|
于云華 張家珍 時(shí)海濤 王平 中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院 2009-09-07 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 引言 示功圖分析可以了解油井實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)及抽油裝置是否合理[1]。同時(shí)，示功圖是抽油機井裝置故障診斷的重要依據之一。因此，示功圖測量的好壞對于整個(gè)抽油系統工作效率和自動(dòng)化水平的提高具有非常重要的意義。 目前，采油現場(chǎng)使用示功儀測量位移和沖程的方式以拉線(xiàn)式為主，然而以拉線(xiàn)式測量位移和沖程的方法存在儀器笨重、斷頭率高、局部磨損嚴重等不足，對現場(chǎng)操作造成了很多不便。為此，針對采油現場(chǎng)的迫切需求，提出了小型化和無(wú)繩化示功圖測試儀的設計方案，以徹底避免拉線(xiàn)式所固有的缺陷。 硬件電路設計 基于加速度傳感器的示功圖測試儀的硬件框圖如圖1所示，主要分為四部分：電源管理系統、載荷信號調理電路、加速度信號調理電路、主控及輔助設備電路。其中，加速度傳感器負責采集油桿上下運動(dòng)的加速度信號，通過(guò)積分算法而得到位移和沖程，是示功圖測試儀硬件的設計核心。 
加速度信號調理電路 示功圖測試儀的位移和沖程是通過(guò)加速度雙重積分得到的，考慮到油桿上下周期性運動(dòng)的特點(diǎn)，將一個(gè)周期加速度測量值減去其平均值，令邊界條件為零，對修正后的加速度積分得到速度;令邊界條件為零，對修正后的速度積分得到?jīng)_程[2]。由于必須對原始加速度信號進(jìn)行相應的濾波處理，去除邊界的雙重積分算法較復雜，所以本系統采用了單片機程序濾波積分的方法，放棄了硬件積分器的方案來(lái)實(shí)現積分算法，電路如圖2所示，是采用加速度傳感器芯片ADXL203、適當配置的外圍器件和TI的MSP430F1611微控制器組成的。其中，COM引腳是公共地，DNC是懸空引腳，Vs是電源引腳，ST是自測引腳(正常使用時(shí)該引腳接低電平)，XOUT和YOUT是水平和垂直方向的加速度測量信號輸出。
ADXL203是一款高精度、低功耗的iMEMS型雙軸加速度傳感器芯片[3]，具有信號可調的電壓輸出，既可測量動(dòng)態(tài)加速度，又可以用來(lái)實(shí)現諸如重力加速度的靜態(tài)測量。ADXL203典型測量范圍為±1.7g，承受3500g極限加速度。其下拉電流小于700mA，輸出量為一個(gè)與加速度成比例的模擬電壓信號，靈敏度達到1000mV/g。 ADXL203加速度傳感器輸出幅值與所測加速度成正比的方波信號。傳感器主要由一個(gè)利用表面微機械加工的多晶硅機構和一個(gè)差動(dòng)電容器組成，在加速度的作用下，多晶硅結構會(huì )產(chǎn)生偏移，拉動(dòng)差動(dòng)電容的中心極板滑動(dòng)，使兩個(gè)電容值不同，在中心極板產(chǎn)生電壓，傳感器輸出方波，輸出方波的幅值與所測的加速度成正比。當供電電壓改變時(shí)，靈敏度就會(huì )發(fā)生相應變化，影響測量精度。例如：5V電壓供電，輸出電壓比例系數1V/g;3V電壓供電，輸出電壓比例系數0.56V/g。本系統在A(yíng)DXL203的電源端并聯(lián)0.01mF和10mF兩個(gè)電容，很好地過(guò)濾了低頻和高頻噪聲信號，大大減少了電源紋波對加速度傳感器輸出電壓的影響。 ADXL203允許根據實(shí)際需要改變XOUT和YOUT引腳處的濾波電容大小來(lái)設計輸出信號帶寬。根據實(shí)際抽油現場(chǎng)的噪聲分析，XOUT，YOUT引腳處的濾波電容先后選擇了0.01mF，0.1mF和10mF，其中以10mF濾波電容毛刺最少，效果最好，從而實(shí)現對信號的最大程度的硬件去鋸齒和去噪。 MSP430單片機A/D采集與數據處理 以上加速度水平、垂直信號經(jīng)過(guò)調理后，都要輸入MSP430單片機的 A/D進(jìn)行模數轉換。MSP430中ADC12模塊[4]能夠實(shí)現12位精度的模數轉換，本系統使用穩壓芯片輸出電壓3V作為A/D參考電源。 示功圖測試儀的垂直加速度變化大，水平加速度變化小。垂直加速度信號范圍：1~2V，水平加速度信號范圍：0.5~2.5V。通過(guò)以上MSP430 A/D功能特點(diǎn)分析，確定其完全可以滿(mǎn)足示功圖信號的采集需求。 示功儀加速度在兩次去除邊界積分后并不能得到準確的沖程，往往對于同一口井會(huì )得出兩個(gè)差異很大的沖程。因為加速度量的電壓信號很小，3V供電系統造成加速度與電壓的比例系數很小(0.56V/g)，MCU采集加速度電壓信號受干擾嚴重。所以必須對采集的加速度信號進(jìn)行合適的濾波后再雙重積分得到?jīng)_程。 首先，將采集到一個(gè)周期的加速度的數據存放在RAM中，對加速度數據進(jìn)行奇異值的濾除;然后對加速度量進(jìn)行3次7點(diǎn)平滑窗濾波，最大限度地將噪聲信號濾除;最后，應用周期去邊界的雙重積分得到各點(diǎn)的位移值，對應各點(diǎn)載荷量，在液晶屏上畫(huà)出示功圖，并將油井信息和示功圖信息儲存到外部EEPROM中。 加速度信號的復合濾波方法 示功儀采用加速度信號進(jìn)行雙重積分算法得到位移和沖程，但是，加速度信號由于電源紋波和信號干擾的影響引起波形的微小畸變，經(jīng)過(guò)雙重積分后沖程累積誤差增大。針對加速度信號測量位移和沖程所存在的問(wèn)題，本文在分析形態(tài)濾波和傳統平滑濾波的基礎上，提出了一種改進(jìn)的復合濾波方法。 形態(tài)濾波法 形態(tài)濾波[6]是一種非線(xiàn)性數字濾波技術(shù)，主要應用在人臉識別領(lǐng)域。根據加速度信號的特點(diǎn)，形態(tài)濾波可以有效地抑制加速度信號的噪聲，較好的保持加速度信號的幾何特征[5]。本文采用了腐蝕與擴散相結合的方式來(lái)達到形態(tài)濾波的效果，核心算法定義為： Y={[(fΘg)⊕g](n)+[(f⊕g)Θg](n)}/2 其中，[(fΘg)⊕g](n)表示形態(tài)開(kāi)運算，[(f⊕g)Θg](n)表示形態(tài)閉運算，g表示結構元素，本文選用{0，7.0711，10，7.0711，0}。 通過(guò)抽油現場(chǎng)測試，游梁式抽油機的位移和沖程測量效果理想，加速度信號波形如圖3所示。
然而，該結構元素g只針對游梁式抽油機設計，對皮帶式抽油機沒(méi)有兼容性，現場(chǎng)測試結果誤差很大。由于形態(tài)濾波的性能與結構元素有密切關(guān)系，當信號的先驗波形無(wú)法確定時(shí)，理論上應采用自適應方法對結構元素尺寸最優(yōu)估計。顯然，利用MSP430單片機進(jìn)行自適應算法是不切合實(shí)際的。 改進(jìn)的滑動(dòng)濾波法 傳統的滑動(dòng)平滑濾波只采樣一次，將這一次采樣值與過(guò)去若干次采樣值一起求平均，若取N個(gè)采樣值求平均，RAM中必須開(kāi)辟N個(gè)數據的暫存區。 由于沖次(1分鐘內抽油機上下往返的次數)通過(guò)判斷加速度的兩個(gè)最高點(diǎn)的計算得出(兩個(gè)最高點(diǎn)之間的點(diǎn)數乘以采樣周期50ms得到抽油機運行周期，沖次=60/周期)。使用傳統的滑動(dòng)濾波方法最高點(diǎn)的誤判率高，難以得出準確的周期。本文采用了一種改進(jìn)的滑動(dòng)濾波方法，很好的解決了以上問(wèn)題。 選用MSP430F1611(10K RAM)定義1800大小浮點(diǎn)數數組用來(lái)存儲90s的加速度原始信號。經(jīng)過(guò)3次滑動(dòng)平滑濾波，公式如下： 3點(diǎn)滑動(dòng)塊：XK=(XK-1+XK+XK+1)/3 (1≤K≤N-1) 7點(diǎn)滑動(dòng)塊：XK+(XK-3+XK-2+XK-1+XK+XK+1+XK+2+XK+3)/7 (3≤K≤N-3) 式中：XK表示第K次采集的加速度數據;N表示采集數據個(gè)數;K表示當前加速度信號的序號。 經(jīng)過(guò)3點(diǎn)滑動(dòng)塊或7點(diǎn)滑動(dòng)塊處理90s采集的所有加速度信號后找到最大值MAX，然后在MAX前后找出相近的最大值MAX1和MAX2(MAX-MAX10.01V，MAX -MAX20.01V)，在50ms采樣間隔下算出周期和沖次：
式中：T表示抽油機上下周期;nMAX1表示MAX1點(diǎn)的采集序號;nMAX2表示MAX2點(diǎn)的采集序號。 本文對比3點(diǎn)滑動(dòng)塊和7點(diǎn)滑動(dòng)塊的波形，并對計算出的位移和沖程進(jìn)行比較，發(fā)現7點(diǎn)滑動(dòng)塊更能反映真實(shí)的加速度信號，同一口井的沖程測量重復性好，如圖4所示。
加速度雙重積分算法 示功圖測試儀利用加速度信號間接得到位移和沖程信息。得到加速度的測量值后，要計算抽油桿運動(dòng)的相對位移還必須解決兩個(gè)問(wèn)題：加速度的零點(diǎn)校正和積分求速度時(shí)邊界條件的確定。因只需得到抽油桿運動(dòng)的相對位移，由速度積分求位移時(shí)，可將邊界條件置為零。 經(jīng)過(guò)理論上的綜合推導，由加速度求位移或沖程的算法可簡(jiǎn)要表述為： (1)將一個(gè)周期內加速度的測量值減去其平均值，令邊界條件為零，對修正后的加速度積分(在MSP430中采用數值積分)得到速度; (2)將所求的速度減去其平均值，令邊界條件為零，對修正后的速度積分(在MSP430中采用數值積分)，即得到相對位移或沖程。 現場(chǎng)試驗數據分析 加速度傳感器ADXL203在電路板上實(shí)際放置位置的偏差可以直接影響其輸出信號的大小，本設計將ADXL203水平放置在電路板上。為驗證ADXL203放置位置是否準確，分別在水平和垂直兩種方式下測試了5次。測試結果表明，無(wú)論水平放置還是垂直放置，X，Y兩軸的誤差均小于0.5%。由此表明，在設計、焊接和安裝過(guò)程中，ADXL203的位置非常準確，達到了去除邊界雙積分算法的具體精度要求。
針對游梁式抽油機和皮帶式抽油機兩種不同類(lèi)型的抽油機井型，先后進(jìn)行了多次現場(chǎng)測量和數據分析，以沖程測量為例的數據與分析如表1所示。游梁式抽油機屬于旋轉運動(dòng)轉化為抽油桿上下運動(dòng)，往復一次的運動(dòng)規律接近正弦波變化，且沖程較短;皮帶式抽油機直接驅動(dòng)抽油桿上下運動(dòng)，運動(dòng)規律接近矩形波變化，且沖程較長(cháng)。 結語(yǔ) 現場(chǎng)試驗結果表明，本文研究的位移或沖程測量技術(shù)適用于沖程從2.1m~5m，沖次從0.8沖~5沖的不同抽油機井型，而且具有較高的測量精度;但是，對于沖次<0.8沖的稠油井抽油機，測量誤差偏大。 參考文獻： [1] 孫新銘，黃衛，曹利. 示功圖在油田生產(chǎn)中的應用[J].內江科技，2007(8)：125-142 [2] 容太平，沈承虎. 用加速度傳感器測量位移的原理與誤差分析[J].華中理工大學(xué)學(xué)報，2000，28(5)：58-60 [3] ADXL203 Precision ±1.7g Dual-Axis iMEMS Accelerometer[EB/OL]. http://www.analog.com [4] 張建成，吳新杰.形態(tài)濾波在實(shí)時(shí)信號處理中應用的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007(4)：825-831 [5] 鹿麟，林凌，李剛. ADXL203型雙軸加速計在傾斜度測量中的應用[J]. 國外電子元器件,2007,(7):61-64 |
