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研究院 任丘 062552）（2.河南輕工職業學院 鄭州 450000）

1 引言

抽油機井抽油是石油生產中最重要的工藝過程之一。及時準確獲知的油井運行狀態可考察油井單位時間的產量、跟蹤掌握地下油藏區塊的動態情況、預測和評價油井區塊的開發潛力、總體分析和把握全局產能情況、合理制定油田生產方案。油井示功圖是油井運行狀態的重要表征，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，并在坐標紙上進行制圖，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，可以了解油井動態及抽油裝置的各項參數選擇是否合理、反映出深井泵在井下工作中的異常現象，以及可以通過分析獲取抽油機井的工作制度是否合理等信息［1］。

傳統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、準確、全面直觀、連續地反應生產動態。鑒于傳統人工測量方式的上述問題，現有技術發展了可以進行遠程監控的無線示功儀。無線示功儀功圖測量和傳統示功圖測量方法不同，同時，油田是一個特殊行業，對無線示功儀協議、防爆性能及功耗等都有相應的要求。

本文在充分研究石油行業對物聯網產品相關法規要求及無線示功儀關鍵技術基礎上，設計了一種超低功耗本安型防爆示功儀［2］。

2 標準研究［3～18］

無線示功儀應用于油田，需要符合油田防爆標準，無線協議要符合油田物聯網標準。同時，本產品作為無線計量電子設備，還需要符合電子產品相關的環境適應性標準、計量規范、電磁兼容標準、無線射頻規范等。如果產品出口國外，需要符合相關地區認證法規要求，如出口歐盟地區，需要符合CE、ROHS認證法規等。詳細要求及參考標準見表1。

鑒于篇幅，本文僅對本產品所涉及的相關標準和法規做了詳細的統計和基本解讀。每項測試所參考的標準都很詳細地規定了相關測試要求和方法。本文不再詳細解讀。

3 無線示功儀設計

3.1 基本原理［19］

懸繩器是抽油機驢頭和光桿的連接裝置，無線示功儀安裝在該懸繩器上。抽油機光桿往復運動時，懸繩器上產生交變載荷，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部軟件積分，計算出當前載荷時的位移，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送至監控主機，監控主機依據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、數據采集處理模塊、放大器及調理濾波電路、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

無線示功儀使用環境決定了其必須具備低功耗、防爆、高防護、抗沖擊等特點，量值準確度等級要符合計量規范，詳細要求見本文第2節。故在硬件選型時，要充分考慮諸因素。

抽油機光桿在往復運動時，加速度幅值和頻響較低。通過加速度計算位移，位移準確性與位移計算算法相關，具體算法在下面章節論述。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械傳感元件芯片和一個信號調節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，能直接與數據采集電路連接，有效簡化測試系統，減小了整機尺寸，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，噪聲小；

2）性價比高，功耗低，體積小；

3）穩定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。

其關鍵參數如表2所示。

表2 SCA610振動加速度傳感器關鍵參數

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環境溫度性能，具有很好的穩定性和防水性。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，由物理量變化引發電阻變化，導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。數據采集處理芯片帶有4路12位ADC通道，對應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行放大，合理調節放大倍數，使得運放輸出的電壓在2.2V左右，即留有一定余量。其關鍵參數如表3所示。

表3 KTJ-15t型力傳感器傳感器關鍵參數

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以及在線的要求，時域分析方法越來越受到關注和應用。直接利用時域積分的方法對加速度信號進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可認為是一常數值。

在時刻0～T范圍內（T為抽油機運行周期），有

由于抽油機的周期性運動，有V(T)=V(0)。

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 載荷數據計算［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行分段插值，得出載荷特性曲線，如圖4所示。N的值越大，結果的精度就越高。上位機依據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在使用的功圖做對比測試。從測試數據來看，從14：43分開始，大約記錄的5分多鐘數據是真實有效而且是抽油機工作時的數據。圖5為抽油機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系，而實際測得的數據為加速度，因此，需要對所測得原始數據進行處理，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，用力作為縱坐標，構建的一分鐘內的示功圖曲線如圖7所示，從圖可以看出，在一分鐘內的七條曲線基本吻合在一起。

圖7 一分鐘內多次測量的示功圖曲線

表4 兩個示功儀測試示功參數對比

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，數值吻合。測得的具體數據與用戶測得的數據對比如表4所示。

4.2 功耗測試

示功儀（DUT）與低功耗測試儀連接，計算機通過USB或網線與低功耗測試儀連接，如圖8所示，計算機安裝有功耗記錄分析軟件。示功儀開機，處于正常工作模式，PC機軟件對DUT設備電流、電壓及功耗進行采集和分析。

圖8 功耗測試圖

測試結果顯示，本文研制的無線示功儀休眠狀態時，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小時發送一次數據計算，本無線示功儀可持續工作3年以上。

4.3 整機測試

對本文研制的無線示功儀在具有CNAS資質的實驗室進行整機定型測試，已經取得防爆合格證、計量校準報告、EMC測試報告、防護等級測試報告、高低溫及振動測試報告、無線電型號核準證以及油田物聯網A11協議測試報告，測試項目及參考標準參考本文第二節。最終測試結果如表5所示。

5 結語

基于對油田物聯網系統及產品相關國家或行業標準的研究，研究設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的測試做了詳細的論述。通過實際實驗驗證，本文設計的示功儀運行穩定可靠，準確度滿足工程要求。同時，本設備在第三方實驗室做了定型實驗，取得了相關行業認證或檢測報告，確定了最終產品指標。在研制過程中，總結出：采用加速度來計算位移是一種行之有效的方法，但在數據處理算法上仍然需要仔細斟酌研究；微型化、智能化是物聯網產品的發展趨勢和要求，雖然本文研制的一體化無線示功儀比傳統的示功儀有重大改進，符合油田物聯網產品要求，但對體積、功耗、智能化等方面還存在很大改進空間。

表5 本文研制的示功儀測試指標