一體化無線防爆示功儀的研制*

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(jī)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(jìn)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?，F(xiàn)象，以及可以通過分析獲取抽油機(jī)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(jìn)行遠(yuǎn)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(jī)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(jī)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(jī)，監(jiān)控主機(jī)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(hù)、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(jī)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(jī)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(jī)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??；

2）性價比高，功耗低，體積??；

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(jìn)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(jìn)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(jī)運行周期），有

由于抽油機(jī)的周期性運動，有V(T)=V(0)。

對得出的速度a（t）進(jìn)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(jìn)行積分，同樣考慮抽油機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)工作時的數(shù)據(jù)。圖5為抽油機(jī)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(jìn)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(jī)通過USB或網(wǎng)線與低功耗測試儀連接，如圖8所示，計算機(jī)安裝有功耗記錄分析軟件。示功儀開機(jī)，處于正常工作模式，PC機(jī)軟件對DUT設(shè)備電流、電壓及功耗進(jìn)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(jī)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(jìn)行整機(jī)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(hù)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(jī)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(jìn)，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(jìn)空間。

表5 本文研制的示功儀測試指標(biāo)