基于三軸加速度傳感器的抽油機(jī)懸點(diǎn)位移測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

潘大偉, 于云華

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院,山東 東營 257061)

0 引 言

電工圖和示功圖是分析抽油機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)工況的重要手段,它們是抽油機(jī)電功率和載荷隨位移變化構(gòu)成的封閉曲線[1,2]。抽油機(jī)的電功率可由功率表測(cè)量,載荷可由載荷傳感器測(cè)量;位移可由拉線式位移傳感器直接測(cè)量,或由角度式位移傳感器或加速度傳感器間接測(cè)量。拉線式和角度式故障率較高,使用較少,因此,目前油田主要利用加速度傳感器輸出的加速度數(shù)據(jù)間接計(jì)算位移值[3]。

為準(zhǔn)確地計(jì)算位移,首先要確定抽油機(jī)的沖次,即確定抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)周期。抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)周期可以利用中值濾波、算術(shù)平均濾波、限幅濾波、滑動(dòng)平均濾波等常用單片機(jī)濾波算法對(duì)采集的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波,再通過極值點(diǎn)法確定[4],也可以通過對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分析計(jì)算[5]。常用單片機(jī)濾波算法可有效濾除高頻噪聲,對(duì)低頻雜波濾除效果較差;傅里葉級(jí)數(shù)分析運(yùn)算量較大,不適合低功耗單片機(jī)。此外,抽油機(jī)位移一般對(duì)單軸加速度傳感器測(cè)量的運(yùn)動(dòng)加速度的雙重積分計(jì)算[6],當(dāng)設(shè)備安裝方向出現(xiàn)偏差或者設(shè)備老化出現(xiàn)變形時(shí),位移計(jì)算誤差會(huì)加大。

針對(duì)上述問題,本文首先采用自相關(guān)數(shù)字濾波算法對(duì)采集的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波,有效濾除加速度數(shù)據(jù)中的雜波,再采用極值點(diǎn)算法計(jì)算抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)周期和沖次,并且采用三軸加速度傳感器同時(shí)采集三個(gè)軸向的加速度數(shù)據(jù),通過相量合成對(duì)測(cè)量的抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度偏差進(jìn)行修正,提高抽油機(jī)懸點(diǎn)位移的計(jì)算精度。

1 位移測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

位移測(cè)量裝置主要由單片機(jī)模塊、電源模塊、加速度采集模塊、存儲(chǔ)模塊、ZigBee模塊等部分組成,如圖1所示。

圖1 位移測(cè)量裝置組成

該裝置由電池供電,選用單片機(jī)作為控制芯片,通過ADXL362型加速度傳感器測(cè)量三軸加速度數(shù)據(jù),直接以數(shù)字量形式傳輸給單片機(jī),單片機(jī)對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波,計(jì)算抽油機(jī)沖次,再通過雙重積分計(jì)算抽油機(jī)懸點(diǎn)位移,最后利用ZigBee模塊將測(cè)量結(jié)果發(fā)送至RTU。

1.2 電源模塊

由于該裝置固定于抽油機(jī)懸點(diǎn),一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此采用電池供電。電池選用ER34615型鋰亞電池,額定電壓3.6 V,容量19 000 mAh。

電源芯片選用安森美半導(dǎo)體高效能低壓降線性穩(wěn)壓器NCP3335A[7]。該芯片采用Micro8封裝,最高可以輸出500 mA電流,滿足ZigBee模塊和其他元件的供電要求。

1.3 單片機(jī)模塊

該裝置與抽油機(jī)功率測(cè)量裝置相配合,測(cè)量抽油機(jī)的電功圖。功率測(cè)量裝置選用炬泉光電生產(chǎn)的HT5023型單片機(jī)[8]。該單片機(jī)基于ARM Cortex-M0內(nèi)核,最高工作頻率39.32 MHz,同時(shí)配以256 kB ROM,32 kB RAM,三路Σ-ΔADC,睡眠模式下供電電流僅為2.9 μA。因此,本處理器在運(yùn)算速度與功耗上達(dá)到平衡,滿足本裝置要求。同時(shí),為了與功率測(cè)量裝置處理器一致,本裝置選用HT5023型單片機(jī)作為控制核心。

1.4 加速度采集模塊

本裝置中,ADXL362的測(cè)量范圍設(shè)置為±2gn,直接與單片機(jī)的SPI端口連接。單片機(jī)通過SPI總線讀取X,Y,Z三個(gè)軸向的加速度數(shù)字量數(shù)值。

1.5 ZigBee模塊

本裝置采用四信F8913D型ZigBee模塊[12]與RTU通信。該模塊采用高性能工業(yè)級(jí)ZigBee方案,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸,并采用低功耗設(shè)計(jì),最低電流小于1 μA。

裝置ZigBee模塊設(shè)置為定時(shí)休眠工作模式。每間隔一定時(shí)間,F8913D自動(dòng)喚醒,SLEEP/ON引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?。引腳連接HT5023的外部中斷引腳PA.8/INT3,將HT5023從睡眠模式喚醒為正常模式,進(jìn)行位移測(cè)量并接收RTU指令。喚醒時(shí)間結(jié)束后,F8913D再次進(jìn)入休眠模式,HT5023進(jìn)入睡眠模式。利用上述工作模式,降低整個(gè)裝置的功耗,延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

2 抽油機(jī)沖次的計(jì)算

計(jì)算抽油機(jī)懸點(diǎn)位移,首先要確定抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)周期,即抽油機(jī)的沖次。本裝置首先采用自相關(guān)數(shù)字濾波算法對(duì)垂直方向的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波,再利用極值點(diǎn)法計(jì)算加速度信號(hào)周期,進(jìn)而確定抽油機(jī)沖次。

2.1 自相關(guān)濾波算法的原理

相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是利用信號(hào)的周期性和噪聲的隨機(jī)性特點(diǎn),通過自相關(guān)運(yùn)算消除噪聲[13]。設(shè)抽油機(jī)懸點(diǎn)在垂直方向X軸加速度為x(n),噪聲干擾為u(n),則采樣信號(hào)s(n)=x(n)+u(n)。已知抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度x(n)為周期性信號(hào),周期為M個(gè)采樣周期,s(n)的采樣時(shí)長(zhǎng)為N個(gè)采樣周期,且N?M,則s(n)的自相關(guān)函數(shù)為

=rx(m)+rxu(m)+rux(m)+ru(m)

(1)

式中rxu(m)和rux(m)分別為x(n)和u(n)的互相關(guān)函數(shù),因?yàn)楦蓴_信號(hào)是隨機(jī)的,與X軸加速度無關(guān),所以這兩項(xiàng)近似為零;ru(m)為干擾信號(hào)u(n)的自相關(guān)函數(shù),它的值集中在m=0處,當(dāng)m>0則迅速減小,近似為零。因此,如果x(n)是以M為周期的,那么rx(m)也是以M為周期的,而且在m=0,M,2M…處呈現(xiàn)峰值。由上述分析可知,采樣信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)近似等于加速度信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)rx(m),噪聲干擾基本被濾除。

2.2 自先關(guān)濾波算法的處理效果

本區(qū)域大部分抽油機(jī)的沖次不低于1沖,即運(yùn)動(dòng)周期不超過60 s,為了保證抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)周期計(jì)算的準(zhǔn)確性和快速性,裝置首先以200 ms的采樣周期連續(xù)采樣120 s,共采集600個(gè)數(shù)據(jù)。圖2是采用自相關(guān)濾波算法處理前后的加速度數(shù)據(jù)對(duì)比。坐標(biāo)系橫軸代表采樣時(shí)間,縱軸代表加速度采樣數(shù)據(jù)。通過對(duì)比可以看出,自相關(guān)濾波算法可以在不影響原信號(hào)的類型和頻率情況下,有效濾除雜波信號(hào)的干擾,取得較好的效果。

圖2 濾波前/后X軸加速度數(shù)據(jù)

從上述分析可知,該濾波算法的濾波效果較好,但運(yùn)算量較大,如對(duì)600個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)濾波處理,共需進(jìn)行600×600=360 000次字與字的乘加運(yùn)算。裝置采用的HT5023單片機(jī),完成一次600個(gè)點(diǎn)的自相關(guān)濾波運(yùn)算實(shí)測(cè)需要1.926 s,此時(shí)計(jì)算抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)周期的精度為一個(gè)采樣周期,即200 ms。提高運(yùn)動(dòng)周期計(jì)算精度,如提高為100 ms,則需要采集1 200個(gè)數(shù)據(jù),自相關(guān)濾波的運(yùn)算時(shí)間將接近8 s。因此,為兼顧測(cè)量精度和計(jì)算速度,裝置將運(yùn)動(dòng)周期的計(jì)算精度,即采樣周期,確定為200 ms。

對(duì)加速度數(shù)據(jù)濾波后,通過比較極值點(diǎn)便可以準(zhǔn)確計(jì)算出抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)周期,即計(jì)算出抽油機(jī)沖次。

3 懸點(diǎn)位移的計(jì)算

當(dāng)三軸加速度傳感器ADXL362以貼片形式固定于電路板上,并且電路垂直地面安裝于抽油機(jī)懸點(diǎn)時(shí),其敏感軸如圖3所示。該情況下,X軸所測(cè)加速度可反映抽油機(jī)懸點(diǎn)在垂直方向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度。如果該傳感器由于某些原因與地面不垂直,傳感器的三軸軸線與各方向的水平線均存在一定的夾角。此時(shí)傳感器三軸所測(cè)的加速度均為懸點(diǎn)垂直運(yùn)行加速度與重力加速度疊加后數(shù)值在三個(gè)軸線的分量,則可利用相量合成的方法對(duì)X軸測(cè)量的抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加速度進(jìn)行修正。

圖3 ADXL362與地面垂直時(shí)加速度敏感軸

設(shè)ADXL362傳感器X,Y,Z三軸的測(cè)量值分別為Ax,Ay,Az。由于三軸正交,合成加速度數(shù)值為

(2)

將A值中的重力加速度去除,得到抽油機(jī)懸點(diǎn)在垂直方向的加速度。AX,AY,AZ和A加速度波形如圖4所示。圖中為抽油機(jī)一個(gè)沖次內(nèi)直接從傳感器中讀取的三軸加速度數(shù)值和利用式(2)合成的加速度數(shù)值。

圖4 三軸加速度與合成加速度

得到抽油機(jī)懸點(diǎn)一個(gè)沖次內(nèi)加速度的測(cè)量值后,減去其平均值,令速度的初始值為0,對(duì)修正后的加速度積分得到速度;再將所求速度減去其平均值,令位移的初始值為0,對(duì)修正后的速度積分得到抽油機(jī)懸點(diǎn)的位移。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

所設(shè)計(jì)裝置在勝利油田多臺(tái)抽油機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。辛11C17抽油機(jī)為一臺(tái)游梁式抽油機(jī),它的運(yùn)動(dòng)周期為19 s,3.16沖,沖程為2.90 m。對(duì)該抽油機(jī)連續(xù)測(cè)量3次,并將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于表1。

表1 辛11C17抽油機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)

辛11X73抽油機(jī)為一臺(tái)皮帶式抽油機(jī),它的運(yùn)動(dòng)周期為29 s,2.07沖,沖程為5.4 m。對(duì)該抽油機(jī)連續(xù)測(cè)量3次,并將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于表2。

表2 辛11X73抽油機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)

由測(cè)量數(shù)據(jù)可知,該抽油機(jī)懸點(diǎn)位移測(cè)量裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)量游梁式抽油機(jī)和皮帶式抽油機(jī)的沖次和沖程,正確反映抽油機(jī)懸點(diǎn)位移的變化情況。

5 結(jié) 論

本文研制的抽油機(jī)懸點(diǎn)位移測(cè)量裝置,利用三軸加速度傳感器ADXL362采集抽油機(jī)懸點(diǎn)在垂直方向的加速度,通過自相關(guān)濾波算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,再利用極值點(diǎn)法計(jì)算抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)周期和沖次;采集抽油機(jī)懸點(diǎn)在X,Y,Z三軸的加速度數(shù)據(jù),通過相量合成消除加速度傳感器與地面不垂直引起的測(cè)量誤差;采用定時(shí)喚醒的工作模式降低功耗延長(zhǎng)電池使用壽命?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該裝置運(yùn)行可靠、精度高、功耗低,具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。