一体化无线防爆示功仪的研制*

刘长清朱慧泉

（1.华北油田公司工程技术研究院 任丘 062552）（2.河南轻工职业学院 郑州 450000）

1 引言

抽油机井抽油是石油生产中最重要的工艺过程之一。及时准确获知的油井运行状态可考察油井单位时间的产量、跟踪掌握地下油藏区块的动态情况、预测和评价油井区块的开发潜力、总体分析和把握全局产能情况、合理制定油田生产方案。油井示功图是油井运行状态的重要表征，可以全面反映井下抽油泵运行状况以及原油的开采情况。示功图用来反映深井泵工作情况好坏，可由专门的仪器测出，并在坐标纸上进行制图，图上被封闭的线所围成的面积表示驴头在依次往复运动中抽油泵所做的功。通过分析示功图，可以了解油井动态及抽油装置的各项参数选择是否合理、反映出深井泵在井下工作中的异常现象，以及可以通过分析获取抽油机井的工作制度是否合理等信息［1］。

传统对示功图的测量是一个月一次的人工测量，但是这种人工的测量方式，工作量大而繁重，且难以及时、准确、全面直观、连续地反应生产动态。鉴于传统人工测量方式的上述问题，现有技术发展了可以进行远程监控的无线示功仪。无线示功仪功图测量和传统示功图测量方法不同，同时，油田是一个特殊行业，对无线示功仪协议、防爆性能及功耗等都有相应的要求。

本文在充分研究石油行业对物联网产品相关法规要求及无线示功仪关键技术基础上，设计了一种超低功耗本安型防爆示功仪［2］。

2 标准研究［3～18］

无线示功仪应用于油田，需要符合油田防爆标准，无线协议要符合油田物联网标准。同时，本产品作为无线计量电子设备，还需要符合电子产品相关的环境适应性标准、计量规范、电磁兼容标准、无线射频规范等。如果产品出口国外，需要符合相关地区认证法规要求，如出口欧盟地区，需要符合CE、ROHS认证法规等。详细要求及参考标准见表1。

鉴于篇幅，本文仅对本产品所涉及的相关标准和法规做了详细的统计和基本解读。每项测试所参考的标准都很详细地规定了相关测试要求和方法。本文不再详细解读。

3 无线示功仪设计

3.1 基本原理［19］

悬绳器是抽油机驴头和光杆的连接装置，无线示功仪安装在该悬绳器上。抽油机光杆往复运动时，悬绳器上产生交变载荷，无线示功仪定期采集该载荷及实时加速度，加速度通过示功仪内部软件积分，计算出当前载荷时的位移，同时，通过位移周期，计算出冲次。最终，示功仪将采集的载荷、位移及冲次通过无线通信模块发送至监控主机，监控主机依据载荷和位移绘制出功图。

无线示功仪有加速度计芯片、力传感器、数据采集处理模块、放大器及调理滤波电路、无线通信模块、缓存及电源模块组成。通过加速度计采集加速度值，通过力传感器采集载荷值，电源模块主要有防爆型锂亚酰氯电池和稳压电路组成。硬件原理图如图1所示。

图1 硬件原理图

3.2 加速度传感器选型

无线示功仪使用环境决定了其必须具备低功耗、防爆、高防护、抗冲击等特点，量值准确度等级要符合计量规范，详细要求见本文第2节。故在硬件选型时，要充分考虑诸因素。

抽油机光杆在往复运动时，加速度幅值和频响较低。通过加速度计算位移，位移准确性与位移计算算法相关，具体算法在下面章节论述。综上考虑，振动加速度传感器选择SCA610电压输出型MEMS加速度传感器，该传感器是将一个硅体微机械传感元件芯片和一个信号调节ASIC封装在一起。原理图如图2所示。

图2 加速度计原理图

其内装IC-集成电路放大器，将加速度敏感元件与ASIC集于一体，能直接与数据采集电路连接，有效简化测试系统，减小了整机尺寸，减低功耗，提高测量精度和可靠性。其突出特点如下：

1）低阻抗输出，抗干扰，噪声小；

2）性价比高，功耗低，体积小；

3）稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。

其关键参数如表2所示。

表2 SCA610振动加速度传感器关键参数

3.3 载荷测量

本文选用了载荷传KTJ-15t。这种传感器采用全密闭封装，提高了传感器的适应环境温度性能，具有很好的稳定性和防水性。载荷传感器在抽油杆上的安装示意图如图3所示。

图3 示功仪载荷传感器安装示意图

示功仪采集的载荷的基本电路是带有特殊（力敏）电阻的电阻桥，由物理量变化引发电阻变化，导致电路输出电压的变化，输出电压视传感器从几毫伏到上百毫伏不等。数据采集处理芯片带有4路12位ADC通道，对应的模拟电压值范围为0～2.4V。传感器到芯片ADC引脚之间用运算放大器对电压信号进行放大，合理调节放大倍数，使得运放输出的电压在2.2V左右，即留有一定余量。其关键参数如表3所示。

表3 KTJ-15t型力传感器传感器关键参数

3.4 加速度积分求位移［20～21］

常用的处理积分的方法有频域法和时域法两种。随着各种算法软件的开发以及在线的要求，时域分析方法越来越受到关注和应用。直接利用时域积分的方法对加速度信号进行积分可避免傅里叶变换所引起的截断误差，如漏泄等。已知

A（t）、a（t）、G分别为加速度传感器t时刻的输出、抽油杆t时刻的悬点加速度、重力加速度。G可认为是一常数值。

在时刻0～T范围内（T为抽油机运行周期），有

由于抽油机的周期性运动，有V(T)=V(0)。

对得出的速度a（t）进行积分得到速度公式：

起始速度V（0）未知，令其为零，加速度积分求出的速度设为

对V（t）进行积分，同样考虑抽油机运动的周期性，即S（T）=S（0）得到

最后，设位移的起始点位移为零，得到相对于起始点的位移计算公式：

3.5 载荷数据计算［22］

传感器量程范围为0～15（kN），从中取N+1点，将量程均分为N段。通过实际测量的值进行分段插值，得出载荷特性曲线，如图4所示。N的值越大，结果的精度就越高。上位机依据通过测量值拟合的载荷曲线和示功仪采集的位移值绘制出功图。

4 实际测试

4.1 功图测试

本文研制的功图和客户已经在使用的功图做对比测试。从测试数据来看，从14：43分开始，大约记录的5分多钟数据是真实有效而且是抽油机工作时的数据。图5为抽油机工作时的加速度随着时间变化曲线及力随时间变化曲线图。

由于示功图需要位移与力的关系，而实际测得的数据为加速度，因此，需要对所测得原始数据进行处理，积分后的速度-时间变化曲线如图6所示。

图5 加速度（上）和载荷（下）时域图

图6 速度（上）和位移（下）时域变化曲线图

速度再次积分后的位移-时间变化曲线图如图5所示。用位移作为横坐标，用力作为纵坐标，构建的一分钟内的示功图曲线如图7所示，从图可以看出，在一分钟内的七条曲线基本吻合在一起。

图7 一分钟内多次测量的示功图曲线

表4 两个示功仪测试示功参数对比

对比我们测得的示功图曲线与用户所测得的示功图曲线可知，两幅示功图的外形以及凹凸曲线基本一致，数值吻合。测得的具体数据与用户测得的数据对比如表4所示。

4.2 功耗测试

示功仪（DUT）与低功耗测试仪连接，计算机通过USB或网线与低功耗测试仪连接，如图8所示，计算机安装有功耗记录分析软件。示功仪开机，处于正常工作模式，PC机软件对DUT设备电流、电压及功耗进行采集和分析。

图8 功耗测试图

测试结果显示，本文研制的无线示功仪休眠状态时，平均电流为35μA，工作时，平均工作电流为20mA，如果使用19Ah锂电池，按每1小时发送一次数据计算，本无线示功仪可持续工作3年以上。

4.3 整机测试

对本文研制的无线示功仪在具有CNAS资质的实验室进行整机定型测试，已经取得防爆合格证、计量校准报告、EMC测试报告、防护等级测试报告、高低温及振动测试报告、无线电型号核准证以及油田物联网A11协议测试报告，测试项目及参考标准参考本文第二节。最终测试结果如表5所示。

5 结语

基于对油田物联网系统及产品相关国家或行业标准的研究，研究设计了一种超低功耗一体式的无线示功仪，对硬件方案、量值计算方法及整机的测试做了详细的论述。通过实际实验验证，本文设计的示功仪运行稳定可靠，准确度满足工程要求。同时，本设备在第三方实验室做了定型实验，取得了相关行业认证或检测报告，确定了最终产品指标。在研制过程中，总结出：采用加速度来计算位移是一种行之有效的方法，但在数据处理算法上仍然需要仔细斟酌研究；微型化、智能化是物联网产品的发展趋势和要求，虽然本文研制的一体化无线示功仪比传统的示功仪有重大改进，符合油田物联网产品要求，但对体积、功耗、智能化等方面还存在很大改进空间。

表5 本文研制的示功仪测试指标