一种动力钳扭矩监控系统论文和设计-孟敏

全文摘要

一种动力钳扭矩监控系统，当作业环境复杂、灵活多变时，其可对动力钳的扭矩进行实时监测，减少上扣扭矩偏差，避免作业失败或管具、钻井脱扣等安全事故的发生，可大大提高作业效率，保护设备不被损坏，其包括安装于动力钳的丝扣上安装有拉力传感器、脉冲传感器和安装于液压驱动机构的液压管路上的溢流阀，拉力传感器、脉冲传感器与扭矩仪表连接，扭矩仪表内安装有模数转换器AD，扭矩仪表通过无线通讯与溢流阀控制器连接，溢流阀控制器通过第一连接电路与溢流阀电连接，溢流阀控制器通过第二连接电路与报警装置连接，溢流阀控制器包括CPU控制器U1，扭矩仪表内还设置有CPU控制器U2。

主设计要求

1.一种动力钳扭矩监控系统，其包括安装于动力钳的丝扣上安装有拉力传感器、脉冲传感器和安装于液压驱动机构的液压管路上的溢流阀，其特征在于，所述拉力传感器、脉冲传感器与扭矩仪表连接，所述扭矩仪表内安装有模数转换器AD，所述扭矩仪表通过无线通讯与溢流控制器连接，所述溢流阀控制器通过第一连接电路与所述溢流阀电连接，所述溢流阀控制器通过第二连接电路与报警装置连接，所述溢流阀控制器包括CPU控制器U1，所述扭矩仪表内还设置有CPU控制器U2。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种动力钳扭矩监控系统，其特征在于，所述CPU控制器U1的型号为STC8A8K32，所述第一连接电路包括电阻R23，所述电阻R23的一端连接所述CPU控制器U1的P3.2管脚，所述电阻R23的另一端连接三极管T1的发射极，所述三极管T1的集电极接地，所述三极管T1的基极分别连接二极管D7的阳极、继电器K1的线圈的一端，所述继电器K1的线圈额另一端连接所述二极管D7的阴极、12V电压源，所述继电器K1的常闭触点一连接24V电压源，所述继电器K1的常开触点二、三分别连接连接器CN3的1、2端口，所述连接器CN3的3端口接地，所述连接器CN3用于连接所述溢流阀；所述第二连接电路包括电阻R22，所述电阻R22的一端连接所述CPU控制器U1的P2.7管脚，所述电阻R22的另一端连接三极管T2的发射极，所述三极管T2的集电极接地，所述三极管T2的基极分别连接二极管D8的阳极、继电器K2的线圈的一端，所述继电器K2的线圈的另一端连接所述12V电压源，所述继电器K2的常闭触点一连接24V电压源，所述继电器K2的常开触点二、三分别连接连接器CN4的1、2端口，所述连接器CN4用于连接报警装置。

3.根据权利要求2所述的一种动力钳扭矩监控系统，其特征在于，所述报警装置为报警喇叭。

4.根据权利要求1或3任一项所述的一种动力钳扭矩监控系统，其特征在于，所述CPU控制器U2的型号为MSP430F248，所述模数转换器AD的1、2、15、16管脚分别连接所述CPU控制器U2的P1.5、P1.6、P1.7、P2.0管脚，所述模数转换器AD的3、4、5管脚接地，所述模数转换器AD的6、7管脚分别连接电感L4、L3的一端，所述电感L4、L3的另一端分别连接连接器CN6的2、3端口，所述模数转换器AD的8管脚连接所述连接器CN6的1端口，所述连接器CN6的4端口接地；所述模数转换器AD的9管脚连接连接器CN7的1端口，所述模数转换器AD的10、11管脚分别连接电感L1、L2的一端，所述电感L1、L2的另一端分别连接所述连接器CN7的3、2端口，所述连接器CN7的4端口接地，所述连接器CN7的5端口连接12V电压源，所述连接器CN7用于与所述拉力传感器连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及石油钻采设备技术领域，具体为一种动力钳扭矩监控系统。

背景技术

下套管或油管作业是钻井工程中关系到完井作业质量的一项重要工作，目前，常用的下套管和油管作业设备包括动力钳，动力钳是一种利用修井机动力操作的机械上、卸丝扣工具的修井工具，其一般包括主钳、背钳、丝扣、液压驱动机构等结构，使用动力钳在钻井野外作业前，需首先在实验室理想状态下进行套管或油管模拟作业，但是野外作业的作业环境与实验室理想状态的套管或油管模拟作业存在很大差别，野外作业流动性大，现有的动力钳现场作业主要依靠经验作业，由于缺乏相应的监测手段，且作业条件灵活多变，极易导致动力钳丝扣扭矩偏差的问题出现，扭矩过大或过小均易导致作业失败，甚至出现管具、钻具脱扣等安全事故的发生，严重影响作业效率，动力钳丝扣扭矩偏差也可能导致设备损坏的问题出现。因此有必要研制一种动力钳扭矩监控系统。

实用新型内容

针对现有技术中存在的动力钳现场作业时，由于缺乏相应的监测手段、作业条件灵活多变，极易导致动力钳上扣扭矩偏差，扭矩过大或过小均易导致作业失败，甚至出现管具、钻具脱扣等安全事故的发生，严重影响作业效率的问题，本实用新型提供了一种动力钳扭矩监控系统，当作业环境复杂、灵活多变时，其可对动力钳的扭矩进行实时监测，减少上扣扭矩偏差，避免作业失败或管具、钻井脱扣等安全事故的发生，可大大提高作业效率，保护设备不被损坏。

一种动力钳扭矩监控系统，其包括安装于动力钳的丝扣上安装有拉力传感器、脉冲传感器和安装于液压驱动机构的液压管路上的溢流阀，其特征在于，所述拉力传感器、脉冲传感器与扭矩仪表连接，所述扭矩仪表内安装有模数转换器AD，所述扭矩仪表通过无线通讯与溢流控制器连接，所述溢流阀控制器通过第一连接电路与所述溢流阀电连接，所述溢流阀控制器通过第二连接电路与报警装置连接，所述溢流阀控制器包括CPU控制器U1，所述扭矩仪表内还设置有CPU控制器U2。

其进一步特征在于，所述无线通讯为ZigBee低功耗局域网协议；

所述扭矩仪表上设置有ZIGBEE网络接口、USB端口, 所述溢流阀控制器设置有所述ZIGBEE网络接口；

所述CPU控制器U1的型号为STC8A8K32，所述第一连接电路包括电阻R23，所述电阻R23的一端连接所述CPU控制器U1的P3.2管脚，所述电阻R23的另一端连接三极管T1的发射极，所述三极管T1的集电极接地，所述三极管T1的基极分别连接二极管D7的阳极、继电器K1的线圈的一端，所述继电器K1的线圈额另一端连接所述二极管D7的阴极、12V电压源，所述继电器K1的常闭触点一连接24V电压源，所述继电器K1的常开触点二、三分别连接连接器CN3的1、2端口，所述连接器CN3的3端口接地，所述连接器CN3用于连接所述溢流阀；所述第二连接电路包括电阻R22，所述电阻R22的一端连接所述CPU控制器U1的P2.7管脚，所述电阻R22的另一端连接三极管T2的发射极，所述三极管T2的集电极接地，所述三极管T2的基极分别连接二极管D8的阳极、继电器K2的线圈的一端，所述继电器K2的线圈的另一端连接所述12V电压源，所述继电器K2的常闭触点一连接24V电压源，所述继电器K2的常开触点二、三分别连接连接器CN4的1、2端口，所述连接器CN4用于连接报警装置；

所述报警装置为报警喇叭；

所述CPU控制器U2的型号为MSP430F248，所述模数转换器AD的1、2、15、16管脚分别连接所述CPU控制器U2的P1.5、P1.6、P1.7、P2.0管脚，所述模数转换器AD的3、4、5管脚接地，所述模数转换器AD的6、7管脚分别连接电感L4、L3的一端，所述电感L4、L3的另一端分别连接连接器CN6的2、3端口，所述模数转换器AD的8管脚连接所述连接器CN6的1端口，所述连接器CN6的4端口接地；所述模数转换器AD的9管脚连接连接器CN7的1端口，所述模数转换器AD的10、11管脚分别连接电感L1、L2的一端，所述电感L1、L2的另一端分别连接所述连接器CN7的3、2端口，所述连接器CN7的4端口接地，所述连接器CN7的5端口连接12V电压源，所述连接器CN7用于与所述拉力传感器连接；

所述扭矩仪表通过所述无线通讯、USB端口与微处理器连接。

采用本实用新型的上述结构，当作业环境复杂、灵活多变时，通过拉力传感器实时监控动力钳的扭矩转动状况，当动力钳达到预先设定的最佳扭矩后，拉力传感器传递信号给扭矩仪表，扭矩仪表内部的模数转化器AD将拉力传感器的模拟信号转化数字信号，并通过无线通讯将该数字信号传递给溢流阀控制器，溢流阀控制器控制溢流阀打开，从而使液压驱动力消失，停止动力钳继续施力，同时控制报警装置报警提示；通过本监控系统实现了动力钳在最佳扭矩附近停止操作，有效减少了扭矩偏差，避免了作业失败或管具、钻井脱扣等安全事故的发生，大大提高了作业效率，同时起到保护设备的作用。通过脉冲传感器监控动力钳的上扣圈数状况，测量动力钳转动圈数信号，并通过扭矩仪表发信号给溢流阀控制器控制溢流阀的开闭，起到了控制动力钳是否继续施力的作用，同样避免了作业失败或管具、钻井脱扣等安全事故的发生。

附图说明

图1为系统连接框图；

图2为溢流阀通过第一连接电路与CPU控制器U1连接的电路原理图；

图3为报警装置通过第二连接电路与CPU控制器U1连接的电路原理图；

图4为模数转换器AD、拉力传感器与CPU控制器U2连接的电路原理图；

图5为脉冲传感器与CPU控制器U2连接的电路原理图。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种动力钳扭矩监控系统，其包括安装于动力钳的丝扣上安装有拉力传感器1、脉冲传感器2和安装于液压驱动机构的液压管路上的溢流阀3，溢流阀3用于控制动力钳液压，当其关闭时泄压，动力钳不再向管道施力，拉力传感器1、脉冲传感器2与扭矩仪表4连接，扭矩仪表4内安装有模数转换器AD，扭矩仪表4通过无线通讯5与溢流阀控制器7连接，无线通讯5为ZigBee低功耗局域网协议；溢流阀控制器7通过第一连接电路8与溢流阀3电连接，溢流阀控制器7通过第二连接电路9与报警装置10连接，报警装置10为报警喇叭；

溢流阀控制器7包括CPU控制器U1，扭矩仪表4包括CPU控制器U2；CPU控制器U1的型号为STC8A8K32，第一连接电路包括电阻R23，电阻R23的一端连接CPU控制器U1的P3.2管脚，电阻R23的另一端连接三极管T1的发射极，三极管T1的集电极接地，三极管T1的基极分别连接二极管D7的阳极、继电器K1的线圈的一端，继电器K1的线圈额另一端连接二极管D7的阴极、12V电压源，继电器K1的常闭触点一连接24V电压源，继电器K1的常开触点二、三分别连接连接器CN3的1、2端口，连接器CN3的3端口接地，连接器CN3用于连接溢流阀；第二连接电路包括电阻R22，电阻R22的一端连接CPU控制器U1的P2.7管脚，电阻R22的另一端连接三极管T2的发射极，三极管T2的集电极接地，三极管T2的基极分别连接二极管D8的阳极、继电器K2的线圈的一端，继电器K2的线圈的另一端连接12V电压源，继电器K2的常闭触点一连接24V电压源，继电器K2的常开触点二、三分别连接连接器CN4的1、2端口，连接器CN4用于连接报警装置；CPU控制器U2的型号为MSP430F248，模数转换器AD的1、2、15、16管脚分别连接CPU控制器U2的P1.5、P1.6、P1.7、P2.0管脚，模数转换器AD的3、4、5管脚接地，模数转换器AD的6、7管脚分别连接电感L4、L3的一端，电感L4、L3的另一端分别连接连接器CN6的2、3端口，模数转换器AD的8管脚连接连接器CN6的1端口，连接器CN6的4端口接地；模数转换器AD的9管脚连接连接器CN7的1端口，模数转换器AD的10、11管脚分别连接电感L1、L2的一端，电感L1、L2的另一端分别连接连接器CN7的3、2端口，连接器CN7的4端口接地，连接器CN7的5端口连接12V电压源，连接器CN7用于与拉力传感器1连接；

扭矩仪表4上设置有ZIGBEE网络接口、USB端口，ZIGBEE网络接口用于与溢流阀控制器7通过ZigBee无线通讯进行无线传输，USB端口用于数据导出，扭矩仪表4中的信息可通过ZigBee无线通讯传递至溢流阀控制器7，也可通过无线通讯转换器连接到微处理器6，微处理器6也可起到保存扭矩仪表4内的扭矩信息、上扣次数信息，并且具有查询和打印的功能；本实施例中微处理器6为安装于个人计算机或笔记本上的上位机，为现有技术，其支持windows Xp及以上版本的个人计算机操作系统，扭矩仪表4中安装有数据收发装置，通过数据收发装置接收拉力传感器传递的信息或USB串口传递的信息，具有数据采集、显示、保存、查询和打印的功能。

其具体工作原理如下所述：将本实用新型应用在钻杆、套管和油管动力钳等液压石油装备上，通过拉力传感器1测量动力钳在上扣或者下扣时的扭矩，并将扭矩信号传递给扭矩仪表4中的模数转换器AD，通过模数转换器AD将扭矩模拟信号转换为数字信号，扭矩仪表4通过无线通讯5连接到给溢流阀控制器7，溢流阀控制器7根据扭矩仪表4传来的关于扭矩的信息控制溢流阀3的开启和关闭，从而实现动力钳扭矩的监控及控制，当动力钳上力量足够大时，开启液压阀3，同时扭矩仪表6控制报警喇叭进行声音报警提示；通过脉冲传感器2对动力钳的上扣、卸扣圈数进行实时检测，并将上扣圈数信号传递给扭矩仪表4中的CPU，CPU将脉冲信号计算为圈数，扭矩仪表4通过无线通讯5将数字信号传递给微处理器6，扭矩仪表4内部安装有存储器，并将处理后信号进行存储；

一次上扣过程中，若扭矩仪表4检测到扭矩大于最小扭矩而小于设定启动扭矩，则此次上扣失败，仪表不保存本次上扣过程数据信息，当检测到扭矩大于启动扭矩小于或等于设定最佳扭矩后，扭矩仪表4发送命令到溢流阀控制器7，由溢流阀控制器7打开液压阀3泄压，结束本次上扣，并通过脉冲传感器2自动记录本次上扣数据信息，管数自动加一准备下次上扣。

设计图

一种动力钳扭矩监控系统论文和设计

一种动力钳扭矩监控系统论文和设计-孟敏

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主设计要求

设计方案

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