基于傳感器技術(shù)的有桿抽油井示功儀的研究.doc

基于ZigBee的油井信息采集終端的設(shè)計彭健1，徐志強2，周志權(quán)3（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機電學(xué)院自動化系，武漢 中國 430074）（2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機電學(xué)院自動化系，武漢 中國 430074）（3.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 中國 211100）摘要：針對油田功圖量油的需要提出了抽油井示功儀的設(shè)計。本文選擇以NXP JN5139-Z01-Mxx作為主控芯片、加速度傳感器ADXL202和壓力傳感器INA122U為傳感器芯片，重點介紹加速度、壓力傳感器在無線示功儀裝置上的應(yīng)用實現(xiàn)過程以及載荷和位移數(shù)值的求解算法。實踐證明本系統(tǒng)具有節(jié)能、穩(wěn)定、高精度等特點，已經(jīng)很好地應(yīng)用于江蘇油田的自動化量油系統(tǒng)中。關(guān)鍵字：ADXL202；INA122U；載荷；位移；示功儀 Design of Dynamometer Based On ZigBeePENGJian1, XUZhiqiang2 ZHOUZhiquan3（1. China University of Geosciences Wuhan China) （2. China University of Geosciences Wuhan China)（3. China University of hehai)Abstract：Pumping well dynamometer is designed for the needs of oil field automated transformation. This paper choose the NXP JN5139-Z01-Mxx as main chip, the acceleration sensor ADXL202 and pressure sensors INA122U as sensor chip, Introduced applications process of acceleration, and pressure sensor in terms of hardware and software. Finally, using a special algorithm get the displacement and load of the wells. Practice has proved that this system has the characteristics of energy-saving, stable, high-precision, has been used in the Jiangsu Oilfield automation of oil system.Keywords：ADXL202；INA122U；Load；Displacement；Dynamometer 1 引言測試計量是人們通過各種測試手段，從外界客觀事物中提取所需信息來認(rèn)識事物、掌握規(guī)律的一種科學(xué)方法。傳感器作為測試計量技術(shù)的重要組成部分，是整個測量系統(tǒng)的靈魂，起著獲取信息與轉(zhuǎn)換信息的重要作用，可以說沒有傳感器就沒有信息的傳輸和處理。近些年，傳感技術(shù)在工農(nóng)業(yè)、航天軍工以及與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的各個學(xué)科中得到了越來越廣泛地應(yīng)用。本文正是在這種背景下將傳感器技術(shù)應(yīng)用于油田功圖量油系統(tǒng)。功圖量油技術(shù)即利用自動化技術(shù)測量得到油井的位移和載荷，畫出載荷和位移的二維關(guān)系曲線來計算油井的常量。本系統(tǒng)利用載荷和位移關(guān)系的216對數(shù)據(jù)來畫出油井的示功圖，進而來計算油井的產(chǎn)量。1 示功儀總體結(jié)構(gòu)設(shè)計由于示功儀需要在野外工作，示功儀的設(shè)計理念是要求體積小、高精度、低功耗、密封性好等特點。無線示功儀主要由主控芯片，加速度傳感器和載荷傳感器組成組成，如圖1所示。示功儀通過主控芯片，控制著加速度傳感器和載荷傳感器對抽油機各項參數(shù)進行采集，采集的加速度和載荷信號經(jīng)過信號調(diào)理后再次送入主控制芯片，進行相關(guān)處理以后，存入存儲器中。 圖1無線示功儀主板結(jié)構(gòu)圖2示功儀硬件設(shè)計：2.1主控芯片的設(shè)計綜合功圖量油系統(tǒng)設(shè)計的各種需求，選擇NXP JN5139-Z01-Mxx系列模塊作為示功儀的主控芯片。JN5139是一款適用于IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用環(huán)境的低功耗、低成本微控制器，它集成了32位RISC處理器（32MIPS）、2.4GHz IEEE802.15.4無線收發(fā)器、192kB ROM、96kB RAM、2路UART、 I2C接口、SPI接口、內(nèi)部的溫度與電壓傳感器、并帶有喚醒計時器、21個DIO口、兩個應(yīng)用計時器、4路12位ADC、2路11位DAC以及豐富的模擬數(shù)字外圍接口。圖2 NXP JN5139芯片組成框圖2.2加速度傳感器的設(shè)計由于示功儀在油田野外復(fù)雜環(huán)境的工作需要，本文要選用的低功耗、低成本的ADXL202雙軸加速度傳感器。ADXL202是ADI公司出品的一款集雙軸加速度傳感器于一體的單塊集成電路系統(tǒng)，它具有以下特點：直流工作電壓為3V5.25V；低功耗，功耗最大僅為0.6mA；既可以測量動態(tài)加速度，又可以測量靜態(tài)加速度，測量范圍為(210)g；輸出為周期可調(diào)的脈寬調(diào)制信號，可以直接與單片機或計數(shù)器連接。 ADXL202的外圍電路設(shè)計如圖3所示，為了消除傳感器與微處理器共用電源所來帶來的干擾，本系統(tǒng)的電路采用鐵氧體磁珠、100電阻和0.1uF電容來抑制干擾。圖3加速度傳感器引腳連接電路圖2.2.1加速度信號的獲取芯片的數(shù)字輸出信號是如下圖所示的方波：圖4ADXL202輸出的數(shù)字信號占空比反映懸點加速度的大小和方向，計算公式為：由上式可知，只需測量T2和T1即可得到加速度的值。本文利用JN5139的兩個硬件定時器（Timer）協(xié)調(diào)操作實現(xiàn)對T2和T1的測量。硬件所需的連接只需將豎直方向的數(shù)字脈沖輸出引腳XOUT與JN5139的Timer0的捕獲引腳TIM0_CAP相連即可，如上圖3 。采集信號時，利用Timer1定時間隔C（C取1501.024毫秒遠(yuǎn)大于T2），定時觸發(fā)中斷，在中斷處理中再利用Timer0捕獲（Capture）加速度信號，當(dāng)信號上升沿或下降沿時觸發(fā)中斷，讀取計數(shù)，即可實現(xiàn)對T1和T2的測量。如下圖所示：圖5定時器捕獲加速信號2.3 壓力傳感器的設(shè)計考慮到安全穩(wěn)定以及抽油桿形狀的特殊性，本文選用了載荷傳CL-YB-10M/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。CL-YB-10M/15t載荷傳感器在抽油桿上的安裝示意圖如圖6所示。圖6 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（熱敏或力敏）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。JN5139芯片帶有4路12位ADC通道，對應(yīng)的模擬電壓值范圍為02.4V。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。電路連接框圖示意如下：圖7載荷傳感器原理示意2.3.1載荷信號的獲取ADC采集的軟件設(shè)計先利用DIO口使能傳感器電路的供電，再通過外圍設(shè)備的API配置JN5139芯片的ADC參數(shù)（ADC通道選擇，采集模式等），然后便可直接利用ADC提供的API讀取采樣結(jié)果（04095的數(shù)值），采集完畢后，還需關(guān)閉傳感器電源。之所以每次采集后均關(guān)閉傳感器電源，是保證節(jié)點盡可能少地消耗功率，在節(jié)點能耗中，傳感器所在的采集模塊占了很大部分。3數(shù)據(jù)處理設(shè)定Timer1定時間隔為1501.024，本文采取先采集800個點的加速度值，由800個點加速度值來推算抽油泵的周期。據(jù)此再采集一個周期內(nèi)216個點的加速度值和載荷值（前文介紹過一張示功圖包括216個點，所以采樣間隔為c=T/216。），然后經(jīng)過下文由載荷傳感器的數(shù)字采樣值求解抽油井的載荷值和由加速度求位移的算法求得抽油井的載荷和位移值。根據(jù)求得的216對載荷和位移關(guān)系的數(shù)據(jù)對畫出的油井示功圖如圖9所示3.1示功儀中的周期的計算本文通過對原始加速度信號進行合理的數(shù)字濾波來得到精確度很高的周期結(jié)果。數(shù)字濾波方法包括：剔除粗大誤差、限幅濾波、遞推平均濾波、查找極值、極值點歸并?！疤蕹执笳`差”是按照拉伊達法則，在所有采樣點中查找出滿足“與均值差值大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差”的粗大誤差點，并用其前后兩點的平均值代替?！跋薹鶠V波”是對“剔除粗大誤差”的補充，通過對相鄰兩個點的增幅百分比絕對值進行限定，超過限定值的點也將被其前后兩點的平均值所代替，完成對脈沖性擾動的濾除。限定值根據(jù)實驗測試獲得，設(shè)為1.75%。限幅濾波算法的程序代碼如下： #define A /允許的最大值 char prevdata; /上一次的據(jù) char filterfunc() char nextdata; /新數(shù)據(jù)變量 nextdata = get_data();/獲得新數(shù)據(jù)變量 if(nextdata-data)A|(data-nextdataA) return prevdata;/返回上一次數(shù)據(jù)作為本次采樣數(shù)據(jù) else return nextdata; “遞推平均濾波”即滑動平均濾波，N點遞推平均濾波就是用點i后N個點（包括點i）的平均值來代替點i的值，表達式為：Xi = (Xi + Xi+1 + + Xi+N-1)/N，每次應(yīng)用遞推平均濾波后，會拋掉最后N-1個點，盡管波形的相位發(fā)生了改變，但剩余點之間的相對位置是不變的，即周期的值沒有改變。發(fā)現(xiàn)取N=5時更能反映真實的加速度信號。程序如下：/函數(shù)：5點滑動濾波void pointFilter( int *p )int i,m;i = m =0;for(i = 0; i+4 n; i+)pi=(pi+pi+1+pi+2+pi+3+pi+4)/5;m+;n = m; “查找極值”是對濾波后的所有點進行遍歷，若點的幅值分別大于等于前后兩點的幅值則認(rèn)為該點是極大值點，同理，若點的幅值分別小于等于其前后兩點的幅值則判定其為極小值點。由于遞推平均濾波的影響，波峰/波谷附近可能會出現(xiàn)許多相等的點，即會誤判出多個極值點，需要對其進行歸并。以沖次為3次/分鐘（周期約為20秒）的抽油機為例，獲得800點原始加速度后，整個周期計算的過程演示如下：原始加速度信號 剔除粗大誤差 限幅濾波遞推平均濾波 查找極值點 極值點歸并最后可以得到圖中一個周期的采樣點間隔數(shù)為130，計算周期值1301501.024毫秒=19968毫秒。3.2由加速度求位移計算原理已知 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0T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，有綜上可以得到 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3.3載荷的計算假設(shè)傳感器量程范圍為0M（千牛），從中取N+1點，將量程均分為N段。經(jīng)過測試傳感器輸出電壓值與數(shù)字采樣值成近似線性關(guān)系。以相鄰兩點作一條直線，采用分段線性插值的方法，將數(shù)字采樣值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)模擬量值。根據(jù)上面介紹的方法獲取傳感器的數(shù)字采樣值DS后，找到對應(yīng)的區(qū)間和直線，即可映射得到DS對應(yīng)的模擬值。如下所示： 圖8分段線性插值其中：( 0 i N) 對點(Di,Qi)和(Di+1,Qi+1)得到直線方程假如DiDSDi+1（實際DiDi+1），則根據(jù)上式可求出對應(yīng)物理量的值，N的值越大，結(jié)果的精度就越高。圖9上位機功圖采集顯示界面4結(jié)論：本文主要探討了基于加速度傳感器和載荷傳感器的抽油井?dāng)?shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計與實現(xiàn)。實際應(yīng)用表明，本系統(tǒng)精確地實現(xiàn)了抽油井加速度和載荷數(shù)據(jù)的采集以及由載荷傳感器的數(shù)字采樣值和加速度傳感器測得的加速度值到抽油井載荷和位移的換算。本系統(tǒng)具有節(jié)能，高精度、高密封的特點，在野外的復(fù)雜環(huán)境也能良好地工作。參考文獻JN5139資料.北京博訊科技有限公司,2011.2 龔元明,蕭德云,胡郁樂等.抽油機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.石油機械,2001,29 (1):25-26.3 潘琢金,劉澤顯.智能抽油井示功儀J.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2000,6,17(2):52-54.4 吳建平.傳感器原理及應(yīng)用M.機械工業(yè)出版社,2009.15 何道清,張禾,諶海云.傳感器與傳感器技術(shù)(第二版)M.科學(xué)出版社,2008,66 陳凱,徐耀坤.ADXL202 雙軸加速度傳感器使用經(jīng)驗J.國外電子元器件,2007:67-687 張家田,董秀蓮.非線性傳感器的校正方法J.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2002,6,18(6): 27-29.8 龔榮.油井遠(yuǎn)程監(jiān)測管理軟件設(shè)計D.武漢理工大學(xué)自動化系碩士學(xué)位論文,2005.9 敬蜀蓉,李鑫,倪國強等.抽油機示功圖無線測試技術(shù)J.石油鉆采工藝,2004,04 , 26(4):79-81.0吳忻生,唐萍,秦瀚.數(shù)字濾波技術(shù)在稱重系統(tǒng)信號采集中的應(yīng)用