基于加速度傳感器的油井示功圖位移測量技術(shù)研究

1、基于加速度傳感器的油井示功圖位移測量技術(shù)研究時間：2009-09-1512:49:12來源：電子產(chǎn)品世界作者：于云華,張家珍,時海濤,王平中國石油大學(xué)引言示功圖分析可以了解油井實時動態(tài)及抽油裝置是否合理1。同時，示功圖是抽油機井裝置故障診斷的重要依據(jù)之一。因此，示功圖測量的好壞對于整個抽油系統(tǒng)工作效率和自動化水平的提高具有非常重要的意義。目前，采油現(xiàn)場使用示功儀測量位移和沖程的方式以拉線式為主，然而以拉線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(xiàn)場操作造成了很多不便。為此，針對采油現(xiàn)場的迫切需求，提出了小型化和無繩化示功圖測試儀的設(shè)計方案，以徹底避免拉線式所固有的缺

2、陷。硬件電路設(shè)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(tǒng)、載荷信號調(diào)理電路、加速度信號調(diào)理電路、主控及輔助設(shè)備電路。其中，加速度傳感器負責(zé)采集油桿上下運動的加速度信號，通過積分算法而得到位移和沖程，是示功圖測試儀硬件的設(shè)計核心。MCU=亍疔肯信片上位嘰加速度信號調(diào)理電路示功圖測試儀的位移和沖程是通過加速度雙重積分得到的，考慮到油桿上下周期性運動的特點，將一個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行相應(yīng)的濾波處理，去除邊界的雙重積分算法較復(fù)雜，所以本

3、系統(tǒng)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實現(xiàn)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(dāng)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(diào)的電壓輸出，既可測量動態(tài)加速度，又可以用來實現(xiàn)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

4、出量為一個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。傳感器主要由一個利用表面微機械加工的多晶硅機構(gòu)和一個差動電容器組成，在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生偏移，拉動差動電容的中心極板滑動，使兩個電容值不同，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(dāng)供電電壓改變時，靈敏度就會發(fā)生相應(yīng)變化，影響測量精度。例如：5V電壓供電，輸出電壓比例系數(shù)lV/g;3V電壓供電，輸出電壓比例系數(shù)0.56V/g。本系統(tǒng)在ADXL203的電源端并聯(lián)O.OlmF和10mF兩個電容，很好地過濾了低頻和高頻噪聲信

5、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(jù)實際需要改變XOUT和YOUT引腳處的濾波電容大小來設(shè)計輸出信號帶寬。根據(jù)實際抽油現(xiàn)場的噪聲分析，XOUT，YOUT引腳處的濾波電容先后選擇了O.OlmF,O.lmF和10mF，其中以10mF濾波電容毛刺最少，效果最好，從而實現(xiàn)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(shù)據(jù)處理以上加速度水平、垂直信號經(jīng)過調(diào)理后，都要輸入MSP430單片機的A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MSP430中ADCl2模塊4能夠?qū)崿F(xiàn)l2位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)使用穩(wěn)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

6、，水平加速度變化小。垂直加速度信號范圍：12V,水平加速度信號范圍：0.52.5V。通過以上MSP430A/D功能特點分析，確定其完全可以滿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得出兩個差異很大的沖程。因為加速度量的電壓信號很小，3V供電系統(tǒng)造成加速度與電壓的比例系數(shù)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行合適的濾波后再雙重積分得到?jīng)_程。首先，將采集到一個周期的加速度的數(shù)據(jù)存放在RAM中，對加速度數(shù)據(jù)進行奇異值的濾除;然后對加速度量進行3次7點平滑窗濾波，最大限度地將噪聲信號濾除;最后，

7、應(yīng)用周期去邊界的雙重積分得到各點的位移值，對應(yīng)各點載荷量，在液晶屏上畫出示功圖，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(fù)合濾波方法示功儀采用加速度信號進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題，本文在分析形態(tài)濾波和傳統(tǒng)平滑濾波的基礎(chǔ)上，提出了一種改進的復(fù)合濾波方法。形態(tài)濾波法形態(tài)濾波6是一種非線性數(shù)字濾波技術(shù)，主要應(yīng)用在人臉識別領(lǐng)域。根據(jù)加速度信號的特點，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

8、散相結(jié)合的方式來達到形態(tài)濾波的效果，核心算法定義為：Y=(f0g)g(n)+(fg)0g(n)/2其中，(fOg)g(n)表示形態(tài)開運算，(fg)0g(n)表示形態(tài)閉運算,g表示結(jié)構(gòu)元素，本文選用0，7.0711，10，7.0711，0。通過抽油現(xiàn)場測試，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(jié)構(gòu)元素g只針對游梁式抽油機設(shè)計，對皮帶式抽油機沒有兼容性，現(xiàn)場測試結(jié)果誤差很大。由于形態(tài)濾波的性能與結(jié)構(gòu)元素有密切關(guān)系，當(dāng)信號的先驗波形無法確定時，理論上應(yīng)采用自適應(yīng)方法對結(jié)構(gòu)元素尺寸最優(yōu)估計。顯然，利用MSP430單片機進行自適應(yīng)算法是不切合實際的。改進的滑動濾波法傳

9、統(tǒng)的滑動平滑濾波只采樣一次，將這一次采樣值與過去若干次采樣值一起求平均，若取N個采樣值求平均，RAM中必須開辟N個數(shù)據(jù)的暫存區(qū)。由于沖次(1分鐘內(nèi)抽油機上下往返的次數(shù))通過判斷加速度的兩個最高點的計算得出(兩個最高點之間的點數(shù)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(tǒng)的滑動濾波方法最高點的誤判率高，難以得出準確的周期。本文采用了一種改進的滑動濾波方法，很好的解決了以上問題。選用MSP430F1611(10KRAM)定義1800大小浮點數(shù)數(shù)組用來存儲90s的加速度原始信號。經(jīng)過3次滑動平滑濾波，公式如下：3點滑動塊：XK=(XK-l+XK+XK+l)/3(1WKWN-1

10、)7點滑動塊：XK+(XK-3+XK-2+XK-l+XK+XK+l+XK+2+XK+3)/7(3WKWN-3)式中：XK表示第K次采集的加速度數(shù)據(jù);N表示采集數(shù)據(jù)個數(shù);K表示當(dāng)前加速度信號的序號。經(jīng)過3點滑動塊或7點滑動塊處理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;nMAXI表示MAXI點的采集序號;nMAX2表示MAX2點的采集序號。本文對比3點滑動塊和7點滑動塊的波形，并對計算出的位移和沖程進行比較，發(fā)現(xiàn)7點滑動

11、塊更能反映真實的加速度信號，同一口井的沖程測量重復(fù)性好，如圖4所示。1圏4皮竜式茬油機加嗨度宴始償號與七點疋港堤涯皴1UF4J口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，要計算抽油桿運動的相對位移還必須解決兩個問題：加速度的零點校正和積分求速度時邊界條件的確定。因只需得到抽油桿運動的相對位移，由速度積分求位移時，可將邊界條件置為零。經(jīng)過理論上的綜合推導(dǎo)，由加速度求位移或沖程的算法可簡要表述為：將一個周期內(nèi)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(shù)值積分)得到速度;將所求的速度減去其平均值，令邊界條件為

12、零，對修正后的速度積分(在MSP430中采用數(shù)值積分)即得到相對位移或沖程?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析加速度傳感器ADXL203在電路板上實際放置位置的偏差可以直接影響其輸出信號的大小，本設(shè)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(jié)果表明，無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(shè)計、焊接和安裝過程中，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。表1曲油機沖程測量寫分析12342.9Sl.Sj2.982刑關(guān)采用鞄蘇也2.3%皮帶式揄濁機沖程汛應(yīng)：:一匚井實際W次12344.784.7247ifr/JtJr1rJ_I_LT-5E逼芳淮Ji江趁幷1針對游梁式抽油機和皮帶式抽油機兩種不同類型的抽油機井型，先后進行了多次現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)分析，以沖