抽油机位移测量装置设计

王 琰，孙洪岐，谢轶群，潘大伟

(山东石油化工学院 机械与控制工程学院，山东 东营 257000)

0 引言

抽油机井的示功图和电功图是分析抽油机井生产过程工况的常用方法。示功图是由抽油机井的光杆载荷和悬点位移组成的闭合曲线，电功图是由抽油机井的电功率和悬点位移组成的闭合曲线。光杆载荷通过安装于悬点的载荷传感器直接测量；电功率由安装于抽油机井配电箱内的电功率表直接测量；位移参数由拉线式位移传感器、角度式位移传感器或加速度传感器测量。其中，拉线式位移传感器是直接测量，角度式和加速度式位移传感器是间接测量，由于拉线式和角度式故障率较高，使用较少，因此抽油机井的位移参数主要利用加速度传感器输出的加速度数据的二次积分间接计算[1]。

本文利用加速度传感器检测抽油机悬点的运动加速度，用单片机对加速度传感器输出的模拟量进行AD转换，通过数字滤波算法对转换结果进行滤波处理，进而计算出位移数据。最后，利用WiFi模块将计算的位移数据远传至电功图测量装置或者示功图测量装置。

1 硬件电路设计

1.1 整体设计方案

测量装置包括电源电路、单片机控制电路、加速度采集电路、无线传输电路、存储电路等部分，如图1所示。

图1 装置设计

装置工作时固定于抽油机悬点，由电源电路向整个装置供电，用ADXL327型加速度传感器测量悬点的运动加速度，单片机的AD模块将转换结果转换为数字量，并进行数字滤波，再通过双重积分计算抽油机井的位移数据，最后经无线传输电路将测量结果发送至电功图或者示功图测量装置。

1.2 电源电路

测量装置安装于抽油机悬点，且悬点一直处于运动状态，无法使用电缆供电，因此采用锂电池供电。所选锂电池额定电压为3.7 V，额定容量为10 000 mAh。装置的单片机、加速度芯片、无线传输电路均采用3.3 V供电，为满足装置供电要求，选用由安森美半导体生产的高效能低压降线性稳压器NCP3335A。该芯片采用小型Micro8封装，输出电流500 mA，满足装置的供电要求[2]。电压转换电路如图2所示。

图2 电压转换电路

装置锂电池为可充电池，为保证电池能长期、反复使用，设计了充电电路。主控芯片为TP4056，是一款适用于单节锂电池采用恒流/恒压的线性充电器[3]。电路如图3所示，图中R4阻值为1.2 KΩ，充电电流设置为1 A。利用D1指示充电状态，电池充电时，D1点亮；充电结束，D1熄灭。

1.3 单片机电路

装置选用钜泉光电生产的HT5023型单片机，该单片机采用ARM Cortex-M0型内核，具有256 KB容量ROM和32 KB容量RAM，最高工作频率39.32 MHz，同时具有三路Σ-ΔADC，可实现高精度采样[4]。该型号单片机在睡眠模式下供电电流仅为2.9 μA，正常模式全速运行时供电电流仅有8 mA，具有低功耗、高速度、高精度AD转换的特点，能够满足测量装置的要求。

1.4 加速度采集电路

装置选用ADI公司生产的ADXL327型加速度计测量抽油机悬点的运动加速度[5]，芯片的测量范围为-2 g～+2 g，三轴检测，LFCSP型封装，供电电流低至350 uA。该芯片固定于抽油机悬点，当悬点运动时，三轴加速度计中检测到的加速度分量发生变化，Xout，Yout，Zout 3个引脚输出电压发生变化，该电压值与所测量加速度大小成正比。由于加速度计输出电压范围是0～3.3 V，所选单片机的AD范围是0～1 V，因此将加速度计输出信号转换为三分之一后，再送入单片机进行AD转换，电路如图4所示。

图4 加速度采集电路

1.5 无线通信电路

位移数据测量完成后，需要将其发送至电功仪或示功仪，因此配备了无线通信电路，电路核心器件是安信可科技生产的ESP-01S型WiFi模块。该模块为DIP-8封装，占用面积小，支持多种休眠模式，待机功耗低至0.1 MW，适合小型仪表使用，并采用串口与单片机通信，接线简单[6]。ESP-01S设置为AP工作模式和SERVER，监听电功仪或示功仪的位移测量请求指令，当位移数据测量完成后，再通过该模块将测量结果发送给电功仪或示功仪，电路如图5所示。为了降低整个装置的功耗，ESP-01S的GND端通过一个MOS管与电路板的GND相连。当不使用该模块时，断开MOS管，即将模块断电，以减小整个装置的耗电量。

图5 无线通信电路

1.6 存储电路

装置运行时，需要存储部分参数，因此设计了存储电路。存储芯片型号为FM24W256，是一片容量为256 Kbits，即32 KB的铁电存储器，可承受1014次的读写操作，工作时仅消耗电流100 μA[7]。通过I2C总线与单片机通信，为保证通信正常，在SCL和SDA两个管脚连接了上拉电阻，电路如图6所示。

图6 存储电路

2 软件程序设计

程序开发环境为Keil uVision5，采用模块化程序设计，主程序流程如图7所示。系统上电后，对系统进行初始化，包括单片机时钟设置、IO口设置、ESP-01S设置等；设置完成后，等待测量指令。接收到位移测量指令后，对加速度传感器的输出进行AD转换，然后对转换数据进行数字滤波，通过双重积分计算位移数据，计算完成后，利用WiFi模块将位移数据传输给示功仪或电功仪。

图7 主程序流程

3 现场实验

测量装置安装于胜利油田的多口抽油机进行测试。如图8所示为在辛11Z147井所测位移曲线，该抽油机为游梁式，冲次为1.37，冲程为3.0 m；如图9所示为在辛11×73井所测位移曲线，该抽油机为皮带式，冲次为1.93，冲程为5.4 m。实验结果可以看出，位移测量装置能准确测量游梁式和皮带式抽油机的位移数据。

图8 辛11Z147位移曲线

图9 辛11×73位移曲线

4 结语

本文利用电源电路、单片机电路、加速度测量电路、无线数据传输电路、数据存储电路搭建了抽油机位移参数测量装置，通过ADXL327型加速度传感器采集抽油机悬点的加速度，单片机对传感器输出进行AD转换和双重积分计算抽油机悬点的位移数据，并通过WiFi模块将位移信息传输至示功仪或电功仪。所研究设备采用加速度传感器对位移进行测量，克服了拉线式位移传感器和角度式位移传感器测量不方便、易损坏的缺点，有效降低了元件成本，并采用WiFi传输数据，减少了操作人员的工作量。现场实验测试表明，装置具有运行可靠、精度高、功耗低、使用成本低等优点，拥有良好的实际应用价值。