CN102081117B - 抽油机功率手持测试仪及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明的抽油机功率手持测试仪涉及一种智能功率测量仪表，是在测试仪本体的一端设有钳形口，在测试仪本体与钳形口的连接处设有扳机，在测试仪本体上设有显示屏、按键、USB接口和电源输入插口，在测试仪内设有SD数据存储卡和电路系统。所述的电路系统，是电流感应模块经电流信号调整模块与AD采集模块连接、电压隔离模块经电压信号调整模块与AD采集模块连接，AD采集模块与中央处理器连接，液晶显示模块、按键输入模块和大容量存储模块均与中央处理器连接。本发明能够准确测试、显示并记录抽油机的电压、电流、系统频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、单位时间耗电量等电力参数，并用功率曲线法判定抽油机的工况平衡度，反映真实工况，能直观地显示抽油机是否存在负功现象，给调整抽油机平衡度提供了可靠依据，减少抽油机事故，延长其使用寿命，能确保抽油机在平衡状况下工作，延长抽油机使用寿命5年以上。

Description

抽油机功率手持测试仪及使用方法

技术领域

本发明涉及一种智能功率测量仪表，确切地说它是一种抽油机功率手持测试仪。

背景技术

目前，油田生产的举升方式包括抽油机、螺杆泵、电泵等，其中游梁式抽油机是油田生产的主要设备，也是主要的电能消耗源之一，同时其利用效率很低，一般在30％左右，甚至更低。在游梁式抽油机的工作过程中，直接影响到其效能是抽油机的平衡。使游梁式抽油机处于平衡状态运行,既可延长抽油机和电动机的使用寿命,又可节约大量电能。

当前，判断抽油机平衡度的常规方法是电流法，即利用钳形电流表测出电动机在上下冲程中的电流峰值，,用两者中的小者比大者,其比值作为平衡率,若比值≥85%，则认为抽油机平衡。这种抽油机平衡测试方法判断抽油机的平衡度合格，有些情况下不能保证抽油机一定处于耗电最省的状态，甚至是多耗电，出现这种现象的主要原因是：1.某些严重不平衡的油井，其下冲程（或上冲程）测得的最大电流是发电电流，但钳形电流表测得的这一最大电流因无法判断相位而不能判断其是发电电流还是输入电流，在这种状态下用电流法测试评价的平衡度数值是合格的，但实际上是严重的不平衡。2.电流法是一种粗略的估计方法，误差较大，它没有考虑电流在整个上下冲程的变化情况，更没有考虑功率在上下冲程中的变化情况。在实际操作中，由于在上下冲程中电流峰值所占的时间幅度窄，以及抽油机这种交变载荷导致电流持续不断变动等因素的影响，测试人员仅靠目测时值很难读取准确的数值。3.电流法从理论和实际操作上都存在着很大的缺陷，准确性较差，存在假象平衡的问题。

另外由于近年来变频控制系统越来越多地应用于采油工程领域，而传统电参数测量仪表只能测试工频，无法满足变频状态下的测试，这导致使用变频技术的抽油机功率难以得到准确的测量结果。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供了一种抽油机功率手持测试仪，采用功率法测试抽油机平衡，解决了电流法测试抽油机平衡中出现的因无法判断所测得的最大电流相位而无法判断其是发电电流还是输入电流，导致测试结果中出现假象平衡的问题，同时也提高了测试准确度。同时，霍尔传感器技术还的应用解决了现有的抽油机功率监测仪无法在变频状态下对各项电参数的准确测量。

本发明的抽油机功率手持测试仪，是在测试仪本体的一端设有钳形口，在测试仪本体与钳形口的连接处设有扳机，在测试仪本体上设有显示屏、按键、USB接口和电源输入插口，在测试仪内设有SD数据存储卡和电路系统。

作为本发明的进一步改进，所述的电路系统是由电流感应模块，电流信号调整模块，电压隔离模块，电压信号调整模块，AD采集模块，按键输入模块，液晶显示模块，大容量存储模块和中央处理器构成，电流感应模块经电流信号调整模块与AD采集模块连接、电压隔离模块经电压信号调整模块与AD采集模块连接，AD采集模块与中央处理器连接，液晶显示模块、按键输入模块和大容量存储模块均与中央处理器连接。

作为本发明的进一步改进，电流感应模块中的霍尔传感器插座P3连接钳形表中的霍尔传感器，传感器供电由V+进入，经传感器内部由QK输出，在输出线路上串联了电位器R3，当有电流输入时，链接在P3的霍尔传感器感应出电压，经P3的3,7脚的abc-和R3的abc+输出。

作为本发明的进一步改进，电流感应模块的感应信号经U4的1,4脚进入U4，由7脚输出，通过R7电位器调节U4芯片的放大倍数，U4放大后的信号经R18,C18的RC低通滤波后去除高频信号，信号由R18左侧进入右侧输出，高频信号经C18上端流入C18下端，低频信号则继续传递到U6A的3脚，再通过U6A电压跟随器增强输出能力，信号由U6A的3脚进入1脚输出，C9、C10、C11、C13是电源滤波电容，高频信号经C10,C13流入大地，低频信号经C9,C11流入大地，为U4提供稳定电源。

作为本发明的进一步改进，放大的电流信号经滤波进入R16,信号经R16、R17、C17、C12、U6B组成有源2阶低通滤波和R19,C19组成的无源低通滤波系统对采集到的信号进行3级低通滤波，进入AD采集模块；C22,C20,C29,C21为电源滤波电容，高频信号经C22,C20流入大地，低频信号经C29,C21流入大地，为U6B提供电源。

作为本发明的进一步改进，所述的AD采集模块，CPU采用的I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线构成。

作为本发明的进一步改进，电压采集是通过电压隔离模块实现的，E3,E4两端的输入电压经RV11,RV12限流后，由L1进行电压采集隔离，L1的4脚是偏置电压输入引脚，隔离偏置后的电压经RV13、CV、R30、C31低通滤波后，进入电压信号调整模块。

作为本发明的进一步改进，所述的电压信号调整模块：其信号由OP端进入，经R401～R410调整电阻和内部电路，中央处理器控制S0,S1,S2的高低电平自动调节输入信号至AD采集模块。

本发明的抽油机功率手持测试仪，是由电压、电流、功率三个通道和微型单片机系统组成，配有强大的测量和数据处理软件，完成电压、电流、有功功率、功率因素、视在功率、无功功率、电能等参数的测量、计算和显示。其使用方法是：进行电能测试时，利用电流感应模块、电流压隔离模块和大容量存储模块来调取实时时钟和一些开机初始化的参数值（电压，电流，功率的系数），从平衡块重心位于曲柄正上方(12点钟位置)时开始记录，测试各项电能数据。通过内部系统运算得出抽油机的功率曲线图，可以明确显示出抽油机是否有做负功、反发电的情况出现，以此检验抽油机是否平衡。通过软件读取所测试的电能数据并分析出抽油机的冲程周期和冲次，再根据平衡块数、平衡块单重及调整前的平衡半径就可以进行平衡分析，提出最优平衡建议，进行平衡调整后的参数预测。

本发明的优点是：

1、能够准确测试、显示并记录抽油机的电压、电流、系统频率、 有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、单位时间耗电量等电力参数，并用功率曲线法判定抽油机的工况平衡度，反映真实工况，能直观地显示抽油机是否存在负功现象，给调整抽油机平衡度提供了可靠依据；

2、克服传统电参数测量仪表只能在工频状态下测试弊病，在变频状态下也能够准确地测量出各项电力参数；

3、节约电能，利用配套的平衡仿真分析软件读取测试所得数据并分析出抽油机的冲程周期和冲次，再根据平衡块数量、单重及调整前的平衡半径，对抽油机进行平衡分析，提出最优平衡建议，调整后消除了抽油机的负功现象，相对于电流平衡抽油机系统效率提高，大大地节约了电能；

4、减少抽油机事故，延长其使用寿命，能确保抽油机在平衡状况下工作，延长抽油机使用寿命5年以上。

本发明测试出的抽油机各项电能数据结果为抽油机的平衡调节提供了重要的依据，根据软件对抽油机进行平衡分析后提出的最优平衡建议，对抽油机进行平衡调整，使抽油机处于减速器的输出扭矩最小、系统效率最高的状态，消除抽油机的负功现象，可以有效的达到保证抽油机运行安全和节约电能的目的。经现场试验证明，用功率法消除负功，将抽油机调整到平衡后，平均每台抽油机日节电量可达9.84 kW.h。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为本发明的电流感应模块电路；

图3为本发明的电流信号调整模块电路之一；

图4为本发明的电流信号调整模块电路之一；

图5为有源低通滤波图；

图6为各种滤波的传递函数公式；

图7 为本发明的电压隔离模块电路图；

图8为本发明的电压信号调整模块电路图；

图9为内部总体示意图；

图10为S0,S1,S2的选择真值表；

图11为本发明的24位AD采集模块电路；

图12为I2C总线传输数据过程图；

图13为本发明的液晶显示模块电路之一；

图14为本发明的液晶显示模块电路之二；

图15为本发明的大容量存储模块电路；

图16为SPI设备数据传输过程图；

图17为本发明的中央处理器单元电路；

图18为本发明的结构示意图；

图19为本发明的按键布局图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施例阐述如下。

图1中1是电流感应模块，2 是电压隔离模块，3是电流信号调整模块，4是电压信号调整模块，5是AD采集模块，6是中央处理器，7是大容量存储模块，8是液晶显示模块，9是按键输入模块。

其中，电压采集是利用电压隔离模块，对抽油机电机的电压进行采集，采用电压隔离模块可以对信号进行隔离，避免电网和变频器的不良信号对仪器的干扰。电压隔离模块后端链接RC滤波电路经，对信号进行滤波，去除高频信号。滤波和电压信号调整模块后的信号直接进入AD采集模块，进行数据采集。

电流采集是首先通过霍尔器件感应电流信号，霍尔器件的优点是，感应速度快，有隔离作用，频率响应范围宽可以采集变频信号。电流感应模块采用恒流恒压供电。保证了模块的稳定性和精确度。通过电流感应模块采集到的信号输入到电流信号调整模块，首先感应出的信号经过仪表放大器进行差分放大，放大倍数通过电阻可调，经一级RC滤波后，有运算放大器进行信号跟随，已提高信号的输出能力，再经运放组成的2阶滤波进行信号的滤波去除高频信号。最后进入AD采集模块进行信号采集。

参数计算是通过采集滤波后的电压电流信号进入AD采集模块，中央处理器对数字信号进行计算，计算出电压、电流、有功功率、功率因素、视在功率、无功功率、电能等参数。

数据存储则采用FAT16文件存储系统，单次/连续记录或读数据，通过USB链接电脑进行数据上传分析。

图2中为本发明的电流感应模块，P3为霍尔传感器插座，连接钳形表中的霍尔传感器，本发明采用4引脚双霍尔传感器进行采集，可对电流型号进行相位补偿。传感器供电由V+进入，经传感器内部由QK输出，但由于传感器的个体差异性，采集的信号上下波形不对称，为此我们需要调节电位器R3电阻来调节双传感器内部电阻使波形对称。V+（5V）供正电压，V-(-5V)供负电压为霍尔传感器提供恒定电流。D4为稳压芯片使R5两端的电压稳定在(1.25+5)V，这样流过R5的电流I=6.25V/R5,使霍尔传感器工作在恒压横流状态下，从而提高霍尔传感器的稳定性和精度。R4控制流过三极管9013（Q1）的电流，由V+提供一个基极偏置电压，控制Q1的发射极和集电极流过的电流，使Q1工作在开关状态。当有电流输入时，链接在P3的霍尔传感器感应出电压，经P3的3,7脚（adc-）和R3的adc+输出。采集到的原始信号输出到图3中。

图3中，电流感应模块的感应信号经U4的1, 4脚（adc-,adc+）进入U4，由7脚输出，传感器感应到的电流信号很微弱，需要经过放大滤波才能进行计算，所以首先要放大信号。通过R7电位器调节U4芯片的放大倍数，使感应信号放大到规定的范围内（+1.5V~-1.5V之间）。由于AD采集模块只能采集0~3.3V的电压，所以要给信号一个偏置电压，提升采集信号电压，使采集到的信号在可采集范围内（0~+3.3V）。U4放大后的信号经R18,C18的RC低通滤波后去除高频信号，信号由R18左侧进入右侧输出，高频信号经C18上端流入C18下端流入大地，而低频信号则继续传递到U6A的3脚。再通过U6A电压跟随器增强输出能力。信号由U6A的3脚进入1脚输出。C9、C10、C11、C13电源滤波电容，去除电源噪声，高频信号经C10，C13流入大地，低频信号经C9,C11流入大地，为U4提供稳定，低噪声的电源供电。图3信号输出到图4。

图4中，由图3放大的电流信号经滤波进入图4的R16,信号经R16、R17、C17、C12、U6B组成有源2阶低通滤波（有源低通滤波见图5）和R19,C19组成的无源低通滤波系统对采集到的信号进行3级低通滤波，进入AD采集模块，从而提高仪器的精确度。C22,C20,C29,C21为电源滤波电容，高频信号经C22,C20流入大地，低频信号经C29,C21流入大地，为U6B提供稳定，低噪声的电源供电。信号进入图11进行AD采集。

图6中，G（s）为滤波器的传递函数，c（ω）为滤波器的幅频特性，G0为滤波器的通带增益或零频增益，ωc为一阶滤波器的截止角频率，ωn为二阶滤波器的自然角频率，ω0为带通或带阻滤波器的中心频率，ε为2阶滤波器的阻尼系数。

电压采集过程：图7为电压隔离模块，E3,E4两端的输入电压经RV11,RV12限流后，限流的最大电流为U/RV11+RV12(U为E3,E4两端的输入电压)由L1进行电压采集隔离，由于采集的信号是交流电0~±400V的电压，而本系统只能采集正电压，所以需要为信号加一个偏置电压，是采集到的信号变成正电压，图中L1的4脚就是偏置电压输入引脚。隔离偏置后的电压经RV13、CV、R30、C31低通滤波后，进入电压信号调整模块图8。

图8为电压信号调整模块，信号由OP端进入，经R401至R410调整电阻和内部电路，根据输入信号的大小，中央处理器控制S0,S1,S2的高低电平自动调节输入信号大小，经调节后的信号并进入AD采集模块图11。图9为内部总体示意图，图10为S0,S1,S2的选择真值表。

图11为24位AD采集模块，CPU采用I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps.各种被控制电路均并联在这条总线上，但就想电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一块模块的电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器）这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量，这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

图12为I2C总线传输数据过程图，I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，他们分别是开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，发出数据开始传输信号。

结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，发出数据传输结束信号。

应答信号：接收数据的I2C在接收到8bit数据后，向发送数据的I2C发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号(0)，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。本采集系统经滤波放大后的电压和电流信号由管脚1,2进入AD采集模块，把模拟信号变成数字信号，由I2C总线读出数字信号供中央处理器计算使用。XT2,C24,C25构成外部晶振电路，为芯片提供工作时钟。CR2032为备用电池。本采集模块使用I2C总线，SCL为时钟线，SDA为数据线。R20,R21为上拉电阻，挺高I2C的驱动能力。+3.3V电压从网络标号HOST3.3V进入。流进U5的12,13脚。二极管具有单向导通性，在图中电流只能从A端流入K端，所以二极管D1,D2防止B1电池中的电流流入HOST3.3V，从而起到备用电池作用。当HOST3.3V没有电压时，B1会为U5提供电压，保持U5中的设置参数。

图13和图14为本发明的液晶显示模块电路，U8为负压升压芯片，为液晶提供工作电压。P4为液晶排针，与中央处理器链接，进行显示。当不需要显示时控制Q2的LEDEN引脚为低电平时使Q2断开，HOST3.3V不能流入液晶的7，8,9,10,19,28,34引脚液晶将不工作，同时控制U8的4脚为低电平，使负压升压芯片断电，进入节电模式。

图15为大容量存储模块。采用SD卡存储数据，SDDT引脚可检测卡槽是否有SD卡，当卡槽内有SD卡时，SD—CARD的10脚被连接到，10脚位低电平，所以SDDT检测引脚的电压为0，如果卡槽内没有SD卡，SDDT引脚为高电平，也液晶显示无存储卡。不需要存储数据时，可通过Q6使SD卡断电，从而节电。采用SPI总线，SPI的通信远离很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是基于SPI的设备共有的，它们是MISO（数据输入），MOSI（数据输出），SCK（时钟），SDCS（片选）。

（1）    MOSI – 主设备数据输出，从设备数据输入；

（2）    MISO – 主设备数据输入，从设备数据输出；

（3）    SCK – 时钟信号，有主设备产生；

（4）    SDCS – 从设备使能信号，有主设备控制；

其中SDCS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就是负责通讯的3根线了。通讯数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位地传输的。这就是SCK提供时钟脉冲，MISO,MOSI则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过MOSI线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理，这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

图16为SPI设备数据传输过程图。SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位地传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。

图17为中央处理器单元，主要接收按键信息，液晶显示，测量参数的计算。采用3.3V电压供电，XT1为晶振，本系统为8MHZ的CPU速度，可高速采集和计算。CPU的2,3,4,5,32,33,34,83,96,98脚作为按键的检测管脚，当有低电平时电流流入CPU时触发按键程序。CPU的47,48脚控制AD采集模块，从而使模拟量变成数字量。CPU的38~46,55,56,57,61,62,81,82作为液晶数据口发送显示数据。CPU的64,65,66脚作为电压信号调整模块控制脚，根据47,48脚的AD采集模块采集到的数字信号，进行信号的调整。

图18为本发明的抽油机功率手持测试仪外观布局图，其各部件名称如下：

1-电流钳口、2-板机、3- VIEW (查询按键) 、4-▲（上翻按键）、5- ESC（返回按键）、6- ?（左移按键）、7- SAVE （保存按键）、8-▼（下翻按键）、9 –V（电压输入插孔）、10- COM（电压输入插孔）、11- FN（测试按键）、12- ENTER 、（确定按键）、13-?（右移按键）、14-←-（删除按键）、15- POWER（电源按键）、16 -HOLD（保持按键）、17、 LCD   显示器、18-测试笔  (红、黑)

图19为本发明的抽油机功率手持测试仪按键布局图,下表是各按键功能说明：

POWER	按键一秒后开机
		HOLD	在测量过程中按下此键，图形保持当前状态；再次按下此键后，图形继续刷新
VIEW	在进入文件列表界面后，按下此键进入图形、数据查看界面；再次按下此键，在图形和数据进行切换；按ESC键返回文件列表界面
		ESC	返回按键
ENTER	确定按键
		SAVE	在输入井名后，按此按键保存文件
Fn	在抽油机连续的“下死点”、“上死点”、“下死点”三个时刻按下此键，截取光杆一个运动周期测量抽油机平衡
		←	删除按键；（在主界面按下此键可以查看电参数瞬时值）
▲	上翻按键
		▼	下翻按键
?	左移按键
		?	右移按键

使用抽油机功率手持测试仪的测量方法：

1. 在用仪器测量之前应该首先确定抽油机电缆中电流的流向，以确定本仪器电流钳的卡法（在仪器上标有电流钳的方向），在主界面按??键测量首界面。在此界面以ENTER键切换电缆中的电流方向和电流钳的关系。确定好电流钳方向后，按下ESC键就保存当前的结果并进入电参数曲线显示界面进行测试。

2. 当抽油机下冲程死点的时候按下Fn键，并在上冲程死点和下一次下冲程死点的时候分别再次按下Fn键，此时一个周期的数据录取结束。等待TW处所示的时间后，蜂鸣器会发出声音，测量结束。

3. 测量结束后，取下仪器，然后按下SAVE键就进入输入井名的界面，输入井名后可保存当前的数据。

Claims (3)

1.抽油机功率手持测试仪，其特征是在测试仪本体的一端设有钳形口，在测试仪本体与钳形口的连接处设有扳机，在测试仪本体上设有显示屏、按键、USB接口和电源输入插口，在测试仪内设有SD数据存储卡和电路系统；所述的电路系统是由电流感应模块，电流信号调整模块，电压隔离模块，电压信号调整模块，AD采集模块，按键输入模块，液晶显示模块，大容量存储模块和中央处理器构成，电流感应模块经电流信号调整模块与AD采集模块连接、电压隔离模块经电压信号调整模块与AD采集模块连接，AD采集模块与中央处理器连接，液晶显示模块、按键输入模块和大容量存储模块均与中央处理器连接；电流感应模块中的霍尔传感器插座P3连接钳形表中的霍尔传感器，传感器供电由V+进入，经传感器内部由QK输出，在输出线路上串联了电位器R3，当有电流输入时，链接在P3的霍尔传感器感应出电压，经P3的3,7脚的abc-和R3的abc+输出；电流感应模块的感应信号经U4的1,4脚进入U4，由7脚输出，通过R7电位器调节U4芯片的放大倍数，U4放大后的信号经R18,C18的RC低通滤波后去除高频信号，信号由R18左侧进入右侧输出，高频信号经C18上端流入C18下端，低频信号则继续传递到U6A的3脚，再通过U6A电压跟随器增强输出能力，信号由U6A的3脚进入1脚输出，C9、C10、C11、C13是电源滤波电容，高频信号经C10,C13流入大地，低频信号经C9,C11流入大地，为U4提供稳定电源；放大的电流信号经滤波进入R16,信号经R16、R17、C17、C12、U6B组成有源2阶低通滤波和R19,C19组成的无源低通滤波系统对采集到的信号进行3级低通滤波，进入AD采集模块；C22,C20,C29,C21为电源滤波电容，高频信号经C22,C20流入大地，低频信号经C29,C21流入大地，为U6B提供电源；所述的电压采集是通过电压隔离模块实现的，E3,E4两端的输入电压经RV11,RV12限流后，由L1进行电压采集隔离，L1的4脚是偏置电压输入引脚，隔离偏置后的电压经RV13、CV、R30、C31低通滤波后，进入电压信号调整模块。

2.如权利要求1所述的抽油机功率手持测试仪，其特征在于所述的AD采集模块，CPU采用的I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线构成。

3.如权利要求1所述的抽油机功率手持测试仪，其特征在于所述的电压信号调整模块：其信号由OP端进入，经R401～R410调整电阻和内部电路，中央处理器控制S0,S1,S2的高低电平自动调节输入信号至AD采集模块。