基于LVDT传感器原理的油管接箍检测装置设计

张 达，张洪宝，白玉新，王 恒，邹河彬

(1. 北京精密机电控制设备研究所 北京 100076；2.中石油辽河油田钻采工艺研究院 辽宁 盘锦 124010)

·开发设计·

基于LVDT传感器原理的油管接箍检测装置设计

张 达1，张洪宝2，白玉新1，王 恒1，邹河彬1

(1. 北京精密机电控制设备研究所 北京 100076；2.中石油辽河油田钻采工艺研究院 辽宁 盘锦 124010)

针对带压修井作业时，油管接箍位置准确识别的需求，设计了基于LVDT传感器原理的油管接箍检测装置，在其等效物理模型的基础上，用磁路分析法得到其结构参数与输出信号间的关系。建立了LVDT的等效简化模型，利用Maxwell 2D有限元软件对LVDT模型的输出特性进行了仿真分析，得出了相应的关系曲线，同时对线圈匝数及激励频率等关键参数对输出电压的影响进行了仿真分析。结果表明，LVDT采用非接触式检测方式，可实现较宽范围的油管接箍位置准确检测，与传统方法相比，安装简单、方便，可靠性及效率都得到极大提高。

LVDT传感器；油管接箍检测；仿真分析

0 引 言

带压作业修井机工作时需实时判断油管接箍准确位置，图1为其设备示意图。如图1所示，其具体工作流程为：关闭上半封，开启下半封，待接箍部位通过下半封后，关闭下半封，开启上半封。这一过程对上半封开启时段有严格要求，过早开启油管将会掉落，过迟开启油管将会卡滞在接箍部位，因此必须在准确判断油管接箍位置后才能进行上半封的开启关闭操作。目前井场主要依靠经验丰富的工人来判断油管接箍位置，从而控制上半封动作。这种方法效率和准确度均较低，油管长短的变化也会对工人的判断造成影响，极易出现操作失误。同时，操作过程必须有三个人以上，且都处于8 m以上高空，劳动强度和危险系数极高。基于此，油管接箍位置检测作为带压作业自动化的关键技术，极有必要对其进行研究。

基于LVDT传感器原理的检测装置利用电磁感应原理，通过精确计算、设计将油管接箍在套管中的的位移变化量转化为检测电路的输出电压变化量，并进行适度放大以提高精度，最终实现油管接箍位置的高精度实时测量。

1-对接密封头；2-上半封；3-固定卡瓦；4-上全封；5-放喷器；6-下半封；7-安全半封；8-安全卡瓦；9-安全全封；10-井口 图1 带压修井作业设备示意图

1 LVDT的原理及结构

1.1 LVDT原理

LVDT位移传感器具有工作可靠、输出电压精度高、线性度好、结构简单、使用寿命长、环境适应性强等优点，在许多行业中用作精密位移检测部件[1，3]。理想情况下，其等效电路如图2所示[4]。同一般变压器原理，用交流电源给初级线圈供电，将会产生一个交变磁场。当铁芯处于次级线圈1和次级线圈2中间位置时，二者互感相等，产生的感生电压大小相等，方向相反，输出电压为零；当铁芯偏离中间位置时，次级线圈1和次级线圈2之间的互感发生变化，二者的感生电压不再相等，有电压信号输出，从而实现用输出电压信号反应输入位移量的目的。

图2 LVDT等效电路图

1.2 结构组成

基于LVDT位移传感器的油管接箍检测装置示意结构如图3所示，线圈置于壳体槽内，两次级线圈按电势反向串联，外部采用高温环氧树脂灌封。法兰盘与基座壳体采用双密封结构，满足油管带压作业的需求。两次级线圈间的差值电压经变换电路放大后输出给显示端，通过读取数值即可判断接箍实时位置。

1-法兰盘1；2-次级线圈1；3-壳体；4-初级线圈；5-次级线圈2；6-基座；7-法兰盘2；8-变换电路盒；9-接箍；10-油管 图3 LVDT结构示意图

2 LVDT输出电压分析

考虑到油管接箍的实际外形，结合LVDT的线圈排布，可建立其简化模型如图4所示，由于在检测过程中油管部位与次级线圈1、次级线圈2间匝链磁通始终相等，输出电压信号仅与接箍和次级线圈1、次级线圈2间匝链磁通差值相关，故该模型只考虑接箍与次级线圈耦合部分。

图4 LVDT等效模型

图中，r1为接箍外径；r2为油管外径；R1为线圈内径；R2为线圈外径；n为次级线圈长度；L1为接箍与次级线圈1耦合长度；L2为接箍与次级线圈2耦合长度；ABCD为初级线圈与次级线圈1间的磁通路径；EFGH为初级线圈与次级线圈2间的磁通路径。

由于铁芯采用导磁性材料，其磁导率较大，该处的磁场强度远远小于空气及铜导线部位的磁场强度。分析图2所示的磁通路径，可忽略铁芯处的磁场强度，仅考虑磁通路径的AB、CD、EF、GH段。

对于ABCD回路，由安培环路定理得：

N1I=∮ABCDHdl

(1)

由于AB段、CD段主要处于空气中，其磁导率可认为是空气磁导率μ0，则式1可写为：

(2)

式中，N1为初级线圈匝数。

根据磁通连续定理，由上述假设条件可知，B1、B2幅值相等，方向相反，求解可得：

(3)

则次级线圈1产生的磁链为：

(4)

式中，N2为次级线圈匝数。

同理可求得次级线圈2产生的磁链为：

(5)

则次级线圈产生的感生电动势分别为：

(6)

(7)

式中，f为电源频率。

则输出电压为：

U=U1-U2

(8)

由式8可见，LVDT输出电压的根本在于接箍与次级线圈1、接箍与次级线圈2间距离的差值，仅当两距离不相等时，才会有输出电压，且距离平方差值的大小也决定了输出电压大小。电源频率、初级线圈匝数、次级线圈匝数、线圈尺寸相当于输出电压的放大系数，通过合理选择这些参数可调节输出电压在预设定范围。

3 仿真分析

目前工程领域常用的电磁场分析软件Maxwell2D使用方便、功能强大，可进行静态及瞬态磁场分析，满足LVDT建模、仿真需求[5]。

3.1 建模

LVDT的绕组线圈实际物理模型截面为圆形，为简化计算，将其等效为相等截面积的矩形，由前述分析，LVDT的输出电压主要受电阻、电感和绕组匝数的影响，而电阻和电感主要取决于绕线截面积，与截面形状无关，故该等效可反应实际情况。基座、线圈间隔板等采用非导磁性材料，其磁导率接近于空气磁导率，故可将其忽略。由于LVDT的铁芯及线圈均为完全对称结构，利用RZ坐标系，建立LVDT二维模型，各主要部件材料属性见表1。

表1 LVDT材料属性

3.2 输出特性分析

Maxwell2D静态求解器可计算直流电流、永磁体等恒激励源产生的恒定电磁场，通过添加电流激励，经后处理计算得到输出电压随油管及接箍位置变化曲线如图5所示。

图5 LVDT输出电压曲线

如图5(a)所示，当油管远离检测装置时，初级线圈与两次级线圈的磁通路径均为空气，二者互感相等，输出电压为零。当油管逐渐接近检测装置时，初级线圈与次级线圈1匝链的磁通仍通过空气路径闭合，初级线圈与次级线圈2匝链的磁通经过空气、油管、空气回路闭合，其闭合回路磁导率增加，磁阻减小，互感大于初级线圈与次级线圈1间的互感，二者产生电压差值，从而输出电压，且电压随着油管向前移动而增大。当输出电压达到最大值后，油管继续向前进入次级线圈1区域，此时初级线圈与次级线圈1匝链的磁通经空气、油管、空气回路闭合，其互感增大，从而使得输出电压减小。当油管完全与次级线圈1重合时，输出电压减小为零。当油管继续前进，接箍进入检测区域时，由于接箍与油管外径不同，将会重复上述过程。且二者外径相差较小，输出电压幅值明显降低。如图5(b)所示，接箍通过检测装置时，其输出电压近似为线性，可较好反应接箍位置，接箍位置-输出电压对应数据见表2。

表2 接箍位置-输出电压数据

3.3 线圈匝数对输出的影响

由式(8)可见，LVDT初级、次级线圈匝数对其输出有较大影响，当初级线圈、次级线圈取不同匝数时，计算得到其输出电压曲线如图6所示。

图6 不同匝数时输出电压曲线

由图6可见，初级线圈匝数N1相同时，次级线圈N2匝数越大，输出电压越大。

3.4 激励频率对输出的影响

选取接箍在某一位置，模拟电压源激励时的输入输出特性，计算输出电压随激励频率变化曲线如图7所示。

由图7可见，当频率小于5 000 Hz时，输出电压随频率增加而增大。当频率增大到4 000 Hz至5 000 Hz时，输出电压已趋于平稳。考虑到频率较高时涡流损耗较大，激励频率的选择应在合理范围。

图7 不同激励频率时输出电压曲线

4 结 论

1)基于油管接箍位置实时检测需求，设计了一种基于LVDT传感器原理的检测装置，实现了较大范围内的实时检测。

2)通过采集输出电压信号，得到油管接箍的实时位置参数。

3)该装置与控制设备配合使用，可替代传统的人工操作方式，实现井场带压作业自动化。

[1] 蒋晓彤，刘俊琴，王首浩.一种双冗余LVDT式位移传感器设计[J].宇航计测技术，2015，3(6):10-13.

[2] 赵朋波.LVDT传感器原理及在发动机装配线的应用[J]．装备制造术，2015，8:147-148.

[3] 崔 伟，边 友.LVDT位移传感器在伺服阀测试中的应用[J]．传感器世界，2012,2:30-33.

[4] 钱 谦，刘武发，郭松路.新型精密LVDT仿真分析[J].机械设计与制造，2014，3:214-216.

[5] 赵 博，张洪亮．Ansoftl2在工程电磁场中的应用[M].中国水利水电出版社，2010.

Design of Tubing Coupling Detection Device Based on LVDT Sensor Principle

ZHANG Da1, ZHANG Hongbao2, BAI Yuxin1, WANG Heng1, ZOU Hebin1

(1.BeijingResearchInstituteofPreciseMechanicalandControlEquipment,Beijing100076,China;2.LiaoheOilfieldDrilling&ProductionTechnologyResearchInstitute,Panjin,Liaoning124010,China)

Because of the requirement for accurate identification of the tubing coupling position during the well repair operation under pressure, the detection device based on LVDT sensor was designed. On the basis of the equivalent physical model, the relationship between the structure parameter and the output signal was obtained by the magnetic circuit analysis method. A simplified model of equivalent LVDT was built, the finite element software Maxwell 2D was used to simulate the output characteristics of the LVDT model, the corresponding curves were obtained, and the simulation analysis was conducted on the influence of the key parameters such as the number of turns and incentive frequency with the output voltage. The results showed that LVDT can achieve a wide range of tubing coupling position detection by using non-contact method. Compared with the traditional method, the installation was simple and convenient, and the reliability and efficiency were greatly improved.

LVDT sensor; tubing coupling detection; simulation analysis

张 达，男，1986年生，工程师，2011年毕业于哈尔滨工业大学电气工程专业，获硕士学位，现从事石油装备研发工作。E-mail：hitzd@126.com

TE935

A

2096-0077(2017)02-0009-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.003

2017-01-10 编辑：葛明君)