基于加速度傳感器的油井示功圖位移測量技術(shù)研究

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。

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雜，所以本系統(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)1V/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)0.01mF和10mF兩個電容，很好地過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(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ADC12模塊[4]能夠?qū)崿F(xiàn)12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，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。通過以上MSP430 A/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，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={[(fΘg)⊕g](n)+[(f⊕g)Θg](n)}/2

　　其中，[(fΘg)⊕g](n)表示形態(tài)開運算，[(f⊕g)Θg](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(10K RAM)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-1+XK+XK+1)/3 (1≤K≤N-1)

　　7點滑動塊：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(shù)據(jù);N表示采集數(shù)據(jù)個數(shù);K表示當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;nMAX1表示MAX1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點滑動塊更能反映真實的加速度信號，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，由加速度求位移或沖程的算法可簡要表述為：

　　(1)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;

　　(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(shù)值積分)，即得到相對位移或沖程。

　　現(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。

　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，以沖程測量為例的數(shù)據(jù)與分析如表1所示。游梁式抽油機屬于旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為抽油桿上下運動，往復一次的運動規(guī)律接近正弦波變化，且沖程較短;皮帶式抽油機直接驅(qū)動抽油桿上下運動，運動規(guī)律接近矩形波變化，且沖程較長。

　　結(jié)語

　　現(xiàn)場試驗結(jié)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。