基于CAN总线的钻杆扭矩测量

1引言

    钻杆扭矩是由钻机旋转系统中取得的一个重要工程参数。在钻井过程中随时监测钻杆扭矩的变化，可以在早期发现井斜、卡钻等微兆，了解钻头的工作情况等。

    采用应变片测里钻杆扭矩，可以不改变或极少改变钻杆的结构参数，这对于研究钻杆传动系统在实际工作条件下的扭矩和动态扭矩有重要意义.

    由于采用了许多新技术和特有的设计，CAN(COntroller Area Network)总线与普通的现场通信总线相比，其数据通信具有更高的可靠性、灵活性和实时性。【l]CAN总线采用多主从方式工作和非破坏性总线仲裁技术，多个节点可同时请求访问总线，并且采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，从而保证数据出错率极低。[2] 因此本文将钻杆扭矩传感器设计成CAN总线式的，具有较高的性能价格比。

2总线式传感器的基本结构

    总线式传感器的基本工作原理是:将敏感元件输出的微弱电信号放大后，经用D转换器转换为数字信号、送入CPU，依靠软件对该信号进行滤波、拟合、补偿等。每个传感器配有一个数字通信模块，以标准通信协议将所需数据传输至监测节点，并实现传感器、执行器之间信息的交换。各传感器和执行器以这个数字通信模块为基础构成分布式总线系统[3]，如图1所示。一个CAN总线传感器即是一个CAN智能节点，它通过STIM(Smart Transducer Interface Module智能变送器接口)与不同类型和数量的传感器相连，通过NCAP(Network CaPable APPlieation Proeessor网络适配处理器)与CAN总线相连，从而实现模块的即插即用。

3系统的硬件结构

    钻杆扭矩传感器的主要硬件原理结构如图2所示。

3.1敏感元件部分

    敏感元件部分采用应变电桥对钻杆扭矩进行测量输出，本文选用钢箔式组合片。电阻应变片的中心线应准确地贴在钻杆表面与杆轴成45º和135º钓螺旋线上，以达到最均匀受力，否则电桥在钻杆正反向扭矩作用下的输出灵敏度将有差别，造成方向上的误差。

    应变电桥原理图如图3所示。

    在桥路两端施加恒压U_i,由于R₁=R₂=R₃=R₄=R，此时电桥平衡,因此输出电压Uo=0。当钻杆上有扭矩产生时，应变片发生形变，使得桥路中一对力臂受拉力，阻值增大，同时另一对力臂受压力，阻值减小，当扭矩方向改变时，情况正好相反。假设R₁,  R₃受拉力，阻值增加△R,R₂ 、R₄受压力，阻值减小△R，此时，输出电压U。为: