差距很大的情況，從表1可知，最大誤差為6.81%，大于最大允許誤差3%，載荷示值校準(zhǔn)不合格。

由表2中的數(shù)據(jù)能夠明顯的看出在加載和減載的過程中，儀器測(cè)得的相對(duì)零值是隨著儀器加減載過程發(fā)生變化的，由最初狀態(tài)下的0.73向5.17變化，金屬標(biāo)準(zhǔn)桿的拉伸和壓縮形變存在的弛豫性導(dǎo)致相應(yīng)示值標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的檢定數(shù)據(jù)存在與零值幾乎相符合的數(shù)值變化。在標(biāo)定過程中，寫入儀器標(biāo)定方程的單位千牛變化量基本保持穩(wěn)定，如果將零值變化量導(dǎo)致的行程數(shù)值變化進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算的話將得到表2數(shù)據(jù)，通過零點(diǎn)初值修正最大誤差為3.48%，但仍大于最大允許誤差3%。

表1 載荷校準(zhǔn)(檢定)數(shù)據(jù)一

表2 零點(diǎn)數(shù)據(jù)補(bǔ)償運(yùn)算載荷校準(zhǔn)(檢定)數(shù)據(jù)二

零點(diǎn)補(bǔ)償后，在更換加載方向的初始循環(huán)會(huì)出現(xiàn)由于金屬拉伸弛豫性導(dǎo)致的檢定數(shù)據(jù)超差，針對(duì)這些數(shù)據(jù)做補(bǔ)償運(yùn)算得到表3數(shù)據(jù)，最大誤差為1.64%，小于最大允許誤差3%，載荷示值校準(zhǔn)合格。

表3 弛豫性質(zhì)補(bǔ)償運(yùn)算載荷校準(zhǔn)(檢定)數(shù)據(jù)三

因此，SY/T 7080-2016《抽油機(jī)井綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中必須對(duì)卡光桿綜合測(cè)試載荷檢定的數(shù)據(jù)處理做出規(guī)定，零點(diǎn)和馳豫性補(bǔ)償。

1.4 卡光桿位移校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化建議

卡光桿式無線功圖傳感器是采用加速度傳感器測(cè)量位移，而不是用物理拉線測(cè)位移，所以無法使用老式檢定裝置對(duì)其位移精度進(jìn)行標(biāo)校。目前采用位移輔助校準(zhǔn)單元判斷加速度傳感器的好壞(見圖2)，用位移校準(zhǔn)單元進(jìn)行檢定(見圖3)，但是由于各地加速度差異特別小，標(biāo)定的意義有待討論。

什么是校準(zhǔn)？通過查閱資料，從標(biāo)準(zhǔn)JJF1001-1998到JJF1001-2011[5]，JJF1001-2011對(duì)校準(zhǔn)的定義更為全面細(xì)化，含意更為嚴(yán)格和廣義。與2007年發(fā)布的《國(guó)際計(jì)量學(xué)詞匯-基礎(chǔ)通用的概念和相關(guān)術(shù)語》﹙VIM第3版﹚相一致。標(biāo)準(zhǔn)JJF1001-1998的第8.11條對(duì)校準(zhǔn)的定義為：“在規(guī)定條件下,為確定測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)所指示的量值，或?qū)嵨锪烤呋騾⒖嘉镔|(zhì)所代表的量值，與所對(duì)應(yīng)的由標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的量值之間關(guān)系的一組操作”。但在標(biāo)準(zhǔn)JJF1001-2012第4.10條校準(zhǔn)被定義為：“在規(guī)定條件下,為確定計(jì)量器具示值誤差的一組操作。其第一步是確定由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值與相應(yīng)示值之間的關(guān)系，第二步則是用此信息確定由示值獲得測(cè)量結(jié)果的關(guān)系，這里測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值與相應(yīng)示值都具有測(cè)量不確定度”?？梢岳斫鉃榈谝徊角罂潭确匠袒蛳鄳?yīng)函數(shù)(公式)；第二步驗(yàn)證第一步所求刻度的準(zhǔn)確度，即誤差。也可以理解為第一步為標(biāo)定，第二步為檢定。但實(shí)際絕大多數(shù)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)中，只涉及了第二步。雖然加速度傳感器輸出值是一個(gè)常數(shù)，只有緯度發(fā)生很大變化，加速度才變化。作為標(biāo)準(zhǔn)沒有第一步，至少是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。理由?條：理由1，通過標(biāo)定首先可以判斷加速度傳感器的好壞，否則檢定是徒勞的；理由2，可以加深加速度位移公式的理解，起碼至少可以知道加速度位移公式是加速度對(duì)時(shí)間的積分函數(shù)；理由3，通過標(biāo)定可以評(píng)價(jià)加速度傳感器穩(wěn)定性。因此有必要對(duì)加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。如圖2所示。使用標(biāo)準(zhǔn)塊和平臺(tái)對(duì)加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)加速度傳感器水平放置和垂直放置時(shí)，其輸出的加速度信號(hào)即為該傳感器的量程范圍。在校平后的水平臺(tái)上放置標(biāo)準(zhǔn)角度塊，使傳感器呈0、 30、45、60、90°放置，那么傳感器0、30、45、60°放置的輸出值與90°放置的輸出值的比值依次sin0°、sin30°、sin45°、sin60°，否則損壞。如果加速度傳感器沒有問題，則可以開始位移標(biāo)定(求出加速度傳感器平均直流分量)和位移校準(zhǔn)，位移校準(zhǔn)單元如圖3所示。

圖2 位移輔助校準(zhǔn)單元

因此SY/T 7080-2016《抽油機(jī)井綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)方法》標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)規(guī)定校準(zhǔn)需要完成步驟(標(biāo)定、檢定)及設(shè)點(diǎn)、循環(huán)次數(shù)等。

圖3 位移校準(zhǔn)單元

2 結(jié) 論

1)卡光桿綜合測(cè)試儀載荷零點(diǎn)存在初值，需在零點(diǎn)偏移、零點(diǎn)漂移、載荷示值校準(zhǔn)扣除零點(diǎn)初值后計(jì)算。

2)卡光桿綜合測(cè)試儀載荷校準(zhǔn)需建立合理的標(biāo)定范圍，統(tǒng)一標(biāo)定點(diǎn)選定、檢定范圍、循環(huán)次數(shù)。對(duì)儀器生產(chǎn)制造和校準(zhǔn)使用形成具有標(biāo)準(zhǔn)化的有效約束力。

3)卡光桿綜合測(cè)試儀載荷校準(zhǔn)數(shù)據(jù)需進(jìn)行相應(yīng)的零點(diǎn)和弛豫性補(bǔ)償計(jì)算后，進(jìn)行校準(zhǔn)(標(biāo)定)結(jié)果的判斷。

4)位移校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)規(guī)定校準(zhǔn)需要完成步驟(標(biāo)定、檢定)及設(shè)點(diǎn)、循環(huán)次數(shù)等。