CN103105265B - 一种负荷传感器在线检测仪 - Google Patents

Abstract

一种负荷传感器在线检测仪，包括一个无线发送测试采集指令并接收测试数据、计算结果的主机，无线发送测试采集指令并接收测试数据的主机通过无线通讯方式与标准传感器连接；其中，当检测被测传感器时，把标准传感器与被测传感器同时垂直叠加在一起，用电缆把标准传感器与被测传感器连接起来，进行功图同步测试。本发明具有功图、液面的测试功能；可以大大节省了测试人员无畏传感器拆卸和标定的人员和时间开支，减少了不必要的工作强度，提高了工作效率，深受油田用户朋友们的欢迎。

Description

一种负荷传感器在线检测仪

技术领域

本发明涉及一种检测仪，具体是一种负荷传感器在线检测仪，属于油田远程监控领域。

背景技术

目前，我国各大油田抽油机井的功图测试已经由过去比较传统、落后、效率低下的人工单井测试方法逐渐过渡到数字化远程监测、分析、管理，不但极大提高了测试效率，降低了人工成本，大大提高了测试的安全性，而且更便于科学的管理。然而，随着数字化油田的逐步普及，远程监测使用安装在单井上的固定负荷传感器，长期安装在井上，长期经历风淋雨晒、四季温度变化等外界因素的影响，难免传感器初值、系数等参数不发生漂移或引起传感器故障。造成功图测试精度大大降低，保证不了测试数据的准确性，因此目前许多数字化油田远程监测功图的准确性无法进行评估，利用这样的功图进行功图分析、诊断或功图量油计算，很容易造成错误的结论或结果；另外在监控室发现许多测不出功图或功图不正常的井，许多都误认为是传感器损坏，然后安排测试人员到油井现场进行负荷传感器更换，由于油田抽油机井地域分布广阔、道路远、交通环境比较恶劣，经常是经过一路奔波更换完传感器回来后发现问题复现，还是不出图，并非传感器故障，结果又要重新奔赴各油井现场巡查其他原因，进行其他故障原因的查找和维护，不但大大浪费了时间、人力和物力，而且降低了工作效率。在抽油机井现场就能判断负荷传感器的好坏、是否达到测试精度要求，目前在油田还没有这样的检测装置能进行现场测试、检验。

如果能研制一种能在现场快速检测传感器是否漂移的装置，现场判定传感器是否合格、是否损坏及一些修正功能，就能解决上述这些突出矛盾。

发明内容

本发明的目的在于针对数字化油田在远程监测过程中暴露出的上述问题，专门设计了一种负荷传感器智能在线检测仪，解决了数字化油田远程监测负荷传感器所暴露出上述所有问题，通过同步测试、对比，现场即可显示出标准、被测负荷传感器的对比测试功图、误差及分析结果，给出被检测传感器合格与否的结论，同时还具有功图、液面测试功能。

采用的技术方案是：

一种负荷传感器智能在线检测仪，其特征在于包括：

无线发送测试采集指令并接收测试数据、计算结果的主机；

与主机无线连接的标准传感器；

其中，当检测被测传感器时，把标准传感器与被测传感器同时垂直叠加在一起，用电缆把标准传感器与被测传感器连接起来，(见图1所示)，进行功图同步测试。被测传感器、标准传感器位移都使用标准传感器内的同一个位移装置机构；测试仪主机向标准传感器发出测试指令，安装在标准传感器内的主控板接收到测试指令后，开始对标准、被测传感器负荷、位移同时进行采集、A/D转换、计算，然后把计算完成的标准、被测载荷及对应点位移数据无线发回给主机，主机完成标准载荷-位移曲线(功图)的绘制、被测载荷-位移曲线(功图)的绘制，完成误差计算及显示出对比测试结果，并且可以进行对数据、功图、结果进行存储、回放和数据上传。

所述标准传感器：

标准传感器是一个立柱式结构，由上、下两部分组成，下部分为负荷体组件，上部分为位移机构组件；

负荷体组件，包括负荷体3、负荷体上盖板2和负荷体下盖板4，负荷体上盖板2上安装有被检测传感器的连接座1，负荷体3内安装有应变体5，应变体5上安装有应变片；

负荷部分受力范围要求大于150KN。

位移机构组件，包括位移壳体10，在位移壳体顶部安装有天线11、与主机实现无线通讯的无线通讯模块16、开关13、发光二极管指示灯15、充电插座14和与被测传感器连接的信号输入接口12；位移壳体10内部安装有位移机构9、电池组8、主控电路板7；主控电路板7上分别装有与应变体5、无线通讯模块16、开关13、发光二极管指示灯15、充电插座14和被测传感器连接的信号输入接口12通过导线进行对应连接的插座及位移机构的位移线32出口；负荷应变体5与位移壳体10通过电气连接件6连接成一整体结构。

主控电路板7在接收到上位机测试指令后，完成标准、被测传感器负荷、位移量的采集、计算、存储、处理和把测试载荷、位移值同步无线发回给主机的功能；18是位移发条盒，内装有卷簧发条，卷簧发条的一端固定在位移发条盒外壁上，另外一端固定在转动轴17的中心槽内，转动轴17的另外一端通过轴承36固定在第一齿轮19上，第一齿轮19通过第一小齿轮20与第一大齿轮33进行变比传动，第一小齿轮20与第一大齿轮33通过轴21进行同轴固定连接，第一大齿轮33与第二小齿轮34进行变比传动；第二小齿轮34固定在穿过轴承的第一轴30上，第一轴30上同轴固定有棘轮31及线轮29，线轮29用螺钉通过垫片28进行固定安装；棘轮31能通过棘爪25进行卡死或松开控制，棘爪25通过套有弹簧26的第二轴27用螺钉固定住，棘爪25的另外一端安装有导轮23，导轮23套装在第三轴24上，用螺钉固定，导轮23安装在挡片22内；位移尼龙线，以下简称位移线32；一端固定在线轮29的外臂上，另外一引出端通过导轮23导向穿过位移盒引线出口；当拉出位移尼龙线时，导轮23受力，引起棘爪25受力，沿第二轴27向拉出位方向移动；安装在弹簧26的一端穿过棘爪25末端靠近线轮29处，使棘爪有个向拉出线反方向的张力，同时棘爪25卡住棘轮31的接触位置脱离，保证位移线可以自由拉出；此时引起线轮29转动，线轮29转动引起齿轮34、33、20、19的连锁传输传动，引起位移发条盒18内卷簧发条收紧吃劲；位移线收进时，只要位移线上稍微有点张力，棘爪25与棘轮31的接触位置仍然保持脱离状态，由于拉线时卷簧发条已经吃劲收紧，此时位移线会自由收进绕在线轮29槽内，同时位移发条盒18内卷簧发条逐渐松开；37是转动多圈电位器，以下简称电位器，它的旋转轴上固定有第二大齿轮35，第二大齿轮35与第一小齿轮20进行传输连接，而设计此位移机构的最终目的在于：当位移线拉出时，电位器顺时针转动，电位器阻值增加；当位移线收进时，电位器逆时针转动，电位器阻值减小；而正是基于把位移线拉出长度引起的机械传动，转化电位器阻值发生变化，从而把位移量转化为电信号以用主控板采集测量的；而设计棘爪25与棘轮31的重要意义在于：当位移线突然断开时，卷簧发条会瞬间放松到自由状态，在齿轮瞬间快速连锁传动的惯性作用下，很容易损坏电位器。为了防止电位器的损坏，专门设计棘爪25与棘轮31，当位移线突然断开时，拉线上的张力瞬间消失，导致棘爪25恢复原位状态，使棘爪25爪手卡住棘轮31，使线轮即刻停止转动，也即刻阻止了固定在第二大齿轮35上的电位器旋转轴转动，从而保护了电位器37；

其中被检测负荷传感器输出4-20mA(对应0-150KN)的电流信号，要经过I/V转换成A/D采集需要的电压信号，然后输入到14位高分辨率的多路A/D转换器进行A/D转换。

标准负荷、位移传感器输出的微弱电信号首先要经过放大器放大，然后同时输入到14位高分辨率的多路A/D转换器；在主控制芯片ARM7的控制下，完成高精度的标准负荷、被测负荷、位移的同步采集工作，然后把计算完成的标准负荷、被测负荷、位移数据通过无线通讯模块发送给主机，主机完成对比数据计算，同步完成标准负荷——位移曲线(标准功图)、被测负荷——位移曲线(被测功图)的对比分析图及对比数据结果；

主机：要求具有液晶显示、键盘输入、电源系统、通过串口/USB数据上传、无线通讯、数据存储、日历时钟、主控制单元、液面、套压处理等功能，其中，主机显示单元：利用主机CPU控制，在液晶屏幕上实现所有操作菜单、数据、曲线、结果的显示功能；

键盘处理单元：利用主机CPU的口线设计行列式键盘扫描电路实现，所有行线需要加上拉电阻；

电源处理单元：主要实现为主机所有集成电路芯片提供所需要的额定电压；

串口\USB单元：用来实现测试数据、结果与上位机进行通讯上传，可以利用串行通讯口或USB口进行，根据用户实际需要进行选择；

无线通讯模块：主要实现与标准传感器进行无线通讯连接，主机通过无线通讯模块向标准传感器发送测试指令，然后再接收标准传感器与被测传感器同步测试采集的载荷、位移数据，存放在主机存储器RAM内；

数据存储单元：数据存储单元包含两部分，一个是临时存放数据用以计算使用的随机存储器RAM，系统掉电后数据自然消失，另外一个用以存储掉电不丢失数据的非易失性存储器，用来保存井名、日期和计算后的数据结果；

日历芯片：给主机提供日历/时钟，采用两线I2C的串行总线接口；

CPU：主机电路板的核心器件CPU与标准传感器内的CPU一样，是ARM7TDMI处理器为核心的AT91SAM7X256，它是基于32位ARM RISC处理器的系列微控制器中的一员，集成有256K字节的高速Flash和64K字节的SRAM和全套外围设备，一整套系统功能单元使需要的外部组件数为最少，主要完成控制、数据采集、计算、数据处理等功能，

液面信号处理单元：主要对微音器输入的音频脉冲信号进行滤波、放大及整形后输入到ARM主芯片内的A/D采集单元进行处理；

套压信号处理单元：主要对套压传感器根据压力变化随之而产生的电信号进行滤波、放大及整形后输入到ARM主芯片内的A/D采集单元进行处理；

回放软件：把主机内的所有检测、对比数据、对比结果、功图、液面上传到计算机进行数据分析、诊断，同时实现与油田服务器数据传输，实现网络化管理和数据共享；

要解决的技术问题：

在数字化油田远程功图监测过程中，负荷传感器的精度和是否存有故障，目前现场还无法进行检测、诊断和标定，采用负荷传感器智能在线检测仪，可以现场检测负荷传感器的精度和好坏，还可以对漂移不大的传感器进行标定，同时该仪器还具有功图、液面的测试功能。

技术解决方案：

负荷传感器智能在线检测仪的设计主要包括两部分，标准传感器的设计及主机设计。标准传感器主要包括一个高精度的标准传感器的信号放大、采集、处理系统和一个被校传感器的I/V转换、信号采集处理系统，经过计算后的数据通过无线通讯模块与主机进行通讯；主机设计主要包括嵌入式ARM7高速CPU处理器电路、存储电路、日历芯片、键盘处理电路、液晶显示驱动电路、液面及接箍、憋压通道的放大、滤波、整形电路和与标准传感器进行通讯的无线通讯模块；

1)标准传感器

标准传感器内是由8片高精度(0.1％)的应变片构成的惠斯登电桥组成的传感器受力系统，载荷传感器设计成立柱型嵌入于负荷体上下盖板之间，这样载荷传感器抗冲击能力强，漂移小。把应变片用专用硅胶粘贴在加工好的立柱弹性体上，把贴有应变片的立柱弹性体载荷传感器装在抽油机悬绳器上下夹板中，因而把光杆负荷的变化转变为立柱弹性体的变形，此形变传递给应变片，进而导致应变片电阻值的变化，从而使桥路产生不平衡，其不平衡输出正比于立柱弹性体所承受的压力，从而产生对应于光杆载荷变化的电信号，因而通过测量桥路的不平衡输出，即可测量压力大小。载荷传感器设计成长方体立柱型，而且受力点是平面，这样载荷传感器结构简单，尺寸小，整体化。因此，传感器漂移小，稳定性好，并可承受很大冲击的载荷(0～150KN)。

载荷传感器输出0～15mV的差分信号，经过仪表放大器(AD620)放大，输出0～2.5V的直流信号，位移传感器也是设计成输出0～2.5V的直流信号，两路信号经过高精度A/D转换，把模拟量转换成数字量，再传输入到ARM7CPU进行处理、计算，再把载荷、位移计算结果通过无线通讯模块发送给主机；

AD620是低价格，高精度仪表放大器，可以用高精度来设置1～1000的增益。AD620尺寸小，便于应用，功耗低，精度高，具有优良的DC性能(最大输入失调电压125uV，最大输入失调漂移1uV，最大输入偏置电流20nA)，低噪音。

为了保证标准传感器的精度，A/D转换器采用了工作电压：2.7-5.5V低功耗、具有8通道、带有可编程增益、48KSPS、14位分辨率的逐次逼近式A/D转换器ADS7871，该ADS7871具有高精度和高稳定性的片内基准，串行输出模式，可与SPI、I²C、GPIO等接口直接兼容。

由于被测传感器输出的是4-20mA(0-150KN)的电流信号，A/D转换器的内部基准电压是2.5V，因此首先需要进行I/V转换，为了能保证被测传感器4mA输出转换成正电压信号，以便观察传感器零点，我们专门定制了I/V光电隔离转换器ISO-A8-P1-O8，具有0.1％的转换精度，3-20mA电流对应转换直流信号0-2.5V输出；

标准传感器的核心芯片CPU采用的是AT91SAM7X256，它是基于32位ARMRISC处理器的系列微控制器中的一员，集成有256K字节的高速Flash和64K字节的SRAM和全套外围设备，一整套系统功能单元使需要的外部组件数为最少。片内Flash存储器可以经由JTAG-ICE接口系统内编程，也可以通过产品程序员经由并行接口优先对其进行编程。内置锁定位和安全位可以保护固件防止其被误覆盖并能保持其内容的机密性。AT91SAM7X256系统控制器包含了一个管理微控制器和整个系统的上电时序的复位控制器。相应设备的操作会被内置掉电检测器和一个以集成RC振荡器为时钟源的看门狗定时器监测记录。AT91SAM7X256在一块芯片上集成了ARM7TDMI处理器，片内Flash和SRAM，以及包括USART、SPI、CAN控制器、Ethernet网口、定时器/计数器、RTT和模数转换器在内的一系列外围设备，可以很好的为很多嵌入式控制应用提供灵活、成本优化的方案。

标准传感器电池采用5节2.4AH的镍氢电池组供电，工作电压要求高于6V，连续工作时间大于6小时；

标准传感器外壳上装有被测传感器接口、充电接口、电源指示灯、电源开关及天线装置；

2)主机

主机主要向传感器发出测试指令，完成标准、被校传感器的同时测试，并且同时接收传感器测试数据，在主机上同时绘制出对比功图及对比结果，根据主机设定误差，判别出被测传感器是否合格的结果。主机主要具有误差设定功能、检测对比功能、现场修正功能、功图和液面测试功能、存储和通讯功能。

主机电路板的核心器件CPU与标准传感器内的CPU一样，也是ARM7TDMI处理器为核心的AT91SAM7X256，特性上面已做介绍，主要完成数据采集、计算、处理功能，另外主机内还具有电源模块、信号放大、滤波、A/D转换电路、存储器电路、键盘处理模块、液晶显示电路、无线通讯模块。

CPU处理器：采用ATMEL公司的ARM(AT91SAM7SE256)芯片作为CPU。

电源部分：电源3.3V采用LDO的TPS7333实现；

电源24V由WRB0524MP-3W实现，输入端的电源由G5-1V继电器进行控制；

液面信号放大电路：从微音器传输过来的液面信号分接箍、液面两个通道进行处理，它们经过两极放大。前端使用的都是高输入阻抗的CA3140运算放大器，第二级放大采用OP07芯片，用CD4051模拟开关调节通道的第1级放大倍数，第二级用100K数字电位器X9313T进行控制，滤波器选用TCL14CP进行滤波。

液晶背光驱动：采用TPS2013电源开关进行控制。

串行口及USB通讯口：

与计算机的串行通讯和串行调试采用SP3223芯片进行电平转换，或直接通过驱动与ARM7芯片USB进行口USB通讯。

触摸键盘控制电路：

采用3行6列行列式键盘，行线、列线都用ARM7的口线。

存储电路：

程序和测试结果数据存储在AT45DB161D芯片中，它是一款16M bit串行接口的Flash存储器，内部有4096扇区，每扇区528字节。临时数据存储在内部64K静态存储器中。

标准传感器和主机程序全部采用C51编程完成；

主机具有液面、憋压、通讯和充电接口，键盘是触摸键盘操作，不但操作方便，还可以有效防尘、防沙。

有益效果：

负荷传感器智能在线检测仪“，相当于把校准校验系统拿到了现场，只需要把所带的标准传感器叠加到被校传感器上进行功图测试，就可以现场检定被校传感器的精度和好坏；可以对漂移不大的传感器进行标定；同时具有功图、液面的测试功能；可以大大节省了测试人员无畏传感器拆卸和标定的人员和时间开支，减少了不必要的工作强度，提高了工作效率，深受油田用户朋友们的欢迎。

附图说明：

图1是本发明一实施例提供的主机与标准传感器的连接示意图。

图2是本发明一实施例提供的主机内部连接示意图。

图3是本发明一实施例提供的标准传感器内部结构示意图。

图4是位移机构放大示意图。

图5是图3的(9)位移机构俯视放大示意图。

图6是本发明一实施例提供的标准传感器内部主控板电气连接示意图。

图7是本发明一实施例提供的现场安装测试示意图。

Claims (3)

1.一种负荷传感器在线检测仪，包括一个无线发送测试采集指令并接收测试数据、计算结果的主机，其特征在于：无线发送测试采集指令并接收测试数据的主机通过无线通讯方式与标准传感器连接；其中，当检测被测传感器时，把标准传感器与被测传感器同时垂直叠加在一起，用电缆把标准传感器与被测传感器连接起来，进行功图同步测试；

所述标准传感器是一个立柱式结构，由上、下两部分组成，下部分为负荷体组件，上部分为位移机构组件；

负荷体组件，包括负荷体(3)、负荷体上盖板(2)和负荷体下盖板(4)，负荷体上盖板(2)上安装有被检测传感器的连接座(1)，负荷体(3)内安装有应变体(5)，应变体(5)上安装有应变片；

位移机构组件，包括位移壳体(10)，在位移壳体顶部安装有天线(11)、与主机实现无线通讯的无线通讯模块(16)、开关(13)、发光二极管指示灯(15)、充电插座(14)和与被测传感器连接的信号输入接口(12)；位移壳体(10)内部安装有位移机构(9)、电池组(8)、主控板(7)；主控板(7)上分别装有与应变体(5)、无线通讯模块(16)、开关(13)、发光二极管指示灯(15)、充电插座(14)和被测传感器连接的信号输入接口(12)通过导线进行对应连接的插座及位移机构的位移线(32)出口；负荷应变体(5)与位移壳体(10)通过电气连接件(6)连接成一整体结构；

所述位移机构(9)包括一个位移发条盒(18)，位移发条盒(18)内装有卷簧发条，卷簧发条的一端固定在位移发条盒外壁上，另外一端固定在转动轴(17)的中心槽内，转动轴(17)的另外一端通过轴承(36)固定在第一齿轮(19)上，第一齿轮(19)通过第一小齿轮(20)与第一大齿轮(33)进行变比传动，第一小齿轮(20)与第一大齿轮(33)通过轴(21)进行同轴固定连接，第一大齿轮(33)与第二小齿轮(34)进行变比传动；第二小齿轮(34)固定在穿过轴承的第一轴(30)上，第一轴(30)上同轴固定有棘轮(31)及线轮(29)，线轮(29)用螺钉通过垫片(28)进行固定安装；棘轮(31)能通过棘爪(25)进行卡死或松开控制，棘爪(25)通过套有弹簧(26)的第二轴(27)用螺钉固定住，棘爪(25)的另外一端安装有导轮(23)，导轮(23)套装在第三轴(24)上，用螺钉固定，导轮(23)安装在挡片(22)内；位移线(32)一端固定在线轮(29)的外臂上，另外一引出端通过导轮(23)导向穿过位移发条盒引线出口；电位器(37)的旋转轴上固定有第二大齿轮(35)，第二大齿轮(35)与第二小齿轮(20)进行传输连接。

2.根据权利要求1所述的一种负荷传感器在线检测仪，其特征在于被检测的负荷传感器通过电缆与标准传感器上壳体顶部的输入专用口进行连接，被检测负荷传感器输出4-20mA的电流信号，经过I/V转换成A/D采集需要的电压信号，然后输入到14位高分辨率的多路A/D转换器。

3.根据权利要求2所述的一种负荷传感器在线检测仪，其特征在于所述主控板：

其核心器件CPU与标准传感器内的CPU一样，是ARM7TDMI处理器为核心的AT91SAM7X256；

I/V转换器为光电隔离转换器ISO-A8-P1-O8；

A/D转换器为ADS7871。