一種適合測卡儀傳感器高精度測量的檢定裝置

馬明云

（中國電子科技集團公司 第二十二研究所，河南新鄉(xiāng)453003）

0 引言

在鉆修井卡鉆事故處理中廣泛使用一種數(shù)字型卡點測量儀，簡稱測卡儀。一般測卡儀包括依次連接的磁定位、加重桿、伸縮桿、振蕩器、上彈簧錨、傳感器、下彈簧錨和引鞋。在測卡過程中，通過給管柱施加外力導(dǎo)致管柱產(chǎn)生微小變形，可引起上、下彈簧錨之間產(chǎn)生相對位移，由于上、下兩個彈簧錨之間有傳感器并存在一段距離，故上、下彈簧錨之間所產(chǎn)生的管柱變形信號就存在微小差異，該微小差異通過傳感器和振蕩器傳遞到地面儀器，根據(jù)地面儀器表盤指針的轉(zhuǎn)動角度，來反映該彈簧錨處以上管柱有沒有被卡[1]。

在沒有現(xiàn)場條件的情況下，如何檢定測卡儀傳感器是否具有足夠的測量精度是急需解決的問題。

1 檢定對象

1.1 傳感器組成

如圖1所示，傳感器短節(jié)主要由上下接頭、單芯承壓密封塞、振蕩感應(yīng)線圈部分、主動軸、磁性桿、平衡膠套、注油閥及輔助部件等組成[2]。傳感器上接頭后端裝有單芯承壓密封塞，上下接頭之間的空腔部分充滿硅油，既可平衡外部壓力，又可潤滑傳動部分的零部件；下接頭上端安裝平衡膠囊來進行內(nèi)外壓力的平衡；磁性桿下端通過離合器等與主動軸相連，主動軸下端通過螺紋與下接頭連接；在管柱產(chǎn)生軸向微變形或圓周方向微扭轉(zhuǎn)變形時，下接頭可帶動主動軸進行相對于傳感器上端部分的軸向微位移或圓周方向微扭轉(zhuǎn)，從而帶動磁性桿切割感應(yīng)線圈產(chǎn)生電感信號的變化，同時平衡膠囊可以少量壓縮、拉伸及旋轉(zhuǎn)。注油閥兼有限制主動桿旋轉(zhuǎn)角度的功能。

1.2 傳感器工作過程

圖1 傳感器示意圖

傳感器短節(jié)位于上彈簧錨和下彈簧錨之間，用于將上、下彈簧錨之間的井下管具的變形（拉伸、壓縮或扭轉(zhuǎn)）信號傳送到地面。在采用提拉管柱的方法測卡點時，位于上、下彈簧錨之間的管柱會產(chǎn)生一個軸線上的微變形，在上、下彈簧錨抓緊管柱的情況下，該微變形就會促使傳感器下接頭帶動主動軸產(chǎn)生相對于傳感器上端部分的軸向微小位移，而該位移最終體現(xiàn)在主動軸帶動的磁性桿上，從而使磁性桿切割線圈產(chǎn)生電感信號的變化，要求傳感器測量精度為被卡管柱1.5 m范圍內(nèi)壓縮或拉伸0.025 mm的變形量可被檢測；在采用轉(zhuǎn)動管柱的方法測卡點時，位于上、下彈簧錨之間的管柱會產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)變形，上、下彈簧錨會隨著管柱的扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生圓周方向微扭轉(zhuǎn)，從而使夾在上、下彈簧錨之間的傳感器下接頭帶動主動軸產(chǎn)生相對于傳感器上端部分的微小扭轉(zhuǎn)位移，同樣，該圓周方向微扭轉(zhuǎn)最終會體現(xiàn)在主動軸帶動的磁性桿上，從而引起振蕩感應(yīng)線圈部分產(chǎn)生電感信號的變化，要求傳感器測量精度為被卡管柱1.5 m范圍內(nèi)被扭轉(zhuǎn)0.5°的變形量可被檢測。

2 檢定裝置

傳感器檢定裝置主要由底座、2個小支架、轉(zhuǎn)接頭、軸承軸組件、主動軸、壓緊彈簧、支撐架、主螺母、刻度盤及游標(biāo)盤等組成，如圖2所示。2個小支架與支撐架沿著底座長度方向依次固定在底座上；游標(biāo)盤固定在支撐架左側(cè)，主螺母從右側(cè)套入支撐架，主動軸右側(cè)依次裝入彈簧、刻度盤，并穿過游標(biāo)盤與主螺母連接；軸承軸組件右側(cè)通過M4螺釘與主動軸連接，左側(cè)通過定位環(huán)（如圖4）與轉(zhuǎn)接頭連接。將傳感器固定在兩個小支架上，傳感器下接頭與轉(zhuǎn)接頭連接。在主動軸右端轉(zhuǎn)動主動軸，即可通過軸承軸組件、轉(zhuǎn)接頭，帶動傳感器下接頭做相應(yīng)運動，從而可對傳感器精度進行檢定。

圖2 傳感器檢定裝置總體結(jié)構(gòu)

傳感器檢定裝置主要有以下特點：1）結(jié)構(gòu)簡單、可用于實現(xiàn)傳感器在軸向上受拉或受壓的高精度位移檢定；2）操作簡單易實現(xiàn)，調(diào)整部分零件，可實現(xiàn)傳感器有微扭轉(zhuǎn)時的角度檢定。

2.1 拉壓檢定

用于傳感器軸向拉伸或壓縮時的高精度線位移檢定時，該檢定裝置的配置如圖2所示，主要由底座、2個小支架、支撐架、轉(zhuǎn)接頭、軸承軸組件、主動軸、壓緊彈簧、主螺母、刻度盤、游標(biāo)盤及若干螺釘組成。

如圖3所示，工作時，用喉箍等（圖上未顯示）將傳感器固定在小支架上，保證傳感器和小支架不會發(fā)生相對移動，此時傳感器下接頭右端與檢測裝置轉(zhuǎn)接頭左端固定在一起。

如圖4所示，軸承軸組件主要由軸承軸、雙向平面推力軸承、連接軸、定位環(huán)及大小軸套組成。雙向平面推力軸承套在軸承軸上，用來傳遞傳感器檢定設(shè)備對傳感器進行拉伸或壓縮時的軸向負荷，并且相應(yīng)地卸掉了圓周方向的負荷；大小軸套與雙向平面推力軸承配套使用；軸承軸組件右端的連接軸與主動軸通過M4螺釘固定連接；軸承軸組件通過定位環(huán)上的螺紋連接在轉(zhuǎn)接頭上，保證主動軸向右側(cè)移動時，轉(zhuǎn)接頭可帶動傳感器下接頭作與主動軸軸向位移相同的運動。壓緊彈簧保證了刻度盤與游標(biāo)盤的緊密接觸，使得讀數(shù)更為準(zhǔn)確?？潭缺P上相鄰兩線所對中心角為1°，共360根刻線；游標(biāo)盤上相鄰兩線所對中心角為59′，共121根刻度線；主動軸與主螺母配合螺紋采用M30×1螺紋，螺距為1 mm，在主動軸右側(cè)轉(zhuǎn)動主動軸，在游標(biāo)盤與刻度盤相對旋轉(zhuǎn)9°時，主動軸相對主螺母軸線方向位移為0.025 mm。如圖2所示，主螺母通過4個M4螺釘固定在支撐架上。在使用時，順時針或逆時針轉(zhuǎn)動主動軸右端，使得刻度盤與游標(biāo)盤相對旋轉(zhuǎn)9°，即可檢定傳感器所測受拉伸或壓縮0.025 mm位移的正確性。

圖3 傳感器檢定裝置工作圖

圖4 軸承軸組件

2.2 扭轉(zhuǎn)檢定

在使用傳感器檢定裝置檢定傳感器所檢測扭轉(zhuǎn)角度的正確性時，需要先將圖4所示的軸承軸組件更換為圖5所示的旋轉(zhuǎn)檢定用軸，該旋轉(zhuǎn)檢定用軸兼有軸承軸組件上定位環(huán)和連接軸的作用，右端與主動軸通過M4螺釘固定連接，左端通過其上的螺紋與轉(zhuǎn)接頭相連；并將圖2所示的往支撐架上固定主螺母的4個M4螺釘去掉，此時主螺母外圓可在支撐架內(nèi)孔相對轉(zhuǎn)動；主螺母內(nèi)部與主動軸外側(cè)仍然通過螺紋連接，相當(dāng)于兩者固定在一起。以刻度盤與游標(biāo)盤上的已經(jīng)對齊的刻度作為初始對齊刻度，輕微轉(zhuǎn)動主動軸右端，使得刻度盤與游標(biāo)盤上新的對齊刻度與初始對齊刻度相差30個刻度，即相當(dāng)于圓周方向上主動軸和刻度盤相對于游標(biāo)盤旋轉(zhuǎn)0.5°，可對傳感器有微扭轉(zhuǎn)的檢測效果進行檢定。

圖5 旋轉(zhuǎn)檢定用軸

3 結(jié)論

該傳感器檢定裝置能夠在實驗室環(huán)境下，為傳感器提供一個精確的軸向微位移，操作簡單方便易實現(xiàn)；能夠給傳感器提供一個精確的圓周方向微扭轉(zhuǎn)；通過整合設(shè)計，在同一套整件上，通過更換個別零部件，實現(xiàn)了傳感器軸向微位移檢定功能與圓周方向微扭轉(zhuǎn)檢定功能的快速切換，結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)，降低了成本，降低了操作的復(fù)雜度。