基于三軸加速度傳感器的抽油機懸點位移測量裝置設計

潘大偉, 于云華

(中國石油大學勝利學院 機械與控制工程學院,山東 東營 257061)

0 引 言

電工圖和示功圖是分析抽油機生產系統工況的重要手段,它們是抽油機電功率和載荷隨位移變化構成的封閉曲線[1,2]。抽油機的電功率可由功率表測量,載荷可由載荷傳感器測量;位移可由拉線式位移傳感器直接測量,或由角度式位移傳感器或加速度傳感器間接測量。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據間接計算位移值[3]。

為準確地計算位移,首先要確定抽油機的沖次,即確定抽油機的運動周期。抽油機的運動周期可以利用中值濾波、算術平均濾波、限幅濾波、滑動平均濾波等常用單片機濾波算法對采集的加速度數據進行數字濾波,再通過極值點法確定[4],也可以通過對加速度數據進行傅里葉級數分析計算[5]。常用單片機濾波算法可有效濾除高頻噪聲,對低頻雜波濾除效果較差;傅里葉級數分析運算量較大,不適合低功耗單片機。此外,抽油機位移一般對單軸加速度傳感器測量的運動加速度的雙重積分計算[6],當設備安裝方向出現偏差或者設備老化出現變形時,位移計算誤差會加大。

針對上述問題,本文首先采用自相關數字濾波算法對采集的加速度數據進行數字濾波,有效濾除加速度數據中的雜波,再采用極值點算法計算抽油機運動周期和沖次,并且采用三軸加速度傳感器同時采集三個軸向的加速度數據,通過相量合成對測量的抽油機懸點加速度偏差進行修正,提高抽油機懸點位移的計算精度。

1 位移測量裝置設計

1.1 總體設計

位移測量裝置主要由單片機模塊、電源模塊、加速度采集模塊、存儲模塊、ZigBee模塊等部分組成,如圖1所示。

圖1 位移測量裝置組成

該裝置由電池供電,選用單片機作為控制芯片,通過ADXL362型加速度傳感器測量三軸加速度數據,直接以數字量形式傳輸給單片機,單片機對加速度數據進行數字濾波,計算抽油機沖次,再通過雙重積分計算抽油機懸點位移,最后利用ZigBee模塊將測量結果發送至RTU。

1.2 電源模塊

由于該裝置固定于抽油機懸點,一直處于運動狀態,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體高效能低壓降線性穩壓器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 單片機模塊

該裝置與抽油機功率測量裝置相配合,測量抽油機的電功圖。功率測量裝置選用炬泉光電生產的HT5023型單片機[8]。該單片機基于ARM Cortex-M0內核,最高工作頻率39.32 MHz,同時配以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,本處理器在運算速度與功耗上達到平衡,滿足本裝置要求。同時,為了與功率測量裝置處理器一致,本裝置選用HT5023型單片機作為控制核心。

1.4 加速度采集模塊

本裝置中,ADXL362的測量范圍設置為±2gn,直接與單片機的SPI端口連接。單片機通過SPI總線讀取X,Y,Z三個軸向的加速度數字量數值。

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級ZigBee方案,可實現數據透明傳輸,并采用低功耗設計,最低電流小于1 μA。

裝置ZigBee模塊設置為定時休眠工作模式。每間隔一定時間,F8913D自動喚醒,SLEEP/ON引腳由高電平變為低電平。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,進行位移測量并接收RTU指令。喚醒時間結束后,F8913D再次進入休眠模式,HT5023進入睡眠模式。利用上述工作模式,降低整個裝置的功耗,延長電池使用時間。

2 抽油機沖次的計算

計算抽油機懸點位移,首先要確定抽油機懸點運動周期,即抽油機的沖次。本裝置首先采用自相關數字濾波算法對垂直方向的加速度數據進行數字濾波,再利用極值點法計算加速度信號周期,進而確定抽油機沖次。

2.1 自相關濾波算法的原理

相關檢測技術是利用信號的周期性和噪聲的隨機性特點,通過自相關運算消除噪聲[13]。設抽油機懸點在垂直方向X軸加速度為x(n),噪聲干擾為u(n),則采樣信號s(n)=x(n)+u(n)。已知抽油機懸點加速度x(n)為周期性信號,周期為M個采樣周期,s(n)的采樣時長為N個采樣周期,且N?M,則s(n)的自相關函數為

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

(1)

式中rxu(m)和rux(m)分別為x(n)和u(n)的互相關函數,因為干擾信號是隨機的,與X軸加速度無關,所以這兩項近似為零;ru(m)為干擾信號u(n)的自相關函數,它的值集中在m=0處,當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…處呈現峰值。由上述分析可知,采樣信號的自相關函數近似等于加速度信號的自相關函數rx(m),噪聲干擾基本被濾除。

2.2 自先關濾波算法的處理效果

本區域大部分抽油機的沖次不低于1沖,即運動周期不超過60 s,為了保證抽油機運動周期計算的準確性和快速性,裝置首先以200 ms的采樣周期連續采樣120 s,共采集600個數據。圖2是采用自相關濾波算法處理前后的加速度數據對比。坐標系橫軸代表采樣時間,縱軸代表加速度采樣數據。通過對比可以看出,自相關濾波算法可以在不影響原信號的類型和頻率情況下,有效濾除雜波信號的干擾,取得較好的效果。

圖2 濾波前/后X軸加速度數據

從上述分析可知,該濾波算法的濾波效果較好,但運算量較大,如對600個數據進行自相關濾波處理,共需進行600×600=360 000次字與字的乘加運算。裝置采用的HT5023單片機,完成一次600個點的自相關濾波運算實測需要1.926 s,此時計算抽油機運動周期的精度為一個采樣周期,即200 ms。提高運動周期計算精度,如提高為100 ms,則需要采集1 200個數據,自相關濾波的運算時間將接近8 s。因此,為兼顧測量精度和計算速度,裝置將運動周期的計算精度,即采樣周期,確定為200 ms。

對加速度數據濾波后,通過比較極值點便可以準確計算出抽油機運動周期,即計算出抽油機沖次。

3 懸點位移的計算

當三軸加速度傳感器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懸點時,其敏感軸如圖3所示。該情況下,X軸所測加速度可反映抽油機懸點在垂直方向的實際運動加速度。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。此時傳感器三軸所測的加速度均為懸點垂直運行加速度與重力加速度疊加后數值在三個軸線的分量,則可利用相量合成的方法對X軸測量的抽油機懸點運動加速度進行修正。

圖3 ADXL362與地面垂直時加速度敏感軸

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

(2)

將A值中的重力加速度去除,得到抽油機懸點在垂直方向的加速度。AX,AY,AZ和A加速度波形如圖4所示。圖中為抽油機一個沖次內直接從傳感器中讀取的三軸加速度數值和利用式(2)合成的加速度數值。

圖4 三軸加速度與合成加速度

得到抽油機懸點一個沖次內加速度的測量值后,減去其平均值,令速度的初始值為0,對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,對修正后的速度積分得到抽油機懸點的位移。

4 現場測試

所設計裝置在勝利油田多臺抽油機上進行了測試。辛11C17抽油機為一臺游梁式抽油機,它的運動周期為19 s,3.16沖,沖程為2.90 m。對該抽油機連續測量3次,并將測量數據記錄于表1。

表1 辛11C17抽油機測量數據

辛11X73抽油機為一臺皮帶式抽油機,它的運動周期為29 s,2.07沖,沖程為5.4 m。對該抽油機連續測量3次,并將測量數據記錄于表2。

表2 辛11X73抽油機測量數據

由測量數據可知,該抽油機懸點位移測量裝置能夠準確測量游梁式抽油機和皮帶式抽油機的沖次和沖程,正確反映抽油機懸點位移的變化情況。

5 結 論

本文研制的抽油機懸點位移測量裝置,利用三軸加速度傳感器ADXL362采集抽油機懸點在垂直方向的加速度,通過自相關濾波算法對采集數據進行濾波處理,再利用極值點法計算抽油機的運動周期和沖次;采集抽油機懸點在X,Y,Z三軸的加速度數據,通過相量合成消除加速度傳感器與地面不垂直引起的測量誤差;采用定時喚醒的工作模式降低功耗延長電池使用壽命。現場實驗測試表明該裝置運行可靠、精度高、功耗低,具有良好的實際應用價值。