抽油机无线示功仪的研制

1、抽油机无线示功仪的研制示功图是分析抽油机工作状况的重要手段。 针对目前拉线 式和角度式示功仪存在故障率高等缺点， 设计了一种基于加速度 传感器的无线示功仪。 该示功仪利用无线模块接收指令， 以单片 机为控制核心， 通过加速度传感器和载荷传感器对抽油机参数进 行测量， 计算出示功图所需的位移和载荷， 再通过无线模块上传 示功图数据。 详细介绍了硬件电路和示功图数据的测试结果。 现 场实验表明，该装置具有可靠性高、测量准确等优点。1 引言抽油机示功图是分析、 诊断抽油机生产的一种重要手段， 它 由抽油杆上下运动时不同位移与该位移处抽油杆上所承受的载 荷两部分组成。 载荷可以通过载荷传感器测量， 而

2、位移主要利用 拉线式传感器和角度式传感器测量， 它们均需要借助复杂的机械 结构，故障率较高。为了改善上述缺点，本文提出了一种基于加 速度传感器的无线示功仪。 该示功仪通过无线模块接收上位机指 令和上传示功图数据， 利用加速度传感器间接测量位移， 从而克 服了传统示功仪的缺点，具有可靠性高、测量准确等优点。2 无线示功仪的组成无线示功仪的组成如图 1 所示，主要包括单片机电路、 电源 电路、载荷采集电路、加速度采集电路、无线模块几部分。该装置的电源电路由电池和电源芯片组成， 载荷采集电路和 加速度采集电路分别对载荷信号和加速度信号进行采集、 放大和 滤波， 再将处理后的信号送入单片机。 单片机经

3、过 A/D 转换后得 到数字量的载荷与加速度， 通过数字滤波、 积分计算出示功图数 据，利用无线模块上传给上位机。 下面对主要组成部分进行说明。2.1 电源电路由于抽油机一般布置于野外， 并且该无线示功仪固定于抽油 机悬点，电源不易更换，为了保证供电质量、延长供电时间，减 少维护工作量， 该装置采用高能量型锂亚硫酰氯电池。 该电池容 量为19Ah,额定电压3.6V。本装置所有元件都是由该电池通过额定输出电压为3V的NCP500稳压电源芯片供电。NCP50Q具有低功耗、低噪声、快速 响应等特点，并且可由单片机设置为待机模式(Standby )或工作模式。2.2 单片机控制电路本装置采用TI公司生

4、产的MSP430F161作为主控芯片。当该芯片采用2.2V供电，频率为1MHz时，工作模式下耗电330卩A, LPM4低功耗模式下，耗电仅为0.2卩A,同时该芯片还集成12位 A/D转换器和10kB RAM满足大量数据采集和处理的要求。2.3 载荷采集电路本装置采用载荷传感器测量载荷大小。 载荷传感器把受力情况转变为电信号输出。本装置的载荷传感器电源电压3V,量程0-150kN，输出0-4.5mV。由于输出电压较低，单片机不能准确对其进行测量， 因此需要对该信号做放大处理。 该装置采用 AD623作为放大电路芯片。载荷采集电路如图 2 所示。AD623的输入信号VC为IN+与IN-两脚间的差值

5、，6脚输出V0为：该电路中，RG为400Q精密电阻，将载荷传感器输出范围04.5mV放大为01.1295V，再送入 MSP430单片机的P6.0/A0引 脚进行 A/D 转换。2.4 加速度采集电路本装置的加速度传感器采用 Analog Devices 公司生产的ADXL103该芯片可输出与加速度成正比的模拟电压信号，并可 以安装不同容量电容选择输出信号的低通滤波器带宽。 加速度采 集电路如图 3所示。本装置中ADXL103电源为3V,输出灵敏度为560mv/g,输出 引脚连接10卩F滤波电容，低通滤波器带宽设置为0.5Hz。ADXL103的输出信号通过滤波后送入 MSP430的 P6.1/A

6、1 口。2.5 无线模块本装置无线模块采用nRF905该模块供电电压为1.93.6V，工作于433/868/915MHZ三个频道，使用 SPI接口与控制 器通信，具有四种工作模式，分别为掉电模式( Powerdown)、 待机模式(Standby )、接收模式(ShockBurstTM RX和发送模 式( ShockBurstTMTX)。nRF905的VCC引脚连接+3V,作为nRF905的电源；MSP430 的 P1.5、P1.6、P1.7 分别连接 TX_EN TRX_CE PWR_UP选择 nRF905的工作模式；P2.3、P2.4、P2.5、P2.6 模拟 SPI 总线， 连接 nRF

7、905的 MISO MOSI UCLK CSN引脚；P2.9、P2.1、P2.2 连接nRF905的CD AM DR引脚，判断是否收到数据包。当nRF905接收完一个正确的数据包，并且自动移去字头、 地址和CRC校验位后，DR引脚会置高。当MSP430判断该引脚变 为高电平后，读出n RF905接收到的数据。3 现场实验本示功仪在华北油田多口抽油机进行了长期试验， 图 4 为抽 油机任 264的实测示功图。该抽油机冲程为 2.8 米，冲次为 3.8 次/分钟，最大载荷为 34.8kN ，最小载荷为 16.9kN。进过测试表明，本示功仪对于冲程 25m冲次17冲的 抽油机均可准确测量示功图， 并正确传输给上位机。 该示功仪工 作稳定，性能良好。4 结论本文研