基于三軸加速度傳感器的抽油機沖次、沖程測量裝置的設計

支中元

摘要：抽油機沖程、沖次是繪制抽油機示功圖、計算抽油機平衡率的重要參數(shù)。通過加速度傳感器測量沖程、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，具有自動化、不影響生產(chǎn)等特點。采用單軸加速度傳感器測量抽油機沖程誤差較大，而該項目使用三軸加速度傳感器，并采用新技術、新算法，能夠精確測量抽油機沖程、沖次，而且可以將數(shù)據(jù)遠傳至智能終端，因此該項目具有重要的研究意義和應用價值。

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.

關鍵詞：三軸加速度；抽油機；單片機

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

中圖分類號：TE933 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）02-0093-03

0 引言

抽油機沖程、沖次是判斷抽油機運行工況的重要參數(shù)。抽油機沖程有多種測量方法，如拉線法、游梁角位移法、懸點加速度法等，但是均有一定的不足。如拉線法需要抽油機停機，易出現(xiàn)斷線故障，而且不適合在線監(jiān)測；游梁角位移法需要使用角位移傳感器，該傳感器長期受力，易損壞；懸點加速度法一般利用單軸加速度傳感器測量抽油機懸點加速度，再對加速度進行二次積分，計算抽油機沖程。該方法測量精度較低，只能通過沖程標定的方法測量抽油機位移，而且每臺抽油機都需要單獨標定，操作繁瑣。

綜上所述，目前所使用的抽油機沖程、沖次測量方法均由一定的缺點。該項目采用三軸加速度傳感器對抽油機懸點加速度進行測量，通過數(shù)字濾波對加速度數(shù)據(jù)進行處理，利用加速度傳感器的Y、Z軸數(shù)據(jù)對對X軸加速度數(shù)據(jù)進行誤差修正，然后設計新型數(shù)字積分算法來計算抽油機沖程；同時根據(jù)懸點加速度數(shù)據(jù)的變化特征，判斷當前抽油機的上、下沖程狀態(tài)，是否處于上、下死點，計算抽油機的沖次。最后，可以將采集的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式遠傳至智能終端[1-2]。

1 硬件電路設計

1.1 整體設計方案

本系統(tǒng)由電源模塊、單片機控制模塊、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懸點。電源模塊包括鋰電池和電源芯片，向整個裝置供電。三軸加速度傳感器測量抽油機懸點加速度，以數(shù)字信號形式輸出，通過SPI總線通信后，送入單片機控制電路，再利用單片機內(nèi)部編寫的濾波算法、加速度修正算法和沖程、沖次計算算法對數(shù)字量處理，準確計算抽油機的沖程、沖次，并利用存儲器存儲，最后利用無線模塊將數(shù)據(jù)傳送至智能終端。（圖1）

1.2 單元電路設計

1.2.1 單片機控制電路

該裝置選用TI公司的MSP430F1611單片機來作為其微控制器。該單片機是一個處理能力強、超低功耗、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富的16位單片機。MSP430系列單片機能在25MHz晶體的驅動下，實現(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)議的設置可以通過SPI接口進行設置[4]。芯片可以連接到絕大部分單片機芯片，并擁有126個通訊通道，6個數(shù)據(jù)通道，可滿足多點通訊和調(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。我們用插座實現(xiàn)芯片與單片機的連接，并設置相應的I/O口，實現(xiàn)新芯片的無線傳輸功能。該模塊與單片機的接線如圖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），測量范圍達±16g。該芯片分辨率高，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化，通過SPI總線與單片機通信。該芯片與單片機的連接電路如圖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 時鐘電路

對于時鐘，我們采用了DS1302芯片，此芯片使用32kHz晶振，通過I2C總線與單片機連接，同時連接一3.3V電池，當系統(tǒng)掉電時，可通過電池持續(xù)供電。

1.2.6 USB存儲電路

USB存儲電路以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通信。該裝置，單片機通過異步串口1與CH376通信。此外利用P4.1接收中斷信號，P4.0對CH376發(fā)出復位信號。電路如圖5所示。

2 算法設計

2.1 濾波算法設計

為了濾除加速度數(shù)據(jù)的干擾，我們設計了一種綜合濾波算法。該算法首先利用滑動平均濾波消除高頻噪聲干擾，再自動計算出閾值，通過該閾值消除加速度信號中的尖峰。該算法運算簡單，占用CPU時間小。該算法包括以下步驟：

①對加速度信號進行采樣，保存于數(shù)組X，包括X（0）～X（N-1），共N個數(shù)據(jù)；

②對加速度信號進行兩次七點滑動平均濾波，消除高頻雜波，單次七點滑動平均濾波公式為：

4 結語

本文充分調(diào)研了抽油機發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，采用三軸加速度傳感器對抽油機懸點加速度進行測量；運用加速度傳感器的Y、Z軸數(shù)據(jù)對X軸加速度進行誤差修正，實現(xiàn)了對位移的修正，貼近現(xiàn)場實際，豐富了測量手段，推進了測量的準確與快速。

參考文獻：

[1]王海文，鄭偉林，嚴錦根.抽油機懸點位移的在線測試[J].油田地面工程，2014，33（11）：41-42.

[2]李云飛，吳仲城，吳寶元，等.用于抽油機井示功儀的載荷位移一體化智能變送器[J].儀器儀表與傳感器，2012，2：15-21.

[3]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京航空航天大學出版社.

[4]敬蜀榮，李鑫，倪國強，等.抽油機示功圖無線測試技術[J].石油鉆采工藝，2004，8：79-81.

[5]榮太平，袁中平，等.用加速度傳感器測量位移的原理與誤差分析[J].華中理工大學學報，2000，5：58-60.