支中元

摘要：抽油機(jī)沖程、沖次是繪制抽油機(jī)示功圖、計(jì)算抽油機(jī)平衡率的重要參數(shù)。通過加速度傳感器測(cè)量沖程、沖次，避免了傳統(tǒng)拉線式、角度式等方法故有的故障率高、操作繁瑣、需要停井等缺點(diǎn)，具有自動(dòng)化、不影響生產(chǎn)等特點(diǎn)。采用單軸加速度傳感器測(cè)量抽油機(jī)沖程誤差較大，而該項(xiàng)目使用三軸加速度傳感器，并采用新技術(shù)、新算法，能夠精確測(cè)量抽油機(jī)沖程、沖次，而且可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至智能終端，因此該項(xiàng)目具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

Abstract： The pumping speed and stroke of the pumping unit are important parameters for drawing the indicator diagram of the pumping unit and calculating the balance ratio of the pumping unit. The measurement of the pumping speed and the stroke by acceleration sensor can avoid the disadvantages of the traditional wire-drawing type and the angle type， such as high failure rate， cumbersome operation， and need to stop the well， and has the characteristics of automation and no influence on production. There is a large error in the measurement of pumping speed and stroke with single-axis accelerometer. The project uses a three-axis accelerometer and adopts new technology and new algorithm to accurately measure the pump speed and stroke， and can transfer the data to the intelligent terminal， so the project has important research significance and application value.

關(guān)鍵詞：三軸加速度；抽油機(jī)；單片機(jī)

Key words： three-axis acceleration；pumping unit；single chip microcomputer

中圖分類號(hào)：TE933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2019）02-0093-03

0 引言

抽油機(jī)沖程、沖次是判斷抽油機(jī)運(yùn)行工況的重要參數(shù)。抽油機(jī)沖程有多種測(cè)量方法，如拉線法、游梁角位移法、懸點(diǎn)加速度法等，但是均有一定的不足。如拉線法需要抽油機(jī)停機(jī)，易出現(xiàn)斷線故障，而且不適合在線監(jiān)測(cè)；游梁角位移法需要使用角位移傳感器，該傳感器長(zhǎng)期受力，易損壞；懸點(diǎn)加速度法一般利用單軸加速度傳感器測(cè)量抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度，再對(duì)加速度進(jìn)行二次積分，計(jì)算抽油機(jī)沖程。該方法測(cè)量精度較低，只能通過沖程標(biāo)定的方法測(cè)量抽油機(jī)位移，而且每臺(tái)抽油機(jī)都需要單獨(dú)標(biāo)定，操作繁瑣。

綜上所述，目前所使用的抽油機(jī)沖程、沖次測(cè)量方法均由一定的缺點(diǎn)。該項(xiàng)目采用三軸加速度傳感器對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度進(jìn)行測(cè)量，通過數(shù)字濾波對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用加速度傳感器的Y、Z軸數(shù)據(jù)對(duì)對(duì)X軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正，然后設(shè)計(jì)新型數(shù)字積分算法來計(jì)算抽油機(jī)沖程；同時(shí)根據(jù)懸點(diǎn)加速度數(shù)據(jù)的變化特征，判斷當(dāng)前抽油機(jī)的上、下沖程狀態(tài)，是否處于上、下死點(diǎn)，計(jì)算抽油機(jī)的沖次。最后，可以將采集的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式遠(yuǎn)傳至智能終端[1-2]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由電源模塊、單片機(jī)控制模塊、加速度數(shù)據(jù)采集和無線模塊、數(shù)據(jù)接收終端組成，可固定安裝于抽油機(jī)懸點(diǎn)。電源模塊包括鋰電池和電源芯片，向整個(gè)裝置供電。三軸加速度傳感器測(cè)量抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度，以數(shù)字信號(hào)形式輸出，通過SPI總線通信后，送入單片機(jī)控制電路，再利用單片機(jī)內(nèi)部編寫的濾波算法、加速度修正算法和沖程、沖次計(jì)算算法對(duì)數(shù)字量處理，準(zhǔn)確計(jì)算抽油機(jī)的沖程、沖次，并利用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，最后利用無線模塊將數(shù)據(jù)傳送至智能終端。（圖1）

1.2 單元電路設(shè)計(jì)

1.2.1 單片機(jī)控制電路

該裝置選用TI公司的MSP430F1611單片機(jī)來作為其微控制器。該單片機(jī)是一個(gè)處理能力強(qiáng)、超低功耗、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富的16位單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。[3]

1.2.2 無線通信電路

無線傳輸模塊使用了NRF24L01芯片。此芯片輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置[4]。芯片可以連接到絕大部分單片機(jī)芯片，并擁有126個(gè)通訊通道，6個(gè)數(shù)據(jù)通道，可滿足多點(diǎn)通訊和調(diào)頻需要。該芯片可以在低功耗模式1.9-3.6V下工作，待機(jī)模式下狀態(tài)為22uA；掉電模式下為900nA，內(nèi)置2.4GHz天線且體積小巧且編程非常方便。我們用插座實(shí)現(xiàn)芯片與單片機(jī)的連接，并設(shè)置相應(yīng)的I/O口，實(shí)現(xiàn)新芯片的無線傳輸功能。該模塊與單片機(jī)的接線如圖2所示。

1.2.3 加速度傳感器電路

三軸加速度傳感器采用ADXL345加速度芯片。ADXL345芯片不僅尺寸小而薄，超低功耗，分辨率高（13位），測(cè)量范圍達(dá)±16g。該芯片分辨率高，能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化，通過SPI總線與單片機(jī)通信。該芯片與單片機(jī)的連接電路如圖3所示。

1.2.4 電源電路

由于該裝置既有5V供電的元件，也有3.3V供電的元件，因此該裝置的電源電路使用了ASM1117-5.0和LP2985-3.3兩種芯片，從而給電路板持續(xù)有效供電。

1.2.5 時(shí)鐘電路

對(duì)于時(shí)鐘，我們采用了DS1302芯片，此芯片使用32kHz晶振，通過I2C總線與單片機(jī)連接，同時(shí)連接一3.3V電池，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，可通過電池持續(xù)供電。

1.2.6 USB存儲(chǔ)電路

USB存儲(chǔ)電路以CH376芯片為核心。此芯片支持1.5Mbps低速和12Mbps全速USB通訊，可通過SPI總線或異步串口與單片機(jī)通信。該裝置，單片機(jī)通過異步串口1與CH376通信。此外利用P4.1接收中斷信號(hào)，P4.0對(duì)CH376發(fā)出復(fù)位信號(hào)。電路如圖5所示。

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 濾波算法設(shè)計(jì)

為了濾除加速度數(shù)據(jù)的干擾，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種綜合濾波算法。該算法首先利用滑動(dòng)平均濾波消除高頻噪聲干擾，再自動(dòng)計(jì)算出閾值，通過該閾值消除加速度信號(hào)中的尖峰。該算法運(yùn)算簡(jiǎn)單，占用CPU時(shí)間小。該算法包括以下步驟：

①對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣，保存于數(shù)組X，包括X（0）～X（N-1），共N個(gè)數(shù)據(jù)；

②對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行兩次七點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波，消除高頻雜波，單次七點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波公式為：

4 結(jié)語

本文充分調(diào)研了抽油機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用三軸加速度傳感器對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度進(jìn)行測(cè)量；運(yùn)用加速度傳感器的Y、Z軸數(shù)據(jù)對(duì)X軸加速度進(jìn)行誤差修正，實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移的修正，貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，豐富了測(cè)量手段，推進(jìn)了測(cè)量的準(zhǔn)確與快速。

參考文獻(xiàn)：

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