CN111766931B - 一种抽油机井系统效率测试仪 - Google Patents
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Abstract
一种抽油机井系统效率测试仪，主机CPU和无线示功图传感器通过主机无线通讯模块通讯。主机USB插座通过USB转换模块与主机CPU连接。电流互感器连接电参测量模块内滤波电路。测试夹通过电参内过流过压保护及降压器连接电参测量模块内滤波电路，其后通过电能计量芯片、信号隔离电路与电参CPU连接。电参USB插座连主机USB插座及电参CPU。电参USB插座还通过隔离电源与电能计量芯片连接。主机还连压力传感器和井口连接器。主机USB插座还可与计算机和外置U盘连接。是测试油田抽油机井的多个电参数及示功图、动液面等多功能的综合测试仪器，能够计算抽油机井系统效率，为抽油机井进行工况诊断和平衡分析提供准确数据。
Description
技术领域
本发明属于油田测试设备领域，特别涉及一种抽油机井系统效率测试仪，是测试油田抽油机井的电参数，包括电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、功率位移曲线及示功图、动液面等多功能的综合测试仪器，能够计算抽油机井系统效率，为抽油机井进行工况诊断和平衡分析提供准确数据。通过分析可以确定最佳节能降耗调参优化方案，以保证抽油机井运行在最佳状态，提高油井系统效率。该仪器主要应用于油田低压测试领域，能为分析抽油机平衡情况和运行特性提供准确数据。
背景技术
在油田开发生产过程中，正量化合理的工作参数是充分发挥油井的生产能力,使动液面和流压保持在一定的合理范围之内,并使消耗的能量最小,做到高产低耗的重要因素。抽油机井的抽吸参数不完全是合理的,对动液面低,示功图气体影响或供液不足抽油机井效率低下的井,应在条件允许的情况下量化调参。系统效率是通过同一时间测试的示功图、动液面和电参数等参数，通过系统诊断分析优化软件计算出系统效率和调参结果。要求示功图和电参数在抽油机井运行周期中要同步测试数据，才能真正准确计算出抽油机井系统效率。而目前在油田测试示功图、动液面和电参数都是使用示功仪进行示功图和动液面测试，再使用功率仪测试电参数，也有集示功图、动液面和电参数于一体的系统效率测试仪，但不能进行示功图和电参数同步测试。这样测试的数据必然给系统效率诊断分析带来误判。另外电参数测试时，前端三相电机测试电压线测试端线电压可达到1140V高压，目前市场在用系统效率测试仪电压测试线都是通过接口直接进入操作主机，如果测试线有磨损裸露或是接口松动，操作者稍有不慎就会造成人员伤亡，具有极大安全隐患。再有就是目前市场出现的系统效率测试仪与上位机通讯，都需要安装驱动程序，不但麻烦，更主要是因为电脑系统多样化问题，频繁出现系统故障导致通讯不了，而且都具有体积大、重量重以及携带操作不便利的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种抽油机井系统效率测试仪，是一种新型结构设计及连接方式的便携式抽油机井系统效率测试仪，测试安全可靠、重量轻，使用方便。
采用的技术方案是：一种抽油机井系统效率测试仪，主机内有主机CPU处理器。其技术要点在于：
主机CPU处理器和主机无线通讯模块对应连接，主机无线通讯模块与无线示功图传感器无线通讯。
主机电源模块与主机CPU处理器和主机存储器对应连接供电。
主机CPU处理器和主机存储器对应连接。
主机USB插座和主机USB转换模块连接。
主机USB转换模块与主机CPU处理器和主机存储器对应连接。
电参测量模块三相电流互感器电缆插座连接电参测量模块内滤波电路的电流滤波部分。
电参测量模块三相电压及零线电缆插座通过电参测量模块内过流过压保护及降压器连接电参测量模块内滤波电路的电压滤波部分。
电参测量模块内滤波电路通过电参测量模块内三相电能计量芯片、电参测量模块内信号隔离电路与电参测量模块CPU处理器对应连接。
电参测量模块USB插座通过主机与电参测量模块连接电缆连接主机USB插座。
电参测量模块USB插座与电参测量模块CPU处理器对应连接。
电参测量模块USB插座还通过电参测量模块内隔离电源与电参测量模块内三相电能计量芯片对应连接。
电参测量模块三相电流互感器电缆插座连接A、B、C三相电流互感器。
电参测量模块三相电压及零线电缆插座连接A相高压测试夹、B相高压测试夹、C相高压测试夹和零线测试夹。
三相电流互感器为三相钳形电流互感器。
主机内的主机放大电路连接主机套压测试插座，压力传感器通过主机与压力传感器连接电缆连接主机套压测试插座。
主机放大电路通过主机A/D转换器与主机CPU处理器对应连接。
主机内的主机放大电路连接主机动液面插座。
井口连接器通过主机与井口连接器连接电缆连接主机动液面插座。
主机放大电路通过主机A/D转换器与主机CPU处理器对应连接。
主机USB插座与计算机对应连接。
主机USB插座与外置U盘对应连接。
主机CPU处理器通过主机键盘接口连接主机键盘。
主机CPU处理器通过主机液晶接口连接主机液晶显示屏。
无线示功图传感器为压力型示功图传感器或卡光杆式示功图传感器。
主机无线通讯模块包括主机无线通讯模块接口和主机天线。
主机侧面上的USB插座是多功能复用口，主要功能：通过单根四芯专用电缆与电参测量模块进行连接，可以方便移动主机到有效无线通讯区域进行无线测试，实现示功图与电参数的同步测试功能当主机给电参测量模块发出测试指令，电参测量模块就会按照主机指令进行电参量采集，采集数据实时发回给主机。当需要示功图与电参数同步测试时，主机给无线示功图传感器和电参测量模块同时发出测试指令，示功图每采集一个点数据即刻通过无线通讯模块发回给主机，同时在下一个示功图采样点指令发出前，电参测量模块采集的电参数据通过四芯专用电缆传回给主机，完成一次示功图和电参量的同步测试，能实现同步测试也是得益于主机和电参测量模块内最新一代Cortex M7架构的高速CPU之间的通讯功能。
抽油机井电参数和示功图同步测试时，无线示功图传感器安装在抽油机前端驴头下悬绳器位置，电参测试前端的高压测试夹和钳形电流互感器都要对应配电箱内的三相电机三相线A、B、C和配电箱外壳地上对应位置连接好，而配电箱处于抽油机和平衡块后端，属于无线信号屏蔽区域。如果不采用主机和电参测量模块通过电缆这种结构和连接方式，无线示功图传感器信号会受到抽油机和平衡块屏蔽而通讯失败，即使想移动主机到空旷区域，三根钳形互感器和四根测试线一组电缆随着主机移动也很不方便，而采用单根四芯专用电缆，移动起来就非常方便，长度根据需要设定，一般设定6米。
过电参测量模块与主机分体式设计结构及USB连接方式，通过三只钳形互感器（A、B、C）、四只测试夹（A、B、C、零线N）及对应电缆既可实现了抽油机井前端三相电流、电压的智能数据采集与通讯，同时电参测量模块、单根四芯专用电缆也对前端高电压高电流与主机进行了完全隔离，保证了主机操作人员的安全。主机通过USB口利用单根四芯专用电缆与电参测量模块USB口连接，为之提供5V工作电压及与之通讯功能。主机与前端高压测试端通过电参测量模块和单根四芯专用电缆进行了高压隔离。
单根四芯专用电缆主要完成主机给电参测量模块提供5V工作电压及与之通讯功能。此时四芯专用电缆只有5V电压，不存在高压，主机与前端高压测试端通过电参测量模块进行了高压隔离， 保证了主机使用人员安全操作。
主机可通过此USB接口使用USB专用电缆与上位机进行信号连接，实现内置存储器数据通讯功能，把主机内数据上传到计算机，而无需安装任何USB驱动程序。
主机也可以通过USB专用电缆与外置U盘连接，利用主机读取外置U盘数据。
主机上的套压测试插座通过4芯专用电缆与压力传感器信号连接，测试油井井口套管压力。
主机的液面插座通过2芯专用连接电缆与井口连接器进行信号连接，进行油井动液面测试。
主机内的无线通讯模块与无线示功图传感器进行无线信号连接，测试抽油机井示功图数据。
抽油机井系统效率测试仪主机具有强大运算处理功能，并配备有强大工况诊断和系统效率分析软件，可以把现场测试的电参数、示功图和动液面数据进行分析计算，为抽油机井进行工况诊断、平衡度及电机功率曲线分析，为系统优化调参提供准确依据。
10、本发明采用最新一代Cortex M7架构CPU，更快的运行速度，更多的片内资源。利用usb otg master/slave模式，自动识别工作模式，可以连接电脑传输数据，也可以连接U盘/电参数测量模块与电脑传输。采用USB存储设备，全面兼容Windows XP/Win7/Win10 32位及64位系统，免驱动，主机CPU通过串行总线与主机存储器相连接，可以把测试数据存储在内置存储器内。
方便数据通讯及管理。电参测量模块分体式设计，高压完全隔离，与测试主机采用USB接口连接，通讯速度快，传输稳定，测试安全可靠。动液面测量采用自动增益及数字滤波算法， 简化操作，波形美观清晰，易于识别。
其优点在于：1、本发明通过电参测量模块与主机分体式设计，通过三只钳形电流互感器（A、B、C）、四只测试夹（A、B、C、零线N）及对应电缆既可实现了抽油机井前端三相电流、电压的智能数据采集与通讯，同时电参测量模块、单根四芯专用电缆也对前端高电压高电流与主机进行了完全隔离，保证了主机操作人员的安全。
2、本发明采用最新一代Cortex M7架构CPU，更快的运行速度和更多的片内资源。利用usb otg master/slave模式，自动识别工作模式，可以连接电脑传输数据，也可以连接U盘/电参测量模块与电脑传输。采用USB存储设备，全面兼容Windows XP/Win7/Win10 32位及64位系统，免驱动安装，方便数据通讯及管理。与测试主机采用USB接口连接，通讯速度快，传输稳定，测试安全可靠。
3、本发明主机侧面上的USB插座是多功能复用口，即可通过单根四芯专用电缆与电参测量模块进行连接完成电参数测试。也可使用USB专用电缆与上位机进行信号连接，无需安装任何USB驱动程序即可实现主机存储器数据上传到上位机。也可以通过USB专用电缆与外置U盘连接，利用主机读取外置U盘数据。
4、本发明通过单根四芯专用电缆把主机与电参测量模块这种连接及结构方式，可以方便移动主机到有效无线通讯区域，实现示功图的无线测试，通过主机和电参测量模块内最新一代Cortex M7架构的CPU之间的高速通讯，即可实现示功图与电参数的同步测试功能。
5、本发明不但具有电参数、示功图、动液面和套管压力综合测试功能，而且还具有强大的工况诊断隔系统效率分析软件，可以把现场测试的电参数、示功图和动液面数据进行综合计算分析，为抽油机井进行工况诊断、平衡度及电机功率曲线分析。
6、本发明动液面测试采用自动增益及数字滤波算法，测试操作简化，动液面测试波形清晰、美观，易于识别。
7、本发明采用当今先进的PDA设计技术，电路板全部采用贴片芯片及元器件设计，集成度较高，大大减少了分立元器件的数量，不但提高了系统工作效率及可靠性，而且大大减少了主机的体积和重量。主机外形尺寸为190mm×90mm×30mm，重量只有350g，是目前国内系统效率测试仪系列中体积最小、重量最轻的产品,可以直接揣在衣兜内，给测试和携带带来很大方便。主机外形结构形式是专门按照适合于人手拇指操作和现场连接、测试方式的形状加工制造而成。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意图。
图2是本发明主机内主板电路模块连接示意图。
图3是本发明电参测量模块电路连接示意图。
主机主板1、主机液晶显示屏2、主机USB转换模块3、主机USB插座4、主机套压测试插座5（3.5mmSMT音频绿色插座）、主机动液面插座6（3.5mmSMT 音频黑色插座）、电参测量模块7、计算机8（上位机）、外置U盘9、压力传感器10、井口连接器11、无线示功图传感器12（包括压力型示功图传感器和卡光杆式示功图传感器）、电参测量模块三相电流互感器电缆插座13、电参测量模块三相电压及零线电缆插座14、主机无线通讯模块15（433MHZ）、主机键盘16、主机17、主机与电参测量模块连接电缆18（6米单根4芯USB专用电缆）、主机与压力传感器连接电缆19（4芯带屏蔽专用连接电缆）、主机与井口连接器连接电缆20（2芯带屏蔽专用连接电缆）、主机存储器21、主机电源模块22、主机CPU处理器23（Cortex M7架构高速CPU）、主机液晶接口24、主机键盘接口25、主机天线26、主机无线通讯模块接口27（433MHZ）、主机A/D转换器28（16位）、主机放大电路29、电参测量模块CPU处理器30（Cortex M7架构高速CPU）、电参测量模块内隔离电源31、电参测量模块内信号隔离电路32、电参测量模块内三相电能计量芯片33、电参测量模块内滤波电路34、电参测量模块内过流过压保护及降压器35、电参测量模块USB插座36。
实施方式
一种抽油机井系统效率测试仪，有主机17（手操器）。
主机17内有主机CPU处理器23。
压力传感器10通过主机与压力传感器连接电缆19连接主机套压测试插座5，主机套压测试插座5连接主机放大电路29。（压力信号和动液面信号放大电路）。
井口连接器11通过主机与井口连接器连接电缆20连接主机动液面插座6，主机动液面插座6连接主机放大电路29。
主机放大电路29通过主机A/D转换器28与主机CPU处理器23对应连接。
主机CPU处理器23和主机无线通讯模块接口27（433MHZ）对应连接，主机无线通讯模块接口27连接主机天线26。主机无线通讯模块15包括主机无线通讯模块接口27和主机天线26。
主机CPU处理器23通过主机键盘接口25连接主机键盘16（薄膜键盘）。
主机CPU处理器23通过主机液晶接口24连接主机液晶显示屏2。
主机电源模块22（内有电池）和主机CPU处理器23对应连接供电。
主机电源模块22和主机存储器21对应连接供电。
主机CPU处理器23和主机存储器21对应连接。
主机USB插座4和主机USB转换模块3连接。
主机USB转换模块3和主机CPU处理器23对应连接，主机USB转换模块3还和主机存储器21对应连接。
主机17的外壳左上角设置有主机液晶显示屏2，右侧安装有主机键盘16。
主机17内装设有主板1，主板1上有主机USB转换模块3、主机存储器21、主机电源模块22、主机CPU处理器23、主机A/D转换器28、主机放大电路29、主机无线通讯模块接口27、主机天线26、主机键盘接口25和主机液晶接口24。
主机17的外壳上侧面安装有主机USB插座4、主机套压测试插座5和主机动液面插座6。
电参测量模块7壳体上的电参测量模块三相电流互感器电缆插座13连接电参测量模块内滤波电路34的电流滤波部分。
电参测量模块7壳体上的电参测量模块三相电压及零线电缆插座14通过电参测量模块内过流过压保护及降压器35连接电参测量模块内滤波电路34的电压滤波部分。
电参测量模块内滤波电路34通过电参测量模块内三相电能计量芯片33、电参测量模块内信号隔离电路32与电参测量模块CPU处理器30对应连接。
电参测量模块7壳体上的电参测量模块USB插座36通过主机与电参测量模块连接电缆18连接主机USB插座4。
电参测量模块USB插座36与电参测量模块CPU处理器30对应连接。
电参测量模块USB插座36还通过电参测量模块内隔离电源31与电参测量模块内三相电能计量芯片33对应连接。
主机USB插座4还可与计算机8对应连接，还可与外置U盘9对应连接。
主机无线通讯模块15与无线示功图传感器12（压力型示功图传感器或卡光杆式示功图传感器）无线通讯。
电参测量模块三相电流互感器电缆插座13连接三相钳形电流互感器（互感器A、互感器B、互感器C三相）。
电参测量模块三相电压及零线电缆插座14连接四个测试夹（高压测试夹A、高压测试夹B、高压测试夹C和零线测试夹）。
主机USB插座4设计成是多功能复用接口，可通过主机与电参测量模块连接电缆18（设为6米）把主机17与电参测量模块7进行连接，可以方便移动主机17到有效无线通讯区域进行无线测试，实现示功图与电参数的同步测试功能。也可通过数据传输的USB专用电缆与计算机8(上位机)进行连接，完成主机17内的USB数据上传到计算机8, 而且无需安装任何USB驱动程序即可实现。主机USB插座4也可以通过USB专用电缆与外置U盘9连接，利用主机17读取外置U盘9内数据。
主机套压测试插座5通过主机与压力传感器连接电缆19（4芯专用连接电缆）与压力传感器10进行信号连接，进行套压测试。主机动液面插座6通过主机与井口连接器连接电缆20（2芯专用连接电缆）与井口连接器11进行信号连接，主机17内的主机无线通讯模块15与无线示功图传感器12进行无线信号连接，完成示功图的无线测试。
主板1通过主机套压测试插座5和主机动液面插座6把测试的信号经过主机放大电路29分别进行放大后，然后连接到主机A/D转换器28进行A/D转换，转换的数字量通过总线连接到主机CPU处理器23，数据在主机CPU处理器23内进行计算和分析，主板1上有主机无线通讯模块接口27、主机天线26（主机内置天线）、主机键盘接口25和主机液晶接口24，它们都与主机CPU处理器23进行连接，由主机CPU处理器23对各部分功能元件进行控制和输出。主机电源模块22为主机CPU处理器23和主机存储器21等各电路部分提供电源。
工作时，通过主机17上的主机液晶屏2菜单提示进行功能选择操作，当选择示功图和电参数同步方式测试时，首先主机17通过主机无线通讯模块15向无线示功图传感器12发送同步测试指令，无线通讯可靠距离可达100米。无线示功图传感器12接收到测试指令后开始进行示功图测试，每个示功图采样点要实时发回主机17。在示功图两个采样点之间，主机17要通过主机与电参测量模块连接电缆18（单根四芯专用电缆）向电参测量模块7发出测试指令，完成一次电参数采集测试，并把测试完成的电参数数据回传给主机17，与示功图数据进行同步数据计算存储，完成抽油机井一个运行周期的采集计算即可完成示功图与电参数的同步测试。动液面测试时，首先主机动液面插座6与井口连接器11通过主机与井口连接器连接电缆20（两芯专用连接电缆）进行连接，然后井口连接器11通过气体爆破产生声波，由内部微音器把声波信号转变成电信号，通过主机与井口连接器连接电缆20传输到主机17内进行数据计算、绘制动液面曲线和存储。套压测试时，首先主机17上的主机套压测试插座5与压力传感器10通过主机与压力传感器连接电缆19（4芯专用连接电缆）进行连接，压力传感器10采集的套压数据通过主机与压力传感器连接电缆19传输给主机17进行数据处理和存储。存放在主机17内主机存储器21的电参数、示功图、动液面和套压等测试数据通过主机USB插座4，利用4芯USB专用连接电缆可以上传给计算机8。
本发明主机17和电参测量模块内7内各具有一颗最新一代Cortex M7架构的高速CPU（具体型号为STM32F407），具有很快很强的运算处理能力，也是保证了示功图和电参数能够完成同步测试的基本保证。同时主机17内嵌入有诊断分析软件，现场可做到对主机17内测试的示功图、电参数和动液面数据给抽油机井进行诊断分析。
电参测量模块7上的电参测量模块三相电流互感器电缆插座13和电参测量模块三相电压及零线电缆插座14是防水插座，电参数测试时，三相电流的三只钳形电流互感器A（红色）、B（黄）、C（蓝色）分别卡夹在配电箱电机输入三相线A、B、C上，相线要完全从互感器环形内穿过，各自电缆同时通过电参测量模块三相电流互感器电缆插座13与电参测量模块7进行连接测试各相电流的。四只测试夹A（红色）、B（黄色）、C（蓝色）、零线N（黑色）分别对应夹在电机输入三相线A、B、C对应端子上，颜色对应即可，零线N（黑色）夹在配电箱外壳地上，各自测试线同时通过电参测量模块三相电压及零线电缆插座14连接到电参测量模块7内。
电参测量模块7内具有电参测量模块内过流过压保护及降压器35、电参测量模块内滤波电路34、电参测量模块内三相电能计量芯片33和与前端采集信号进行隔离的电参测量模块内信号隔离电路32，保证电参测量模块CPU处理器30有效抑制前端干扰信号。同时电参测量模块7内电源也进行了有效隔离，通过与电参测量模块内三相电能计量芯片33的连接控制，完成所有的参数的智能采集、计算和通讯功能。同时，电参测量模块7内也设计有电参测量模块内过流过压保护及降压器35，对电源和信号都进行隔离设计，保证了前端数据采集的安全稳定、准确可靠，电参测量模块CPU处理器30工作电源是由主机17通过主机与电参测量模块连接电缆18与电参测量模块7进行连接提供的，通过电参测量模块内隔离电源31给前端采集器件供电，这样保证了电参测量模块7内的电参测量模块CPU处理器30可靠、稳定工作，同时也保证了主机操作人员的安全操作。
Claims (7)
1.一种抽油机井系统效率测试仪，主机（17）内有主机CPU处理器（23）；其特征在于：主机CPU处理器（23）和主机无线通讯模块（15）对应连接，主机无线通讯模块（15）与无线示功图传感器（12）无线通讯；
主机电源模块（22）与主机CPU处理器（23）和主机存储器（21）对应连接供电；
主机CPU处理器（23）和主机存储器（21）对应连接；
主机USB插座（4）和主机USB转换模块（3）连接；
主机USB转换模块（3）与主机CPU处理器（23）和主机存储器（21）对应连接；
电参测量模块三相电流互感器电缆插座（13）连接电参测量模块内滤波电路（34）的电流滤波部分；
电参测量模块三相电压及零线电缆插座（14）通过电参测量模块内过流过压保护及降压器（35）连接电参测量模块内滤波电路（34）的电压滤波部分；
电参测量模块内电流和电压滤波电路（34）通过电参测量模块内三相电能计量芯片（33）、电参测量模块内信号隔离电路（32）与电参测量模块CPU处理器（30）对应连接；
电参测量模块USB插座（36）通过主机与电参测量模块连接电缆（18）连接主机USB插座（4）；
电参测量模块USB插座（36）与电参测量模块CPU处理器（30）对应连接；
电参测量模块USB插座（36）还通过电参测量模块内隔离电源（31）与电参测量模块内三相电能计量芯片（33）对应连接；
电参测量模块三相电流互感器电缆插座（13）连接A、B、C三相电流互感器；
电参测量模块三相电压及零线电缆插座（14）连接A相高压测试夹、B相高压测试夹、C相高压测试夹和零线测试夹；
主机（17）内的主机放大电路（29）连接主机套压测试插座（5），压力传感器（10）通过主机与压力传感器连接电缆（19）连接主机套压测试插座（5）；
主机放大电路（29）通过主机A/D转换器（28）与主机CPU处理器（23）对应连接；
主机（17）内的主机放大电路（29）连接主机动液面插座（6）；
井口连接器（11）通过主机与井口连接器连接电缆（20）连接主机动液面插座（6）；
主机放大电路（29）通过主机A/D转换器（28）与主机CPU处理器（23）对应连接。
2.根据权利要求1所述的一种抽油机井系统效率测试仪，其特征在于：三相电流互感器为三相钳形电流互感器。
3.根据权利要求1所述的一种抽油机井系统效率测试仪，其特征在于：主机USB插座（4）与计算机（8）对应连接。
4.根据权利要求1所述的一种抽油机井系统效率测试仪，其特征在于：主机USB插座（4）与外置U盘（9）对应连接。
5.根据权利要求1所述的一种抽油机井系统效率测试仪，其特征在于：主机CPU处理器（23）通过主机键盘接口（25）连接主机键盘（16）；
主机CPU处理器（23）通过主机液晶接口（24）连接主机液晶显示屏（2）。
6.根据权利要求1所述的一种抽油机井系统效率测试仪，其特征在于：无线示功图传感器（12）为压力型示功图传感器或卡光杆式示功图传感器。
7.根据权利要求1所述的一种抽油机井系统效率测试仪，其特征在于：主机无线通讯模块（15）包括主机无线通讯模块接口（27）和主机天线（26）。
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