CN103196544A - 抽油机井空载状态监测装置 - Google Patents

Abstract

一种抽油机井空载状态监测装置，包括拾振环节，测量线路环节和信号处理分析环节，其特征在于：所述拾振环节包含对微弱振动信号的振动检测部分和对所检测的微弱信号进行放大处理部分；所述测量线路环节包含对拾振环节信号的分频部分，对带通滤波器带宽的控制部分，对分频信号进行处理部分；所述信号处理分析环节包含对各路信号的读取部分，对各路信号进行分析部分。本发明的抽油机井空载状态监测装置具有抗干扰能力强，保密性好，检测准确等特点，适于推广应用。

Description

抽油机井空载状态监测装置

技术领域

本发明涉及一种监测装置，具体地说，是一种抽油机井空载状态监测装置。

背景技术

在各种人工举升采油中，有杆抽油居于首位，同时潜油电泵也成为油田高产，稳产的重要手段之一。由于井下工况复杂且不易于直接观测，需要采取一些手段对抽油机的运行状态进行监测，以保障抽油机能正常工作。

目前抽油机井系统的运行过程中的其他一些状态已经有了有效的监测手段，但是在抽油机井空载监测方面仍然存在着不足。若液面低于抽液口，管道内便会出现空载现象，从而会导致系统不能正常工作。从两个方面来说，若系统长时间处于空载状态时电机负荷会发生变化，会使电机处于不正常工作状态，影响电机性能；另外由于没有液体的存在，对杆式抽油系统来说，抽油杆与抽油管套间缺少缓冲物质，在抽油杆重复的上下过程中，抽油杆会与抽油管套之间发生直接碰撞，给抽油系统带来危害。对潜油电泵来说，出现空载现象时，会减少对抽油系统的冷却作用，并且当有大量空气进入潜油电泵机组时，会使离心泵工作不稳定，排量、扬程及效率下降。同时，抽油机井出现空载状态也会造成能源的浪费，系统长时间的运行在空载状态，对电能的消耗一直在持续，而抽油系统实际上并没有发挥其应有的作用，会造成能源的浪费。从能耗的角度来看，这个现象也必须得到有效的监测，提高系统工作效率。

因此已知的抽油机井空载监测装置存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种使用安装方便，监测准确的抽油机井空载状态监测装置。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种抽油机井空载状态监测装置，抽油机存在着各种原因导致的振动，对杆式抽油机来说，包括光杆上下运动对井口的摩擦引起的振动，电机运行时传导的振动，减速器影响的振动，油水混合物正常流动时产生的振动，液气水混合物流动时产生的振动，液体不流动时产生的振动和抽空时产生的空载振动；对潜油电泵抽油系统来说，包括潜油电泵导致的振动，分离器导致的振动，保护器导致的振动，潜油电机导致的振动，油水混合物正常流动时产生的振动，液气水混合物流动时产生的振动，液体不流动时产生的振动和抽空时产生的空载振动，所述抽油机井空载状态监测装置包括拾振环节，测量线路环节和信号处理分析环节，其特征在于：

所述拾振环节包含对微弱振动信号的振动检测部分和对所检测的微弱信号进行放大处理部分，其中：对微弱振动信号的振动检测部分设置压电式传感器，压电式传感器是基于压电晶体的压电效应工作的，根据微弱的变化产生变化的电压信号，将物理振动信号转化为可以进行处理的电信号；对所检测的微弱信号进行的放大部分设置电荷放大器，振动传感器产生的电荷量信号很微弱，不方便直接进行处理，电荷放大器输出高阻抗，其输出信号不会因为传输线的长短而产生明显变化；

所述测量线路环节包含对拾振环节信号的分频部分，对带通滤波器带宽的控制部分，对分频信号进行处理部分，其中：在拾振环节信号的分频部分设置能够程控的带通滤波器组；对带通滤波器带宽控制部分设置译码器对各滤波器进行控制，在设置各滤波器中心频率时根据需要选择对应滤波器；对分频信号处理部分分频信号处理部分采用触发器；

所述信号处理分析环节包含对各路信号的读取部分，对各路信号进行分析部分，其中：信号读取部分通过将各路处理过的信号分别连接在嵌入式微处理器的管脚上，嵌入式微处理器对各路方波信号分别进行读取；信号分析部分是由嵌入式微处理器根据读取到的各路方波信号进行计算，得出各信号所对应的频率，且根据实际测量情况，在出现空载状态时通知报警系统采取措施。

采用上述技术方案后，本发明的抽油机井空载状态监测装置具有以下优点：

1、对微弱信号的检测与放大能够不受屏蔽线长短的影响，能够准确的从井下将测得信号经过较长的传输线传递上来。受到环境影响，以及线路长短的影响较小，保证测量的准确性；

2、通过对主要振动频率进行监测能够排除系统其他微小扰动，以及其他外界干扰；

3、通过对带通滤波器进行程序控制，在适用性上得到加强，能够适应各种不同环境，不同类型的抽油系统。方便根据实际情况及时进行调节，应用范围广；

4、最终检测结果不仅能反映出系统是否出现空载情况，也能在检测到的其他范围内的振动频率处于不正常范围时，确定其他环节出现不正常状态，并能及时进行反馈；

5、应用于设备保护、节能和提高生产效益。

附图说明

图1为本发明实施例的抽油机井空载状态监测装置框图；

图2为本发明实施例的振动传感器与电荷放大器框图；

图3为本发明实施例的带通滤波器组框图；

图4为本发明实施例的嵌入式微处理器接线与功能框图；

图5为本发明实施例的抽油机井空载状态监测装置电路图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

实施例1

抽油机井空载状态监测装置

现请参阅图1，图1为本发明实施例的抽油机井空载状态监测装置框图。如图所示，所述抽油机井空载状态监测装置包括拾振环节，测量线路环节和信号处理分析环节，其特征在于：

所述拾振环节包含对微弱振动信号的振动检测部分和对所检测的微弱信号进行放大处理部分，其中：在微弱振动信号的振动检测部分设置压电式传感器，压电式传感器根据微弱振动信号的变化产生相应变化的电压信号；对所检测的微弱信号进行的放大部分设置电荷放大器，电荷放大器输出高阻抗；

所述测量线路环节包含对拾振环节信号的分频部分，对带通滤波器带宽的控制部分，对分频信号进行处理部分，其中：在拾振环节信号的分频部分设置能够程控的带通滤波器组；对带通滤波器带宽控制部分设置译码器对各滤波器进行控制，在设置各滤波器中心频率时根据需要选择对应滤波器；对分频信号处理部分分频信号处理部分设置触发器；

所述信号处理分析环节包含对各路信号的读取部分，对各路信号进行分析部分，其中：信号读取部分通过将各路处理过的信号分别连接在嵌入式微处理器的管脚上，嵌入式微处理器对各路方波信号分别进行读取；信号分析部分是由嵌入式微处理器根据读取到的各路方波信号进行计算，得出各信号所对应的频率，且根据实际测量情况，在出现空载状态时通知报警系统采取措施。

实施例2

抽油机井空载状态监测装置使用方法

现请参阅图2～图5，图2为本发明实施例的振动传感器与电荷放大器框图，图3为本发明实施例的带通滤波器组框图，图4为本发明实施例的嵌入式微处理器接线与功能框图，图5为本发明实施例的抽油机井空载状态监测装置电路图。

本发明抽油机井空载状态监测装置的原理如下：

尽管抽油机存在着多方面原因导致的振动，但是每种振动都有其固有的振动频率，通过对不同频率范围内的振动进行检测、比较就能分析出抽油机是否正常工作。本发明抽油机井空载状态监测装置的拾振环节，测量线路环节和信号处理分析环节相配合，能够实现对杆式抽油机空载状态的监测。在检测到振动信号后经过放大，将信号传输进带通滤波器组，将带通滤波器组处理过的信号分别通过波形处理电路，最终得到各种同频率的方波信号，将这些信号传递至嵌入式微处理器进行读取，最终由嵌入式微处理器根据输入信号分别进行计算处理。通过对振动频率信号的分频处理，在进行比较后便可得出实际工作状态。

因此本发明最终结果不仅能对空载状态进行检测，也能通过对主要频率的波形一一进行分析，检测其他导致抽油机振动的环节是否正常，以保证抽油机处于正常工作状态。

本发明抽油机井空载状态监测装置使用方法包括以下步骤：

步骤1、对各种振动频率进行测量

在即将应用本抽油机井空载状态监测装置的抽油系统中，根据实际情况分别得出光杆对上下运动对井口的摩擦振动，电机运行时传导的振动，减速器振动的影响振动；潜油电泵导致的振动，分离器导致的振动，保护器导致的振动，以及潜油电机导致的振动以及油水混合物正常流动时产生的振动，液气水混合流动物流动时产生的振动，以及液体不流动时产生的振动，抽空时的空载振动等主要振动的中心频率。

步骤2、带通滤波器组的设置

根据步骤1所得到数据，对嵌入式微处理器进行编程，通过译码器对多个芯片进行选择，分别将对应的控制信号传输并存储在芯片的存储单元上。通过存储单元上的这些控制信号，便可设置好各带通滤波器允许通过信号的中心频率以及其他控制量。

步骤3、拾振环节处理

拾振环节分为对微弱振动信号的检测部分即振动传感器，对所检测的微弱信号进行放大处理部分即电荷放大器。所述的振动传感器采用压电式振动传感器。当杆式抽油机抽油杆振动时，安装在抽油杆上的振动传感器便能够检测到振动信号，传感器内的晶体会发生极化现象，在它的表面产生符号相反的电荷，最终输出一个微小电信号。同时传感器还能根据振动方向的变化显示出不同极性的电信号。当无振动时，则会重新恢复到不带电状态。但是由于震动比较微弱，所检测到的信号也比较微弱。在对信号处理前需要对微弱信号的检测需要进行放大。通过比较，本装置采用电荷放大器。电荷放大器电路的输出电压正比于输入电荷量，同时如果采用屏蔽光缆进行信号传输，传输信号受线路长短的影响较小，能够保证拾振环节信号的准确性，以便于后续环节准确的进行。

步骤4、测量线路环节处理

测量线路环节分为对拾振环节信号的分频处理部分即滤波器组，对带通滤波器带宽的控制部分即控制电路，对分频信号进行处理部分即波形处理电路。在检测到振动信号后，由传感器采集的信号是多频率混淆分布的，并且还有一些并不是监测所需的频段信号干扰。因此，必须根据现场信号抗混淆滤波的需要，对感应到的信号进行指定截止频率的高低通滤波处理，将不同频率信号分离开，同时过滤掉非主要因素的干扰。通过图3所示的带通滤波器组，以及附属的一些元器件，在实验测得各主要振动的固有频率后，通过调整附属电子元件以及对管脚信号进行控制，事先设置好各滤波器的频段范围，通过编写嵌入式微处理器内的程序，由嵌入式微处理器管脚输出信号通过控制电路2分别对各个滤波器组进行选择，输入控制量，将控制量分别存储在各带通滤波器芯片的存储器中。在此之后便能够在本装置正常运行之后将混合信号分开为不同频段信号。由于能够对带通滤波器中心频率进行控制，因此也提高了本装置的通用性，能够根据不同情况具体设计带通滤波器的允许通过信号的中心频率。信号通过带通滤波器后，得到的信号波形并不是适合直接输入到嵌入式微处理器进行处理。本装置通过对各频段信号分别进行波形处理，通过波形处理电路后能够在信号高于某一电压时产生一个同频率的方波信号，便于嵌入式微处理器进行读取。将此同频率的矩形方波脉冲信号输入到后续的嵌入式微处理器各个管脚，可以进行计数，进行频率的计算。

步骤5、信号处理分析环节运作

所述信号处理分析环节包含对各路信号的读取部分，对各路信号进行分析部分，其中：信号读取部分通过将各路处理过的信号分别连接在嵌入式微处理器的管脚上，嵌入式微处理器对各路方波信号分别进行读取；信号分析部分是由嵌入式微处理器根据读取到的各路方波信号进行计算，得出各信号所对应的频率，且根据实际测量情况，在出现空载状态时通知报警系统采取措施。嵌入式微处理器在检测到波形处理电路传递过来的频率信号后，通过程序计算出各矩形脉冲的频率，通过与历史数据进行比较，可以快速检测出各频段信号是否在正常工作范围内。并且可以检测出，若其他信号都正常，而出现空载频段信号，或者空载频段信号前后落差很大时，便可判断杆式抽油机便处于空载状态。此时再通过嵌入式微处理器向报警系统发出信号，及时反馈该不正常工作状态。

本发明具有实质性特点和显著的技术进步，本发明的抽油机井空载状态监测装置具有抗干扰能力强，保密性好，检测准确等特点，适于推广应用。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

Claims (1)

1.一种抽油机井空载状态监测装置，抽油机存在着各种原因导致的振动，对杆式抽油机来说，包括光杆上下运动对井口的摩擦引起的振动，电机运行时传导的振动，减速器影响的振动，油水混合物正常流动时产生的振动，液气水混合物流动时产生的振动，液体不流动时产生的振动和抽空时产生的空载振动；对潜油电泵抽油系统来说，包括潜油电泵导致的振动，分离器导致的振动，保护器导致的振动，潜油电机导致的振动，油水混合物正常流动时产生的振动，液气水混合物流动时产生的振动，液体不流动时产生的振动和抽空时产生的空载振动，所述抽油机井空载状态监测装置包括拾振环节，测量线路环节和信号处理分析环节，其特征在于：

所述拾振环节包含对微弱振动信号的振动检测部分和对所检测的微弱信号进行放大处理部分，其中：在微弱振动信号的振动检测部分设置压电式传感器，压电式传感器根据微弱振动信号的变化产生相应变化的电压信号；对所检测的微弱信号进行的放大部分设置电荷放大器，电荷放大器输出高阻抗；

所述测量线路环节包含对拾振环节信号的分频部分，对带通滤波器带宽的控制部分，对分频信号进行处理部分，其中：在拾振环节信号的分频部分设置能够程控的带通滤波器组；对带通滤波器带宽控制部分设置译码器对各滤波器进行控制，在设置各滤波器中心频率时根据需要选择对应滤波器；对分频信号处理部分分频信号处理部分设置触发器；

所述信号处理分析环节包含对各路信号的读取部分，对各路信号进行分析部分，其中：信号读取部分通过将各路处理过的信号分别连接在嵌入式微处理器的管脚上，嵌入式微处理器对各路方波信号分别进行读取；信号分析部分是由嵌入式微处理器根据读取到的各路方波信号进行计算，得出各信号所对应的频率，且根据实际测量情况，在出现空载状态时通知报警系统采取措施。

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