吳宏岐，李超，呂曉峰

(寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721016)

0 引言

在石油開(kāi)采中，有些區(qū)域的石油滲透率不高，石油油位形成比較慢，這樣抽油機(jī)工作一段時(shí)間后，就會(huì)空轉(zhuǎn)，從而消耗電能[1]。為降低抽油機(jī)能耗，有時(shí)需人工觀測(cè)油管出油情況，以便控制抽油機(jī)的運(yùn)行。這樣即費(fèi)時(shí)，又費(fèi)人力，抽油效率又不高。為此，我們將超聲波探頭及回波接收器安裝在抽油機(jī)底部，采用超聲波測(cè)距方法對(duì)油井油位進(jìn)行測(cè)量，以單片機(jī)主控制器，設(shè)計(jì)油井油位測(cè)控系統(tǒng)。因超聲波在傳播中衰減較小、反射能力強(qiáng)[2]，故可準(zhǔn)確地檢測(cè)井下油位。測(cè)控系統(tǒng)根據(jù)油位高低自動(dòng)控制抽油機(jī)工作狀態(tài)(運(yùn)行或停止)，降低了損耗，節(jié)省了人力成本，提高了抽油機(jī)的采油效率。

1 測(cè)控系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 測(cè)控系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用AT89C2051單片機(jī)為主控制器，它與超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補(bǔ)償電路、油位顯示器及抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成一測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井油位測(cè)量及控制抽油機(jī)工作狀態(tài)的控制，如圖1所示。AT89C2051是低電壓、高性能的微控制器，是油井油位測(cè)控系統(tǒng)核心，它根據(jù)油井油位高度來(lái)控制抽油機(jī)的工作狀態(tài)。

圖1 油井液位測(cè)控系統(tǒng)圖

超聲波發(fā)射電路如圖2所示它主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射器T/R40構(gòu)成。工作時(shí)，接受單片機(jī) AT89C2051輸出給的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器輸給發(fā)射器的兩個(gè)電極上，使其內(nèi)部共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。超聲波接收電路主要有超聲波接收器T/R40(發(fā)射與接受配對(duì))和檢波接受芯片CX20106A組成，如圖3所示。它接受超聲波遇到油位界面反射回來(lái)的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、檢波、整形后送入單片機(jī)中。采用美國(guó) DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn);由它構(gòu)成溫度補(bǔ)償電路如圖4所示，系統(tǒng)運(yùn)行中，溫度補(bǔ)償電路測(cè)量系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度，用來(lái)減少環(huán)境溫度變化對(duì)超聲波速度的影響[3]，提高測(cè)量油位精度。油位顯示器采用 LED，實(shí)時(shí)顯示油井油位的高度，以供操作人員監(jiān)測(cè)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在測(cè)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，在單片機(jī)控制下，超聲波發(fā)射電路接受單片機(jī)發(fā)送一定頻率的脈沖信號(hào)作，激勵(lì)超聲波發(fā)射器產(chǎn)生超生波如圖5所示，于此同時(shí)啟動(dòng)片內(nèi)定時(shí)器工作。超聲波在油井中通過(guò)空氣介質(zhì)到達(dá)原油液面，將形成反射波;反射波再經(jīng)過(guò)空氣介質(zhì)傳播返回到超聲波接收器(圖5所示)，通過(guò)接受電路把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和整形處理后輸入到單片機(jī)中，如圖1所示。由單片機(jī)中定時(shí)器確定超聲波發(fā)射后到接受回脈沖的時(shí)間間隔，再根據(jù)超聲波在傳播介質(zhì)的傳播速度，按下式1可計(jì)算出傳播距離[4]。

圖2 超聲波發(fā)射電路

式中S為探頭與石油液面之間的距離，ν為空氣介質(zhì)中聲波的傳播速度，t為從發(fā)射超聲波開(kāi)始至接收到反射回來(lái)超聲波之間所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

圖3 超聲波接受電路

圖4 溫度補(bǔ)償電路

由S值再經(jīng)過(guò)與固定距離比較換算后，即得出油井油位高度H。由于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 v與環(huán)境溫度 有 關(guān)[5－6]，在空氣中可表示為:ν(T)=(331.4+

圖5 超聲波油井油位檢測(cè)圖

式中T為環(huán)境溫度。

由2式可以看出，溫度每升高1℃，聲速增加約為0.6 m/s，這將使測(cè)量產(chǎn)生一定的誤差。為此采用溫度傳感器DS18B2為核心的溫度補(bǔ)償電路，修正聲速，以提高測(cè)量精度。當(dāng)油井油位高度達(dá)到一定值時(shí)，發(fā)出信號(hào)控制抽油機(jī)工作，開(kāi)始抽油;當(dāng)油位高度很低時(shí)，停止抽油機(jī)工作，防止抽油機(jī)空轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件都由C51系列單片機(jī)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。油井油位值及顯示和抽油機(jī)工作控制是在主程序中完成的。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、溫度測(cè)試子程序、測(cè)距中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等幾個(gè)主要部分。主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過(guò)程中主程序調(diào)用了各個(gè)子程序及中斷服務(wù)程序。如圖6所示為系統(tǒng)的主程序流程。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的油井油位測(cè)控系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用低滲透率油田和生產(chǎn)后期油層形成比較緩慢區(qū)域。由于采用非接觸的超聲波檢測(cè)方式及高性能的單片機(jī)AT89C2051，使得系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確、控制穩(wěn)定。有效的解決了大功率抽油機(jī)空轉(zhuǎn)問(wèn)題，節(jié)約能源、提高了抽油機(jī)的使用壽命及采油效率。

[1]張軍，韓兵奇，劉宗恩，等.抽油機(jī)節(jié)能方案研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2010，40(8):28 －32.

[2]韋穗林.數(shù)字式超聲波測(cè)距儀的研制[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17(10):39－41.

[3]楊媛，高勇，李福德，等.提高超聲波檢測(cè)系統(tǒng)信噪比的理論研究及檢測(cè)控制方案[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2001，22(4):12 －15.

[4]吳賽燕、楊輝.超聲波測(cè)距信號(hào)處理研究[J].福建電腦，2009，25(3):73.

[5]孫鐘，李全育，刁海波，等.溫度對(duì)超聲波檢測(cè)缺陷定位定量的影響[J].無(wú)損檢測(cè)，2011，34(4):26 －29.

[6]胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2002:45－60.