基于无线角位移和载荷设备的功图采集技术研究

2021-03-18张锋刘东

科学与信息化 2021年7期

张锋刘东

1.沈阳中科奥维科技股份有限公司辽宁沈阳 110179；2.奥维通信股份有限公司辽宁沈阳 110179

1 技术背景

石油是我国的主要能源，随着我国经济的飞速发展，对石油的需求会越来越多。我国各大油田主要分布于东北和西北，抽油机井位很分散，而且环境复杂，道路情况非常恶劣。目前通常是通过采油工定期到井场进行巡检并采集功图，了解抽油机的状况。因此，当抽油机出现异常情况时，不能及时发现并采取相应措施，从而会影响油井产量。

目前，油田各井队使用的功图测试仪主要是拉绳式的，或使用国外的手持采集设备。使用这些工具必须工人到现场进行功图测试，采用这些测试方法，耗费大量的人力和物力，同时采集的数据资料都不是连续性数据，这样就无法准确地掌握油井的真实工作状况，不便于实现对油井的管理以及第一时间发现油井故障，影响原油产量。

当今油田工业发展趋势向着自动化、一体化、无线远程化发展，本文针对无线角位移设备和无线载荷设备的关键技术进行阐述[1]。

2 无线角位移设备关键技术

无线角位移传感器是针对游梁式抽油机功图测试应用而设计的新型无线数字化产品。无线角位移设备通过抽油机游梁的周期性运动，使加速度传感器输出周期性的信号。根据角位移运动死点查找算法，采集得到当设备位于上、下死点位置时，角位移传感器输出的数字量。通过游梁运动角度与传感器输出数字量的函数关系式，将传感器输出数字量带入，得出游梁位于上、下死点位置时的角度，在此过程可计算出该运动周期内功图数据中的位移数据。然后，将上、下死点角度相加，进而得出游梁摆动最大角度，再根据游梁前臂长、游梁摆动最大角度与冲程的关系式，最终计算出抽油机的冲程。

无线角位移设备计算位移的核心器件是加速度传感器。加速度传感器采用ADXL103单轴传感器芯片，单轴（X轴）通过重力旋转，X轴上的重力矢量投影会产生加速度分量，大小等于加速度X轴和水平面之间夹角的正弦值。水平面通常是与重力矢量正交的平面。当重力为理想值1g时，输出加速度A为：

使用单轴传感器，输出加速度值与倾角呈现非线性关系。倾斜角计算随着水平面与X轴夹角的增大而减小，当夹角接近±90°时，数值接近0，且倾斜角出现很大变化时，输出加速度只会产生很小变化。

通过重力旋转，由于加速度传感器输出符合正弦关系，使用反正弦函数可以将加速度转换为角度。公式如下所示，其中，倾斜角单位为弧度。

通过计算角位移传感器采集的弧度值，通过如下公式，进而可以计算出抽油机的功图位移数据S。其中值为游梁摆动角度，L值为游梁前臂长。

在计算功图数据时，无线角位移设备要与无线载荷设备配合使用。无线角位移设备与无线载荷设备同时收到RTU发送来的启动采集命令，双方以相同的采集时间间隔，同时启动采集，可以确保位移值与载荷值的时间同步，减少时间上的误差，使功图数据更加准确。

无线角位移设备在计算得出位移数据后，要将其上传至RTU设备。首先发送位移数据首包至RTU，RTU设备回复首包应答数据给无线角位移设备。RTU通过判断数据类型，并将位移数据首包转发至无线载荷设备，通知无线载荷设备开始上传载荷数据，可做到位移数据和载荷数据同步上传。无线载荷设备将载荷数据上传至RTU设备后，RTU设备将位移数据和载荷数据整合成功图数据后，上传至网关。使用油田组态软件可读取网关中功图的Modbus寄存器，在组态软件界面上显示功图形状[2]。

无线角位移设备为了计算得出精确的角度值和位移值，在生产过程中，要对其角度进行标定。在标定过程中，一般会采用±45°作为标定点，对其进行标定。采用无线通信标定方法，操作简便、快捷、效率高。标定后的角度值的精度可达到5‰，满足油田技术要求。

3 无线载荷设备关键技术

无线载荷设备作为功图采集的关键部分之一，想要长期可靠的工作，必然涉及载荷传感器的稳定和测量的准确可靠。载荷传感器为电阻应变式载荷传感器，利用电阻应变效应来反映载荷变化，即电阻应变片根据受力大小其电阻发生改变，传输的电信号经放大、滤波、处理形成最终的载荷值。

无线载荷设备中的载荷传感器，在生产过程中同样需要对其进行标定。采用高温、常温、低温标定法，对其进行标定。首先将温箱调至高温50℃，使用80KN、30KN、0KN共3个载荷标定点对其进行高温区标定，对这3个标定点做分段线性拟合，可计算出全量程的载荷数值。常温区25℃和低温区-30℃使用同样的标定方法，对载荷传感器进行标定。采用这种标定方法，可以有效补偿载荷传感器因温度变化产生漂移。经过标定后，当环境温度变化时，测量的载荷数值稳定，载荷数值精度可达到5‰，满足油田技术要求。