專利名稱：無線網(wǎng)絡(luò)智能示功裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種油田抽油機(jī)井功圖的測(cè)量裝置，尤其是一種油田抽油機(jī)用無線網(wǎng)絡(luò)智能示功裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
所謂的示功裝置是指測(cè)量油田抽油機(jī)井功圖的儀器。所謂的功圖是以抽油機(jī)驢頭從下死點(diǎn)向上的位移量為橫坐標(biāo)，以桿載荷值的大小為縱坐標(biāo)，在該坐標(biāo)系下每個(gè)油井的桿載荷值與位移量在一個(gè)沖次里所形成的圖形。而桿載荷就是驢頭對(duì)光桿向上的拉力。抽油機(jī)井的功圖可以反映抽油機(jī)的工作狀況和油井內(nèi)部情況等信息，是油田對(duì)油井實(shí)施管理的重要依據(jù)，是油田的一項(xiàng)經(jīng)常性的檢查項(xiàng)目，如何快速、準(zhǔn)確、方便地獲取功圖尤其重要。
目前，功圖獲取的基本方法，主要由桿載荷傳感器、位移(或位置)傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理單元以及通信單元等組成。它由位置傳感器提供下死點(diǎn)信號(hào)，利用時(shí)間與位移的關(guān)系，通過測(cè)量時(shí)間計(jì)算載荷的位移，(或利用位移傳感器直接測(cè)量出載荷的位移)，同時(shí)測(cè)量桿載荷值，最后畫出功圖。用這種方法獲取功圖需要使用一個(gè)位移傳感器及一個(gè)桿載荷傳感器，而且需要電纜連接至數(shù)據(jù)采集器，由此產(chǎn)生安裝維護(hù)困難，特別是油井都在野外，整日風(fēng)吹雨淋日曬，電纜極易老化，而且人為的破壞也非常嚴(yán)重，一般情況下，他們的壽命較短，安裝維護(hù)都非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的油田抽油機(jī)用示功裝置功圖獲取不便、壽命較短、安裝維護(hù)困難的技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種無線網(wǎng)絡(luò)智能示功裝置及其控制方式，該裝置及其控制方式可以不需要位置傳感器及電纜傳輸也能得到抽油機(jī)工作時(shí)繪制功圖所需要的信息，從而使獲取功圖的測(cè)量設(shè)備簡單、操作易行、維護(hù)方便。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是無線網(wǎng)絡(luò)智能示功裝置包括電源電路及桿載荷傳感器，桿載荷傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路濾波后與單片機(jī)的AD輸入端相連，單片機(jī)連接有外部存儲(chǔ)器，單片機(jī)經(jīng)外部通信接口電路與無線通信模塊電路連接。
一種無線網(wǎng)絡(luò)智能示功裝置的控制方法，電源電路將蓄電池的12V電壓變成桿載荷傳感器所需的5V電壓，及單片機(jī)電路工作所需的3V電壓，桿載荷傳感器將抽油機(jī)驢頭所受到的力的大小轉(zhuǎn)換成0.4V--2.4V的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路處理后輸入到單片機(jī)的AD輸入端，在程序的控制下單片機(jī)按照一定的速率采集AD端口載荷傳感器傳輸?shù)哪M信號(hào)，通過對(duì)抽油機(jī)桿載荷波形的處理，找到與位移傳感器具有相同作用的特征點(diǎn)，利用這些特征點(diǎn)的信息來取代位置傳感器提供的信息，并將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并保存在存儲(chǔ)器中，當(dāng)數(shù)據(jù)采集到一定的時(shí)間時(shí)，單片機(jī)停止采集數(shù)據(jù)通過通信接口電路控制無線通信模塊發(fā)出建立GPRS通信聯(lián)路命令，當(dāng)通信聯(lián)路建立后，以TCP/IP協(xié)議的形式向監(jiān)控中心發(fā)送處理后的桿載荷數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心根據(jù)接收到的無線數(shù)據(jù)，便可以繪制出功圖。
本發(fā)明的有益效果是，使用時(shí)安裝于抽油機(jī)的懸繩器與鎖卡之間，省去了位置傳感器，使功圖測(cè)量設(shè)備大為簡化、安裝維護(hù)非常方便，基本消除了被人破壞的可能，可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，并且采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信傳送數(shù)據(jù)，節(jié)省無線電頻率資源，通信距離遠(yuǎn)近不受限制。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的電路原理框圖。
圖2-1、圖2-2是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3是靜載荷波形圖。
圖4是帶有阻尼振動(dòng)的載荷波形圖。
圖5是帶有慣性載荷的波形圖。
圖中 1.電源電路 2.濾波電路 3.單片機(jī)電路 4.存儲(chǔ)器 5.通信接口電路 6.通信模塊電路 7.桿載荷傳感器。
具體實(shí)施例方式
在圖1、圖2中，桿載荷傳感器7輸出的電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路2濾波后與單片機(jī)3的AD輸入端相連，單片機(jī)3電路連接有外部存儲(chǔ)器4用以保存單片機(jī)3電路采集及處理的數(shù)據(jù)，單片機(jī)3電路經(jīng)外部通信接口電路5與無線通信模塊電路6連接，經(jīng)無線通信模塊電路6處理后以TCP/IP協(xié)議的形式向監(jiān)控中心發(fā)射處理后的桿載荷數(shù)據(jù)，電源電路1將蓄電池的12V電壓變成桿載荷傳感器7所需的5V電壓，及單片機(jī)3電路工作所需的3V電壓。本實(shí)用新型單片機(jī)電路3采用C8051F021及74LS573模塊，存儲(chǔ)器4采用SST39VF512模塊，通信接口電路5采用WM02D模塊，電源電路1及濾波電路2都為常用的電路結(jié)構(gòu)形式，本實(shí)用新型桿載荷傳感器7與電源電路1及濾波電路2、單片機(jī)電路3、存儲(chǔ)器4、通信接口電路5、通信模塊電路6之間的電路連接方式為常用的連接形式，這里不再詳盡描述。
本發(fā)明的控制方法是，電源電路將蓄電池的12V電壓變成桿載荷傳感器所需的5V電壓，及單片機(jī)電路工作所需的3V電壓，桿載荷傳感器將抽油機(jī)驢頭所受到的力的大小轉(zhuǎn)換成0.4V--2.4V的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路處理后輸入到單片機(jī)的AD輸入端，在程序的控制下單片機(jī)按照一定的速率采集AD端口載荷傳感器傳輸?shù)哪M信號(hào)，通過對(duì)抽油機(jī)桿載荷波形的處理，找到與位移傳感器具有相同作用的特征點(diǎn)，利用這些特征點(diǎn)的信息來取代位置傳感器提供的信息，并將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并保存在存儲(chǔ)器中，當(dāng)數(shù)據(jù)采集到一定的時(shí)間時(shí)，單片機(jī)停止采集數(shù)據(jù)通過通信接口電路控制無線通信模塊發(fā)出建立GPRS通信聯(lián)路命令，當(dāng)通信聯(lián)路建立后，以TCP/IP協(xié)議的形式向監(jiān)控中心發(fā)送處理后的桿載荷數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心根據(jù)接收到的無線數(shù)據(jù)，便可以繪制出功圖。
本發(fā)明集成到一個(gè)小的箱體里，類似于一個(gè)較大的載荷傳感器，使用時(shí)只要將它安裝在懸繩器與瑣卡之間即可。
桿載荷波形特性分析桿載荷的大小雖然與多種因素有關(guān)，但如果按照作用力的性質(zhì)對(duì)它們進(jìn)行分類，主要有四類靜載荷、動(dòng)載荷、彈性載荷和摩阻載荷。
靜載荷包括抽油桿自重、柱塞上部液柱形成的靜液柱載荷。動(dòng)載荷包括抽油桿和油管內(nèi)的流體做不等速運(yùn)動(dòng)所形成的抽油桿和液柱的動(dòng)載荷，即慣性載荷。彈性載荷包括油泵在下死點(diǎn)突然加載和在上死點(diǎn)突然減載時(shí)使光桿變形而產(chǎn)生的彈力。摩阻載荷包括光桿與密封盒的摩擦力、光桿與液體之間的摩擦力、光桿與油管之間的摩擦力、液體在桿管環(huán)行空間內(nèi)的流體阻力、液體通過泵閥與柱塞內(nèi)孔的局部水力阻力以及柱塞與泵筒之間的半干摩擦阻力等。
根據(jù)各類桿載荷的作用力性質(zhì)可知，靜載荷的上下沖程分別是兩個(gè)不同的常量上沖程為光桿自重與柱塞上部液體的重量之和，下沖程為光桿在油液里的重量，它的時(shí)間—載荷曲線為一矩形波，功圖為矩形。由于油泵的加載與卸載不是在瞬間完成的，總需要一定的時(shí)間，所以它的時(shí)間—載荷曲線為一梯形波，如下列靜載荷波形圖所示(見圖3)，功圖為一平行四邊形。
彈性載荷與摩阻載荷的共同作用，使光桿在加載和卸載處開始產(chǎn)生帶有阻尼的振動(dòng)，如下列帶有阻尼振動(dòng)的載荷波形圖所示(見圖4)。對(duì)于淺井彈性載荷較小，有時(shí)可以忽略不計(jì)，但對(duì)于深井彈性載荷較大，必須給予重視。
慣性載荷與光桿運(yùn)動(dòng)的加速度成正比，當(dāng)采用光桿簡化運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，慣性載荷是一個(gè)余玄函數(shù)，它會(huì)使載荷波形的上下邊向中心傾斜，如下列帶有慣性載荷的波形圖所示(見圖5)。慣性載荷的最大值一般不超過靜載荷的1/10，對(duì)載荷波形的影響不大。
從上面的分析中可以看出桿載荷的波形具有如下的特征●周期性——在一定的時(shí)間間隔里，由于油泵和油井的情況變化不大，對(duì)于不同的沖次，它們的時(shí)間—載荷曲線和功圖相同，也就是說時(shí)間載荷-曲線和功圖是沖次為周期的函數(shù)。
●突變點(diǎn)——對(duì)于淺井油泵，靜載荷起主要作用，時(shí)間載荷波形在下死點(diǎn)處由平直變成較陡且較陡的上升沿。
●極值點(diǎn)——對(duì)于深井油泵，靜載荷、彈性載荷及慣性載荷起主要作用，時(shí)間載荷波形在下死點(diǎn)過后完成加載過程，使靜載荷達(dá)到最大值，同時(shí)慣性載荷也達(dá)到最大值。在這兩個(gè)載荷的共同作用下，光桿被拉致最長，彈性載荷也達(dá)到最大值，隨后光桿便開始進(jìn)行有阻尼振動(dòng)，漸進(jìn)于最大靜載荷。
從上面的分析可以看出，傳統(tǒng)的功圖測(cè)量方法利用測(cè)量驢頭連續(xù)兩次接近位置傳感器的時(shí)間計(jì)算沖次，利用驢頭觸發(fā)位置傳感器作為下死點(diǎn)，恰好與時(shí)間載荷波形的周期、突變點(diǎn)及極值點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。
確定周期從前面對(duì)桿載荷的波形分析知道，桿載荷的波形是一個(gè)非負(fù)的周期函數(shù)。如果能夠知道該函數(shù)的周期，那么其倒數(shù)就是沖次。
根據(jù)周期函數(shù)的定義，假設(shè)某時(shí)刻t的桿載荷值為f(t)，其周期為T，那么有f(t)＝f(T+t)(ta≤t≤tb) f(t)＞0(1)式中ta為起始時(shí)刻。
tb為終止時(shí)刻。
為了求出周期T，設(shè)g(t)＝f(X+t)，并令g(t)與f(t)差值為Δ，則Δ＝g(t)-f(t)＝f(X+t)-f(t)(2)可以證明，對(duì)于新造出的函數(shù)Δ具有如下特性(1)Δ還是以T為周期的周期函數(shù)。
(2)Δ是變量X的函數(shù)。
(3)當(dāng)f(t)為非常數(shù)函數(shù)時(shí)，使Δ＝0的充要條件是X為周期的整數(shù)倍。
根據(jù)Δ函數(shù)的上述特性，可以采用如下的方法確定周期T。令X從0開始以dt的步長逐漸增加，每增加一步都檢測(cè)Δ值，看Δ是否在t∈(ta，tb)內(nèi)處處為0。當(dāng)Δ值為0時(shí)停止X的增加，此時(shí)的X值就是周期T。
確定下死點(diǎn)根據(jù)載荷傳感器的力學(xué)特性可知，當(dāng)油井較淺時(shí)，從下死點(diǎn)開始載荷值突然增大，使波形由平緩變成陡立，該突變點(diǎn)就是下死點(diǎn)。
當(dāng)油井較深時(shí)，油桿彈性產(chǎn)生的載荷波動(dòng)會(huì)使下死點(diǎn)的波形變化較大，影響對(duì)下死點(diǎn)的判斷，此時(shí)，可以選用最大值判別，其原理如下由于油桿由下死點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)是一個(gè)加載過程，當(dāng)加載量大于油桿的彈性力時(shí)，加載力就會(huì)強(qiáng)迫油桿改變?cè)瓉淼恼駝?dòng)狀態(tài)，隨著加載力到達(dá)最大值后重新進(jìn)行振動(dòng)，從而使下死點(diǎn)與最大載荷力之間存在一個(gè)固定的位移關(guān)系。最大值判別法就是先找到最大載荷值，然后利用這個(gè)關(guān)系來推算下死點(diǎn)。
該系統(tǒng)采用對(duì)桿載荷波形進(jìn)行分析建模的方法計(jì)算抽油機(jī)的周期、判斷下死點(diǎn)時(shí)刻以及判斷關(guān)停機(jī)狀態(tài)，省去了位置傳感器，使功圖測(cè)量設(shè)備大為簡化、安裝維護(hù)非常方便，基本消除了被人破壞的可能，可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。另外，它不僅可以測(cè)量功圖，而且還能判斷開停機(jī)，做到一機(jī)多能。
該系統(tǒng)采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信傳送數(shù)據(jù)，節(jié)省無線電頻率資源，通信距離遠(yuǎn)近不受限制。
權(quán)利要求
1.一種無線網(wǎng)絡(luò)智能示功裝置，包括電源電路及桿載荷傳感器，其特征在于桿載荷傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路濾波后與單片機(jī)的AD輸入端相連，單片機(jī)連接有外部存儲(chǔ)器，單片機(jī)經(jīng)外部通信接口電路與無線通信模塊電路連接。
2.一種無線網(wǎng)絡(luò)智能示功裝置的控制方法，其特征在于電源電路將蓄電池的12V電壓變成桿載荷傳感器所需的5V電壓，及單片機(jī)電路工作所需的3V電壓，桿載荷傳感器將抽油機(jī)驢頭所受到的力的大小轉(zhuǎn)換成0.4V--2.4V的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路處理后輸入到單片機(jī)的AD輸入端，在程序的控制下單片機(jī)按照一定的速率采集AD端口載荷傳感器傳輸?shù)哪M信號(hào)，通過對(duì)抽油機(jī)桿載荷波形的分析，找到與位移傳感器具有相同作用的特征點(diǎn)，利用這些特征點(diǎn)的信息來取代位置傳感器提供的信息，并將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并保存在存儲(chǔ)器中，當(dāng)數(shù)據(jù)采集到一定的時(shí)間時(shí)，單片機(jī)停止采集數(shù)據(jù)通過通信接口電路控制無線通信模塊發(fā)出建立GPRS通信聯(lián)路命令，當(dāng)通信聯(lián)路建立后，以TCP/IP協(xié)議的形式向監(jiān)控中心發(fā)送處理后的桿載荷數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心根據(jù)接收到的無線數(shù)據(jù)，便可以繪制出功圖。
全文摘要
本發(fā)明屬于油田抽油機(jī)井功圖的測(cè)量裝置領(lǐng)域，其特征是設(shè)有電源電路及桿載荷傳感器，桿載荷傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路濾波后與單片機(jī)的AD輸入端相連，單片機(jī)連接有外部存儲(chǔ)器用以保存單片機(jī)采集及處理的數(shù)據(jù)，單片機(jī)經(jīng)外部通信接口電路與無線通信模塊電路連接，經(jīng)無線通信模塊電路處理后以TCP/IP協(xié)議的形式向監(jiān)控中心發(fā)射處理后的桿載荷數(shù)據(jù)，省去了位置傳感器，使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信傳送數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01L3/00GK1560430SQ20041002362
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月25日
發(fā)明者陳維義, 雙春峰, 劉衍富 申請(qǐng)人:威海海特電子信息技術(shù)有限公司