喬 婷 白連平

（北京信息科技大學自動化學院，北京 100192）

1 引言

目前我國東部油田開發(fā)進入中后期，開采難度越來越大，油井光桿抖動現(xiàn)象日益嚴重。光桿抖動造成井口漏油，井內(nèi)油管磨損、斷裂，增加維護工作量，增加了作業(yè)難度，成本大大增加[1-2]。抽油機井口盤根是井口的密封裝置，光桿抖動加劇盤根盒內(nèi)密封橡膠的磨損。因此光桿抖動已經(jīng)成為影響油田正常生產(chǎn)的主要因素之一。光桿抖動的檢測是目前急需解決的一個問題。加速度傳感器一直是振動檢測中的重要元件。本文利用三維加速度傳感器（MMA7260QT）設計了一個光桿抖動檢測裝置，并在抽油井上進行了實驗，測試了光桿振動的加速度和速度，為光桿抖動分析提供了有力的分析依據(jù)。

2 MMA7260的工作原理

在傳統(tǒng)的振動檢測系統(tǒng)中，加速度傳感器功能單一，輸出信號需要進行調(diào)理(隔離放大，濾波等)，因此對模擬電路設計有極高的要求。隨著近年來大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，加速度傳感器也逐漸向集成化，低功耗的方向發(fā)展。集成了信號調(diào)理電路的加速度傳感器能大大簡化電路設計，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時減少了系統(tǒng)設計成本，縮短開發(fā)周期，更利于產(chǎn)品快速推向市場。Motoro1a公司最新推出的MMA 7260QT就是這樣一款三軸向集成的加速度傳感芯片。MMA7260QT傳感器由重力g感測單元，震蕩器，時鐘信號發(fā)生器，C to V 轉(zhuǎn)換器，積分放大濾波器，微調(diào)電路和溫度補償電路組成。引腳較少，五輸入三輸出，且每根管腳的功能和作用容易理解，因此使用起來比較簡單。輸出的信號為模擬電壓信號，因此可以直接與帶有A/D轉(zhuǎn)換模塊的MCU/單片機相連接。MMA 7260QT內(nèi)建g-select 電路，其量程可在1.5g，2g，4g，6g 加速度中選擇，可以通過兩個g-select引腳的邏輯輸入來選擇g值[3]。

其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MM A7260QT結(jié)構(gòu)圖

3 檢測系統(tǒng)設計

考慮到MMA7260QT的輸出是模擬輸出信號，因此選用了一款片內(nèi)自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊的DSP，即Motorola公司的56F803。選擇56F803的原因，不僅考慮到它的低功耗特性，而且它自帶12位ADC，轉(zhuǎn)換精度較高且供電電壓為3.3V[4]。56F803集中處理來自加速度傳感器的信號。完成數(shù)據(jù)處理工作后，56F803通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

在這里要注意的是MMA7260QT與DSP的連接，在電源部分接入一個0.1μF的電容，在X，Y，Z 三個軸向上的輸出各接一個1k?的電阻和一個0.1uF的電容，目的是將開關電容濾波電路的時鐘噪聲降至最低。MMA7260QT兩個g-select引腳分別與微控制器的兩個I/O引腳相連，我們通過微控制器的設置來選擇g值。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)啟動后，首先將各個模塊初始化，初始化完畢DSP開始實時監(jiān)聽定時器中斷信號。加速度傳感器在運行過程中不斷測量其瞬時加速度值，由于是模擬電壓信號，因此這三個引腳需接于DSP的A/D引腳。當定時器定時時間到，就會引起相應的定時中斷，DSP 檢測到中斷信號時，由中斷控制器判斷找到相應的中斷服務程序的入口地址，調(diào)用串口程序進行處理，由56F803的ADC采集進來的電壓通過SCI，經(jīng)RS232后由串行口與PC機進行通信。程序流程圖如圖3所示。對加速度信號進行積分變換求速度時，在測試信號中往往因測試儀器溫度變化造成的零點漂移含有長周期趨勢項，在對數(shù)據(jù)進行積分變換時，趨勢相對變換結(jié)果的影響比較突出，因此消除長周期趨勢項是信號預處理的一個重要的內(nèi)容。必須減少或消除采樣數(shù)據(jù)干擾成分，例如用多點平均處理和平滑處理消除信號中高頻噪聲，使采樣數(shù)據(jù)盡可能接近其真實值。如上所述，由于采得的是電壓信號，首先要把采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為加速度信號。先將采集到的電壓信號減去其均值，再乘以9.8，除以變化1g對應的電壓值得到加速度信號，再時域積分求速度信號；振動信號的離散數(shù)據(jù)為{x( k)}，{y( k)}(k＝0,1,2,…N )，數(shù)值積分中取采樣時間T為積分步長，由公式：可求得光桿抖動時的速度。

4 現(xiàn)場測試結(jié)果

本文設計了一個光桿抖動信號采集系統(tǒng)。將系統(tǒng)板安裝在一塊平板上，平板后有兩塊小鐵板做成的卡子，卡子中間放上磁鐵，構(gòu)成一個磁性裝置?，F(xiàn)場實驗時，將該裝置放在光桿上，系統(tǒng)板與光桿平行且不易脫落，裝置隨光桿上下運動，測取三個方向的加速度，其中Z方向為光桿運動方向。在勝利油田做了現(xiàn)場試驗，下圖給出某油井的X、Y軸抖動加速度（2沖次）。采樣周期為4ms。

圖4 X，Y軸加速度圖

圖5 同一時刻X，Y軸加速度圖

圖6 坐標變換后的X，Y軸加速度圖

圖7 同一時刻X，Y軸速度圖

由圖4可以得知，光桿運動時加速度信號是很復雜的，本文所測取的是懸繩器下方的傳感器安裝位置的抖動情況。圖4的橫坐標是點數(shù)，也等價于具體的位移，即圖4反應的是傳感器安裝位置在到達某一具體位移時的抖動情況[5]。從測得的兩個周期的信號來看，加速度信號發(fā)生大變化的時候，是在從下死點到上死點過程中的中后段和上死點到下死點過程中的前段。以圖4中的X軸的加速度值為橫坐標，Y軸的值為縱坐標，可以合成圖5所示的加速度分布圖。由圖5可知，X，Y方向加速度的振動多集中在0.05g(0.5m/s2)之間并以原點為中心對稱，為分析光桿的抖動提供了依據(jù)。同一時刻X，Y軸的速度分別在0.1m/s之間，且基本呈現(xiàn)有規(guī)律的振動。因為系統(tǒng)安放位置的不同，所測得的X，Y軸加速度方向也不同，為了方便分析和觀察，將圖5順時針旋轉(zhuǎn)43o，可以得到圖6。從圖6上可以看出在新的坐標X，Y上光桿的抖動加速度基本集中于關于X，Y軸對稱和原點中心對稱的橢圓。經(jīng)計算可知，X方向，Y方向在一個周期內(nèi)的加速度代數(shù)和分別為0，說明X方向，Y方向的振動加速度在一個周期內(nèi)均可以抵消。對其余井的分析，也有基本相同的情況。同時，計算了同一時刻X，Y軸方向的速度，如圖7所示，X，Y軸上速度有著明顯的周期性。

5 結(jié)論

抽油桿偏磨使油管過早的報廢，給生產(chǎn)帶來很大的影響，使成本大大地增加。本文利用三軸加速度傳感器，設計了抽油桿橫向加速度采集系統(tǒng)，對抽油桿的抖動進行檢測和分析。橫向合成加速度幅值越大，抽油桿偏磨的情況越嚴重。

抽油桿偏磨的問題一直是困擾油田生產(chǎn)的大問題，偏磨的原因非常復雜。抽油桿在井內(nèi)發(fā)生偏磨，在地面觀察難度很大。有井口盤根的作用，使得光桿橫向抖動信號變得非常復雜。如何根據(jù)光桿橫向抖動信號分析判斷抽油桿的偏磨，還需進一步研究，以及實驗的驗證。本在測試方法上做一個前期的探索。這個探索對研究抽油桿偏磨提供了地面分析依據(jù)。

[1] 苗長山,黃源琳,王旱祥,王艷紅. 抽油桿偏磨三維力學模型的建立與分析[J]. 石油機械,2007,35(12):28-31

[2] 楊海濱,劉松林,李漢周. 三維井眼抽油桿與油管防偏磨技術研究與應用[J]. 鉆采工藝,2008,31(6):94-97.

[3] Freescale Semiconductor.MMA7260QT Datasheet[EB/OL].(2008-03)[2009-10-30]. http://www.freescale.com.

[4] 邵貝貝,龔光華,薛濤等. Motorola DSP型16位單片機原理與實踐[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[5] 王濟,胡曉. MATLAB在振動信號處理中的應用[M].北京:中國水利水電出版社, 2006.