劉長清朱慧泉

（1.華北油田公司工程技術(shù)研究院 任丘 062552）（2.河南輕工職業(yè)學(xué)院 鄭州 450000）

1 引言

抽油機井抽油是石油生產(chǎn)中最重要的工藝過程之一。及時準(zhǔn)確獲知的油井運行狀態(tài)可考察油井單位時間的產(chǎn)量、跟蹤掌握地下油藏區(qū)塊的動態(tài)情況、預(yù)測和評價油井區(qū)塊的開發(fā)潛力、總體分析和把握全局產(chǎn)能情況、合理制定油田生產(chǎn)方案。油井示功圖是油井運行狀態(tài)的重要表征，可以全面反映井下抽油泵運行狀況以及原油的開采情況。示功圖用來反映深井泵工作情況好壞，可由專門的儀器測出，并在坐標(biāo)紙上進行制圖，圖上被封閉的線所圍成的面積表示驢頭在依次往復(fù)運動中抽油泵所做的功。通過分析示功圖，可以了解油井動態(tài)及抽油裝置的各項參數(shù)選擇是否合理、反映出深井泵在井下工作中的異常現(xiàn)象，以及可以通過分析獲取抽油機井的工作制度是否合理等信息［1］。

傳統(tǒng)對示功圖的測量是一個月一次的人工測量，但是這種人工的測量方式，工作量大而繁重，且難以及時、準(zhǔn)確、全面直觀、連續(xù)地反應(yīng)生產(chǎn)動態(tài)。鑒于傳統(tǒng)人工測量方式的上述問題，現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展了可以進行遠程監(jiān)控的無線示功儀。無線示功儀功圖測量和傳統(tǒng)示功圖測量方法不同，同時，油田是一個特殊行業(yè)，對無線示功儀協(xié)議、防爆性能及功耗等都有相應(yīng)的要求。

本文在充分研究石油行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品相關(guān)法規(guī)要求及無線示功儀關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種超低功耗本安型防爆示功儀［2］。

2 標(biāo)準(zhǔn)研究［3～18］

無線示功儀應(yīng)用于油田，需要符合油田防爆標(biāo)準(zhǔn)，無線協(xié)議要符合油田物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。同時，本產(chǎn)品作為無線計量電子設(shè)備，還需要符合電子產(chǎn)品相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)、計量規(guī)范、電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)、無線射頻規(guī)范等。如果產(chǎn)品出口國外，需要符合相關(guān)地區(qū)認(rèn)證法規(guī)要求，如出口歐盟地區(qū)，需要符合CE、ROHS認(rèn)證法規(guī)等。詳細(xì)要求及參考標(biāo)準(zhǔn)見表1。

鑒于篇幅，本文僅對本產(chǎn)品所涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)做了詳細(xì)的統(tǒng)計和基本解讀。每項測試所參考的標(biāo)準(zhǔn)都很詳細(xì)地規(guī)定了相關(guān)測試要求和方法。本文不再詳細(xì)解讀。

3 無線示功儀設(shè)計

3.1 基本原理［19］

懸繩器是抽油機驢頭和光桿的連接裝置，無線示功儀安裝在該懸繩器上。抽油機光桿往復(fù)運動時，懸繩器上產(chǎn)生交變載荷，無線示功儀定期采集該載荷及實時加速度，加速度通過示功儀內(nèi)部軟件積分，計算出當(dāng)前載荷時的位移，同時，通過位移周期，計算出沖次。最終，示功儀將采集的載荷、位移及沖次通過無線通信模塊發(fā)送至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機依據(jù)載荷和位移繪制出功圖。

無線示功儀有加速度計芯片、力傳感器、數(shù)據(jù)采集處理模塊、放大器及調(diào)理濾波電路、無線通信模塊、緩存及電源模塊組成。通過加速度計采集加速度值，通過力傳感器采集載荷值，電源模塊主要有防爆型鋰亞酰氯電池和穩(wěn)壓電路組成。硬件原理圖如圖1所示。

圖1 硬件原理圖

3.2 加速度傳感器選型

無線示功儀使用環(huán)境決定了其必須具備低功耗、防爆、高防護、抗沖擊等特點，量值準(zhǔn)確度等級要符合計量規(guī)范，詳細(xì)要求見本文第2節(jié)。故在硬件選型時，要充分考慮諸因素。

抽油機光桿在往復(fù)運動時，加速度幅值和頻響較低。通過加速度計算位移，位移準(zhǔn)確性與位移計算算法相關(guān)，具體算法在下面章節(jié)論述。綜上考慮，振動加速度傳感器選擇SCA610電壓輸出型MEMS加速度傳感器，該傳感器是將一個硅體微機械傳感元件芯片和一個信號調(diào)節(jié)ASIC封裝在一起。原理圖如圖2所示。

圖2 加速度計原理圖

其內(nèi)裝IC-集成電路放大器，將加速度敏感元件與ASIC集于一體，能直接與數(shù)據(jù)采集電路連接，有效簡化測試系統(tǒng)，減小了整機尺寸，減低功耗，提高測量精度和可靠性。其突出特點如下：

1）低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小；

2）性價比高，功耗低，體積小；

3）穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。

其關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 SCA610振動加速度傳感器關(guān)鍵參數(shù)

3.3 載荷測量

本文選用了載荷傳KTJ-15t。這種傳感器采用全密閉封裝，提高了傳感器的適應(yīng)環(huán)境溫度性能，具有很好的穩(wěn)定性和防水性。載荷傳感器在抽油桿上的安裝示意圖如圖3所示。

圖3 示功儀載荷傳感器安裝示意圖

示功儀采集的載荷的基本電路是帶有特殊（力敏）電阻的電阻橋，由物理量變化引發(fā)電阻變化，導(dǎo)致電路輸出電壓的變化，輸出電壓視傳感器從幾毫伏到上百毫伏不等。數(shù)據(jù)采集處理芯片帶有4路12位ADC通道，對應(yīng)的模擬電壓值范圍為0～2.4V。傳感器到芯片ADC引腳之間用運算放大器對電壓信號進行放大，合理調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使得運放輸出的電壓在2.2V左右，即留有一定余量。其關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

表3 KTJ-15t型力傳感器傳感器關(guān)鍵參數(shù)

3.4 加速度積分求位移［20～21］

常用的處理積分的方法有頻域法和時域法兩種。隨著各種算法軟件的開發(fā)以及在線的要求，時域分析方法越來越受到關(guān)注和應(yīng)用。直接利用時域積分的方法對加速度信號進行積分可避免傅里葉變換所引起的截斷誤差，如漏泄等。已知

A（t）、a（t）、G分別為加速度傳感器t時刻的輸出、抽油桿t時刻的懸點加速度、重力加速度。G可認(rèn)為是一常數(shù)值。

在時刻0～T范圍內(nèi)（T為抽油機運行周期），有

由于抽油機的周期性運動，有V(T)=V(0)。

對得出的速度a（t）進行積分得到速度公式：

起始速度V（0）未知，令其為零，加速度積分求出的速度設(shè)為

對V（t）進行積分，同樣考慮抽油機運動的周期性，即S（T）=S（0）得到

最后，設(shè)位移的起始點位移為零，得到相對于起始點的位移計算公式：

3.5 載荷數(shù)據(jù)計算［22］

傳感器量程范圍為0～15（kN），從中取N+1點，將量程均分為N段。通過實際測量的值進行分段插值，得出載荷特性曲線，如圖4所示。N的值越大，結(jié)果的精度就越高。上位機依據(jù)通過測量值擬合的載荷曲線和示功儀采集的位移值繪制出功圖。

4 實際測試

4.1 功圖測試

本文研制的功圖和客戶已經(jīng)在使用的功圖做對比測試。從測試數(shù)據(jù)來看，從14：43分開始，大約記錄的5分多鐘數(shù)據(jù)是真實有效而且是抽油機工作時的數(shù)據(jù)。圖5為抽油機工作時的加速度隨著時間變化曲線及力隨時間變化曲線圖。

由于示功圖需要位移與力的關(guān)系，而實際測得的數(shù)據(jù)為加速度，因此，需要對所測得原始數(shù)據(jù)進行處理，積分后的速度-時間變化曲線如圖6所示。

圖5 加速度（上）和載荷（下）時域圖

圖6 速度（上）和位移（下）時域變化曲線圖

速度再次積分后的位移-時間變化曲線圖如圖5所示。用位移作為橫坐標(biāo)，用力作為縱坐標(biāo)，構(gòu)建的一分鐘內(nèi)的示功圖曲線如圖7所示，從圖可以看出，在一分鐘內(nèi)的七條曲線基本吻合在一起。

圖7 一分鐘內(nèi)多次測量的示功圖曲線

表4 兩個示功儀測試示功參數(shù)對比

對比我們測得的示功圖曲線與用戶所測得的示功圖曲線可知，兩幅示功圖的外形以及凹凸曲線基本一致，數(shù)值吻合。測得的具體數(shù)據(jù)與用戶測得的數(shù)據(jù)對比如表4所示。

4.2 功耗測試

示功儀（DUT）與低功耗測試儀連接，計算機通過USB或網(wǎng)線與低功耗測試儀連接，如圖8所示，計算機安裝有功耗記錄分析軟件。示功儀開機，處于正常工作模式，PC機軟件對DUT設(shè)備電流、電壓及功耗進行采集和分析。

圖8 功耗測試圖

測試結(jié)果顯示，本文研制的無線示功儀休眠狀態(tài)時，平均電流為35μA，工作時，平均工作電流為20mA，如果使用19Ah鋰電池，按每1小時發(fā)送一次數(shù)據(jù)計算，本無線示功儀可持續(xù)工作3年以上。

4.3 整機測試

對本文研制的無線示功儀在具有CNAS資質(zhì)的實驗室進行整機定型測試，已經(jīng)取得防爆合格證、計量校準(zhǔn)報告、EMC測試報告、防護等級測試報告、高低溫及振動測試報告、無線電型號核準(zhǔn)證以及油田物聯(lián)網(wǎng)A11協(xié)議測試報告，測試項目及參考標(biāo)準(zhǔn)參考本文第二節(jié)。最終測試結(jié)果如表5所示。

5 結(jié)語

基于對油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及產(chǎn)品相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究，研究設(shè)計了一種超低功耗一體式的無線示功儀，對硬件方案、量值計算方法及整機的測試做了詳細(xì)的論述。通過實際實驗驗證，本文設(shè)計的示功儀運行穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確度滿足工程要求。同時，本設(shè)備在第三方實驗室做了定型實驗，取得了相關(guān)行業(yè)認(rèn)證或檢測報告，確定了最終產(chǎn)品指標(biāo)。在研制過程中，總結(jié)出：采用加速度來計算位移是一種行之有效的方法，但在數(shù)據(jù)處理算法上仍然需要仔細(xì)斟酌研究；微型化、智能化是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢和要求，雖然本文研制的一體化無線示功儀比傳統(tǒng)的示功儀有重大改進，符合油田物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品要求，但對體積、功耗、智能化等方面還存在很大改進空間。

表5 本文研制的示功儀測試指標(biāo)