本发明专利技术涉及一种能直观、有效地监测钻井井架平面摆动的新装置，该装置由激光器、平面光电传感器阵列、编码器、计算机接口卡、软件编程组成。将激光器安装在钻井井架顶部，激光器随井架摆动时，激光束垂直向下照射到地面水平安装的光电传感器阵列上，阵列中的光电传感器感应激光，然后输出一定幅度的电压信号，经编码后，通过数据采集卡输入计算机进行处理、显示、存储、超限报警等，对井架的宏观摆动进行直观、有效的记录，为井架应力分析和故障评价提供实用信息，并能有效地防止井架事故发生。本装置还能用于桥梁、高层建筑物等在运行过程中和自然风暴作用下的摆动监测，有效地防止建筑事故发生。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种能直观、有效地测试钻井井架平面摆动的新装置， 它能应用在钻井井架上为钻井井架应力分析和故障评价提供实用信息， 并能有效地防止井架事故发生。
技术介绍
钻井井架在钻井过程中负荷大，受到多种振源的激振作用，因而不 可避免地会发生各种剧烈的振动。由于井架安装不对称、工作负荷不对 称、风力影响(特别是海洋平台钻井井架)等因素，井架会产生平面摆动， 一般可达30cmX30cm。钻井井架的这种平面摆动是井架在运行过 程中最危险的安全隐患。目前对井架的摆动测试主要对其结构动力学特性进行分析，并采用 有限元法将钻机井架各杆件简化为空间梁单元，对钻机井架三维计算模 型进行离散，给出模态分析和稳定性分析结论。这需要需经过力学模型 的建立、模拟分析、时间历程响应等过程，模型建立及数学计算都很复 杂，但却很难有效地反映井架的整体摆动情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了对钻井井架的宏观摆动进行直观、有效的检 测和记录，为井架应力分析和故障评价提供实用信息，并能有效地防止 井架事故发生。特提供一种钻井井架平面摆动测试的新装置。为了达到上述目的，本专利技术釆用的技术方案是将激光器安装在钻 井井架顶部，激光器随井架摆动时，激光束垂直向下照射到地面上水平 安装的光电传感器阵列上，阵列中光电传感器感受激光，然后输出一定 幅度的电压信号，经编码后，通过数据采集卡输入计算机进行处理、显 示、存储、超限报警等。本专利技术设计的"一种钻井井架平面摆动测试的 新装置"主要由激光器、平面光电传感器阵列、编码器电路、计算机接 口卡、软件编程组成，如图l所示。其结构特征是激光器采用一般的He-Ne激光器，垂直安装在钻井井架顶部，能发射632.8nm的可见红光 光束，具有发散角为0.5 3mrad、光束直径为0.5 6mrn、发射功率稳定 为0.5 50mW、单色性好、体积小、寿命长等特点；光电传感器阵列水 平安装在正对激光器的地面上，能接受激光器随井架摆动时垂直向下照 射的激光束，光电传感器采用光敏电阻作为光电接收元件，根据井架平 面摆动范围和空间分辨率的要求，构成一定大小和一定数量的光电传感器平面点阵，如图2所示为60mmx60mm的平面摆动范围、空间分辨 率为10mm的6x6平面光电传感器阵列，接受激光器随井架平面摆动 照射的激光；光敏电阻具有光谱特性好、可靠性高、体积小、灵敏度高、 反应快速、环氧树脂封装、寿命长等特点；光电信号调理电路供电电源 电压为5VDC，光敏电阻在正常光照下，其阻值在3kQ左右，电路输出 电压为2.5V左右，可视为高电平，当激光照射时，其阻值将发生改变， 减小至0.3kQ左右，输出电压为0.5V左右，可视为低点平，这样就可 以将激光信号转变为电压电平信号，且满足AC6651接口板卡I/0通道 电平要求；在光电信号送入计算机接口板卡输入通道之前采用编码技 术，将多路光电信号进行编码，计算机采集信号后进行解码，对于 6x6=36的传感器阵列，信号编码采用10线-4线优先编码器74HC147， 将光敏电阻的输出电平信号进行编码，其输出的编码信号经过接口卡 AC6651输入计算机，74HC147采用4.5V电源供电；计算机接口板卡 采用通用I/0接口板卡，如AC6651总线开关量接口板卡，它由32路 可编程开关量及3路脉冲计数器构成，釆用PCI总线支持即插即用， AC6651接口板卡I/O通道基本参数为输入高电平大于2.3V小于5V， 输入低电平小于0.8V大于OV;软件编程采用Visual Basic程序设计语 言编程。根据计算机采集的光电元件信息，显示、记录钻井井架平面摆 动的方位和幅度，以及平面摆动的轨迹描绘和超限报警等。本专利技术与现有技术比较具有的有益效果是(1)能对井架的宏观摆 动进行直观、有效的监测，通过计算机进行处理、显示、存储，为井架 应力分析和故障评价提供实用信息，并能有效地防止井架事故发生;(2) 本装置还能用于桥梁、高层建筑物等在运行过程中和自然风暴作用下的 摆动监测，有效地防止建筑事故发生。 附图说明图1为本专利技术提供的钻井井架平面摆动测试新装置结构示意图。图 中1、激光器，2、激光束，3、光电传感器阵列，4、编码器，5、数 据采集卡，6、计算机。图2为本专利技术的新装置中6x6平面光电传感器阵列俯视图，图中 7、光电传感器阵列单元。图3为6x6平面光电传感器阵列单元结构示意图。图中8、聚焦 凹面镜，9、光电元件(光敏电阻)Rq。图4为光电信号转换电路图。图中10、分压(限流)电阻R。图5为钻井井架平面摆动测试系统编码、采样电路图(对6x6平面光电传感器阵列)。图中11、 10线一4线优先编码器74HC147， 12、AC6651计算机接口板卡。具体实施例方式将激光器1安装在钻井井架顶部，激光器1随井架的摇摆而摆动时， 激光束2垂直向下照射到地面水平放置的平面光电传感器阵列3上，激 光束2经凹面镜8聚焦在光电传感器阵列中的光敏电阻9上。光敏电阻 9在正常光照(无激光束照射)时，其电阻值约3kQ，有激光束照射时， 其电阻值约0.3kQ，经光电信号转换电路(电源电压5V，分压电阻IO 的电阻值约3kQ)，正常光照下，输出信号约2.5V，可视为高电平，有 激光束照射时，输出信号约0.5V，可视为低电平，满足数据采集卡的 输入电平要求。36路光电传感器阵列经光电信号转换后的输出信号送4 片10线一4线编码器11进行编码，编码后，通过数据采集卡12，输入 计算机6进行处理、显示、存储、超限报警等，实现对井架的宏观摆动 进行直观、有效的记录和安全报警，为井架应力分析和故障评价提供实 用信息，并能有效地防止井架事故发生。权利要求1.一种钻井井架平面摆动测试的新装置，主要由激光器、平面光电传感器阵列、编码器、计算机接口卡、软件编程组成，其特征在于激光器采用He-Ne激光器，安装在钻井井架顶部；光电传感器阵列安装在激光器正对的地面上，光电传感器采用光敏电阻作为光电接收元件，根据井架平面摆动范围和空间分辨率的要求，构成一定大小和一定数量光电传感器的平面点阵，接受激光器随井架平面摆动照射的激光；编码器采用10线-4线优先编码器74HC147，对多路光电信号编码后，送入计算机接口卡；计算机接口卡选用通用的I/O接口板卡，如AC6651总线开关量接口板卡，具有32路可编程开关量和3路脉冲计数器，采用PCI总线支持即插即用；软件编程采用Visual Basic程序设计语言编程，根据计算机采集的光电元件信息，显示、记录钻井井架平面摆动的方位和幅度、各光电接收点以及平面摆动的轨迹描绘和超限报警。2. 根据权利要求1所述的钻井井架平面摆动测试的新装置，其特征 是光电传感器阵列采用光敏电阻作为光电接收元件，根据井架平面摆 动范围和空间分辨率的要求，构成一定大小和一定数量光电传感器的平 面点阵，如60mmx60mm的平面摆动范围和10mm的空间分辨率，设 计6x6的平面光电传感器阵列，接受激光器随井架平面摆动照射的激 光。3. 根据权利要求1所述的钻井井架平面摆动测试的新装置，其特征 是激光器能发射632.8nm的可见红光光束，具有发散角为0.5 3mrad、 光束直径为0.5 6mm、发射功率稳定为0.5 50mW。4. 根本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种钻井井架平面摆动测试的新装置，主要由激光器、平面光电传感器阵列、编码器、计算机接口卡、软件编程组成，其特征在于：激光器采用Ｈｅ－Ｎｅ激光器，安装在钻井井架顶部；光电传感器阵列安装在激光器正对的地面上，光电传感器采用光敏电阻作为光电接收元件，根据井架平面摆动范围和空间分辨率的要求，构成一定大小和一定数量光电传感器的平面点阵，接受激光器随井架平面摆动照射的激光；编码器采用１０线－４线优先编码器７４ＨＣ１４７，对多路光电信号编码后，送入计算机接口卡；计算机接口卡选用通用的Ｉ／Ｏ接口板卡，如ＡＣ６６５１总线开关量接口板卡，具有３２路可编程开关量和３路脉冲计数器，采用ＰＣＩ总线支持即插即用；软件编程采用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ程序设计语言编程，根据计算机采集的光电元件信息，显示、记录钻井井架平面摆动的方位和幅度、各 光电接收点以及平面摆动的轨迹描绘和超限报警。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：何道清，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]
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