CN112324395B - 应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油田抽油机设备领域,尤其涉及一种应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置,抽油机结构,包括位移传感器、底座、游梁、支架、主驴头、副驴头、配重驴头、调速电机、飞轮、滑座、滑板、调冲程组件和配重组件;底座固定安装在地面上,主驴头和配重驴头分别固定安装在所述游梁的两端,副驴头固定安装在游梁上。本发明通过根据实时检测获得的电参曲线数据,结合抽油机结构参数,建立抽油机悬点示功图的动态数学模型,计算分析判断抽油机井液面变化情况,自动调节抽油机冲次,从而达到抽油机井定液位抽汲。与现有技术中的基于伺服调速技术的冲次调整方式相结合,抽油速度的调整精度更高且能实现连续调整。
Description
技术领域
本发明属于抽油机设备领域,尤其涉及一种应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置。
背景技术
抽油机是油田生产中使用最广泛的一种采油设备,抽油机的种类很多,其中,游梁式抽油机是应用最广泛的一种。游梁式抽油机工作时的理想状态是抽油速度与地层出油速度完全相同,即井下液位保持恒定。实际生产中,由于地层的出油速度是不可控的,因此只能被动地调整抽油速度使井下液面尽量恒定。
在传统抽油机上,为了保证油井液面的恒定,采用的手段是通过测试仪器测量油井液面,继而根据液面位置,手动调整电机转速。该方法采集周期间隔时间长,工人劳动强度大,工作效率低,液面的实时性得不到保证,抽油机冲次无法实时调节,这种手段无法保证油井液面的恒定。
发明内容
本发明提供一种应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置,根据实时检测获得的伺服电机的电参曲线数据,结合抽油机结构参数和抽油杆的位移变化情况,建立抽油机悬点示功图的动态数学模型,计算分析判断抽油机井液面变化情况,并将液面变化情况实时反馈给伺服驱动机构,自动调节抽油机的冲次和冲程,从而达到抽油机井定液位抽汲的目的,有效解决了上述背景技术中提出的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:本发明提供了一种应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置,包括抽油机本体和电参数采集装置,抽油机本体包括底座、游梁、支架、主驴头、副驴头、配重驴头、调速电机、飞轮、滑座、滑板、调冲程组件和配重组件;
底座固定安装在地面上,支架的下端固定安装在底座的中部,支架的上端铰接在游梁的中部,所述主驴头和配重驴头分别固定安装在所述游梁的两端,所述副驴头固定安装在游梁上,位置位于主驴头所在的一侧;
所述滑座固定安装在所述底座上,所述滑板滑动安装在所述滑座上,副驴头和配重驴头的正下方各设置有一个导轮,副驴头和配重驴头上分别连接有一根软绳,连接在副驴头上的软绳绕过副驴头下方的导轮后连接在所述滑板的一端,连接在配重驴头上的软绳绕过配重驴头下方的导轮后连接在所述滑板的另一端;
所述调速电机固定安装在所述支架上,所述飞轮通过一根旋转轴安装在所述支架上,所述调速电机的输出轴上安装有齿轮,所述飞轮的外边缘加工有轮齿,该轮齿与所述齿轮啮合,飞轮的侧面加工有封闭轨道槽,所述滑板的上侧固定设置有转换座,转换座上加工有长条孔,长条孔内滑动安装有一个滑块,滑块上设置有短销和弹簧,短销位于滑块上朝向飞轮的一侧,短销的末端插在所述封闭轨道槽内,短销可沿自身轴线方向在滑块上滑动,短销在弹簧弹力作用下始终抵在所述封闭轨道槽的槽底;
所述封闭轨道槽呈圆环形,封闭轨道槽内设置有一个槽深分界面,槽深分界面与所述短销的轴线平行,以槽深分界面为起点,所述封闭轨道槽的深度沿逆时针方向逐渐减小,直到再次到达槽深分界线,从而在槽深分界面处形成深度断崖;
调冲程组件,包括法兰套、外滑套、内滑套、滑杆和抽油杆转接套,其中,法兰套的下端设置有法兰盘,法兰套通过该法兰盘固定连接在井口法兰上,外滑套滑动安装在法兰套上端的外侧,内滑套滑动安装在法兰套上端的内侧,内滑套上端的外侧壁与外滑套上端的内侧壁滑动配合,内滑套的下侧通过加工在外滑套内侧的台肩限位,所述抽油杆转接套滑动安装在内滑套的内侧,所述滑杆滑动安装在抽油杆转接套的内侧;
抽油杆转接套的侧壁上加工有径向通孔,该径向通孔内滑动安装有锁块,所述内滑套上端的内侧加工有与所述锁块的一端对应的内锁槽,所述滑杆的外侧加工有与所述锁块的另一端对应的外锁槽;
所述滑杆的上端通过软绳与所述主驴头连接,所述抽油杆转接套的下端与井下的抽油杆连接;
所述外滑套的上端通过螺纹安装有堵头,堵头与所述内滑套的上端之间设置有弹簧;
所述法兰盘的上侧设置有冲程调整电机,冲程调整电机的输出轴上连接有丝杠,该丝杠与所述外滑套的下端通过螺纹副连接。
作为进一步的技术方案,配重组件,包括配重块、调整杆、锥座、配重调整电机和限位座,其中,调整杆串联在所述配重驴头与所述滑板之间的软绳上,调整杆的下端设置有圆盘,配重块和锥座均套在调整杆的外侧且能自如滑动,锥座位于配重块的下方,所述的配重调整电机固定安装在所述锥座的底部,配重调整电机的输出轴上连接有丝杠,该丝杠与调整杆下端的圆盘通过螺纹副连接,所述限位座安装在所述配重块的正下方,限位座的中央设置有可供所述圆盘、锥座和配重调整电机通过的通孔。
作为进一步的技术方案,所述飞轮上与所述封闭轨道槽所在侧相对的另一侧加工有调整槽,调整槽内固定安装有调整块。
作为进一步的技术方案,所述支架上安装有用于检测抽油杆位移的位移传感器。
本发明的有益效果为:
1、本发明根据实时检测获得的伺服电机的电参曲线数据,结合抽油机结构参数和抽油杆的位移变化情况,建立抽油机悬点示功图的动态数学模型,计算分析判断抽油机井液面变化情况,并将液面变化情况实时反馈给伺服驱动机构,自动调节抽油机的冲次和冲程,从而达到抽油机井定液位抽汲的目的。与现有技术中的基于伺服调速技术的冲次调整方式相结合,抽油速度的调整精度更高且能实现连续调整,有利于实现更精准的定液面控制。
2、本发明建立了油井合理控制液位采油调速系统模型,确定油井合理动液面的自动调控方法,专门设置了与本发明中的调冲程组件匹配的配重组件,当调冲程组件进入空冲程状态的瞬间,配种块恰好落于所述限位座上,使配重块的配重作用解除,游梁两端仍能达到受力平衡,从而使抽油机在空冲程状态下工作时更加节能。
3、本发明设置了基于调速电机、飞轮、滑板、滑座和软绳的动力传动机构,与传统游梁式抽油机上的曲柄连杆传动机构相比,参数在线可调,保证油井定液位抽汲,节能效果更好,具有良好的经济效益。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是图1中调冲程组件的结构示意图;
图3是配重组件的结构示意图;
图4是飞轮的正面结构示意图;
图5是飞轮的反面结构示意图;
图6是所述滑块及其内部结构示意图。
图中:1、调冲程组件;2、软绳;3、主驴头;4、副驴头;5、游梁;6、支架;7、配重驴头;8、配重组件;9、限位座;10、导轮;11、底座;12、调速电机;13、齿轮;14、飞轮;15、滑板;16、转换座;17、滑块;18、封闭轨道槽;19、抽油杆转接套;20、滑杆;21、内滑套;22、法兰盘;23、冲程调整电机;24、丝杠;25、外滑套;26、堵头;27、弹簧;28、内锁槽;29、锁块;30、台肩;31、配重调整电机,32、配重块;33、调整杆;34、圆盘;35、调整块;36、锥座;37、槽深分界面;38、短销。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述:
如图1所示,本实施例包括抽油机本体和电参数采集装置,其中,抽油机本体是指抽油机的机械主体,电参数采集装置是指用于对伺服电机12工作时的电压、电流、转速、扭矩进行采集的电气装置。现有技术中,以变频器为代表的电参数采集装置在游梁式抽油机的电气控制系统中已经广泛采用,在此不再赘述。
本发明中,抽油机本体包括底座11、游梁5、支架6、主驴头3、副驴头4、配重驴头7、调速电机12、飞轮14、滑座、滑板15、调冲程组件1和配重组件8。抽油机工作时,调速电机12通过齿轮13驱动飞轮14旋转,飞轮14在封闭轨道槽18内短销17的配合作用下驱动转换座16和滑板15沿滑座往复运动,滑板15牵引游梁5两端的副驴头4和配重驴头7,从而使游梁5以支架6上端为中心往复摆动。本发明设置了基于飞轮14、滑板15、滑座和软绳2的动力传动机构,与传统游梁5式抽油机上的曲柄连杆传动机构相比,节能效果更好,具有良好的经济效益。
实施时,底座11固定安装在地面上,支架6的下端固定安装在底座11的中部,支架6的上端铰接在游梁5的中部,所述主驴头3和配重驴头7分别固定安装在所述游梁5的两端,所述副驴头4固定安装在游梁5上,位置位于主驴头3所在的一侧。
如图1所示,所述滑座固定安装在所述底座11上,所述滑板15滑动安装在所述滑座上,副驴头4和配重驴头7的正下方各设置有一个导轮10,副驴头4和配重驴头7上分别连接有一根软绳2,连接在副驴头4上的软绳2绕过副驴头4下方的导轮10后连接在所述滑板15的一端,连接在配重驴头7上的软绳2绕过配重驴头7下方的导轮10后连接在所述滑板15的另一端。
需要注意的是,此处必须保证副驴头4与副驴头4正下方的导轮10之间的软绳2始终处于竖直方向,同时也必须保证配重驴头7与配重驴头7正下方的导轮10之间的软绳2始终处于竖直方向。
如图1所示,所述调速电机12固定安装在所述支架6上,所述飞轮14通过一根旋转轴安装在所述支架6上,所述调速电机12的输出轴上安装有齿轮13,所述飞轮14的外边缘加工有轮齿,该轮齿与所述齿轮13啮合,飞轮14的侧面加工有封闭轨道槽18,所述滑板15的上侧固定设置有转换座16,转换座16上加工有长条孔,长条孔内滑动安装有一个滑块17,
如图6所示,滑块17上设置有短销38和弹簧,短销38位于滑块17上朝向飞轮14的一侧,短销38的末端插在所述封闭轨道槽18内,短销38可沿自身轴线方向在滑块17上滑动,短销38在弹簧弹力作用下始终抵在所述封闭轨道槽18的槽底;
如图4和图6所示,所述封闭轨道槽18呈圆环形,封闭轨道槽18内设置有一个槽深分界面37,槽深分界面37与所述短销38的轴线平行,以槽深分界面37为起点,所述封闭轨道槽18的深度沿逆时针方向逐渐减小,直到再次到达槽深分界面37,从而在槽深分界面37处形成深度断崖;也就是说,短销38既可以沿所述条形孔滑动,又可沿所述封闭轨道槽18滑动,调速电机12启动前,短销38位于封闭轨道槽18内槽深最小处,调速电机12启动后,飞轮14逆时针转动,短销38开始沿封闭轨道槽18的圆周相对滑动(此时短销38实际上是静止的,是飞轮14在运动),同时,随着槽深的增加,短销38也会在滑块17内的弹簧作用下逐渐伸入封闭轨道槽18的更深处,当短销38与槽深分界面37相遇时,槽深分界面37便会推动短销38,并使短销38随飞轮14一同旋转(此时,短销38与飞轮14相对静止),此后,滑块17在飞轮14的驱动下运动,滑块17的水平分运动转化为滑板15的横向往复运动,滑板15的横向往复运动通过软绳2的牵引作用转化为游梁5的往复摆动,从而实现抽油机的愁有动作。实施时,可在短销38的外端加装凸轮手柄,可通过扳动凸轮手柄使短销38从闭轨道槽18内脱出。
上述结构中,槽深分界面37的设置使调速电机12在启动瞬间的负载只有飞轮14,启动负载很小。飞轮14旋转初期,滑座15与飞轮14之间无动力连接,调速电机12输出的机械能只转化为飞轮14的惯性势能,当飞轮14开始驱动滑块17运动后,飞轮14的惯性势能和调速电机12持续输出的机械能共同推动滑块17、滑板15和游梁5运动,从而使调速电机12的启动力矩更小,降低了对调速电机12扭矩的要求。
本发明通过设置调冲程组件1,可将抽油机的完整冲程中加入一部分空冲程,在空冲程中,游梁5在动力的驱动下继续摆动,但抽油杆已经停止运动,从而达到调整抽油机的冲程的目的。与现有技术中的基于变频调速技术的冲次调整方式相结合,抽油速度的调整精度更高且能实现连续调整。调冲程组件1的具体结构和工作原理如下:
如图2所示,调冲程组件1,包括法兰套、外滑套25、内滑套21、滑杆20和抽油杆转接套19,其中,法兰套的下端设置有法兰盘22,法兰套通过该法兰盘22固定连接在井口法兰上,外滑套25滑动安装在法兰套上端的外侧,内滑套21滑动安装在法兰套上端的内侧,内滑套21上端的外侧壁与外滑套25上端的内侧壁滑动配合,内滑套21的下侧通过加工在外滑套25内侧的台肩30限位,所述抽油杆转接套19滑动安装在内滑套21的内侧,所述滑杆20滑动安装在抽油杆转接套19的内侧;抽油杆转接套19的侧壁上加工有径向通孔,该径向通孔内滑动安装有锁块29,所述内滑套21上端的内侧加工有与所述锁块29的一端对应的内锁槽28,所述滑杆20的外侧加工有与所述锁块29的另一端对应的外锁槽;所述滑杆20的上端通过软绳2与所述主驴头3连接,所述抽油杆转接套19的下端与井下的抽油杆连接;所述外滑套25的上端通过螺纹安装有堵头26,堵头26与所述内滑套21的上端之间设置有弹簧27;所述法兰盘22的上侧设置有冲程调整电机23,冲程调整电机23的输出轴上连接有丝杠24,该丝杠24与所述外滑套25的下端通过螺纹副连接。
上冲程时,滑杆20在主驴头3的牵引下从如图2所示的位置状态开始向上滑动,此时,锁块29的一端插在滑杆20外侧的外锁槽内,从而使抽油杆转接套19连同井下的抽油杆与滑杆20一同向上滑动,当锁块29滑动至与内滑套21内侧的内锁槽28对应的位置时,锁块29在倒角的导向作用下被迫沿径向滑动,滑动后,锁块29的一端从滑杆20外侧的外锁槽内脱出,锁块29的另一端插入内滑套21内侧的内锁槽28,从而使抽油杆转接套19与滑杆20脱离,并使抽油杆转接套19与外滑套25连接,抽油杆转接套19与外滑套25连接后,游梁5仍然在往复摆动,但此时抽油杆转接套19连同连接在其下端的抽油杆已经不再运动,即抽油机进入“空冲程”。下冲程时,调冲程组件1中各可动部件按照相反的过程动作,使滑杆20与抽油杆转接套19重新建立连接,继而使抽油杆再次向下移动,从而实现抽油杆的直线往复运动。
需要调整冲程时,启动冲程调整电机23,外滑套25在冲程调整电机23的驱动下向上或向下移动,使内锁槽28与锁块29之间的极限距离变大或变小,进而使空冲程的长度发生改变,实现调冲程的目的。
本发明专门设置了与本发明中的调冲程组件1匹配的配重组件8,当调冲程组件1进入空冲程状态的瞬间,配种块恰好落于所述限位座9上,使配重块32的配重作用解除,这样,在主驴头3一侧的井下载荷卸除时,游梁5两端仍能达到受力平衡,从而使抽油机在空冲程状态下工作时更加节能。配重组件8的具体结构和工作原理如下:
如图3所示,配重组件8,包括配重块32、调整杆33、锥座36、配重调整电机31和限位座9,其中,调整杆33串联在所述配重驴头7与所述滑板15之间的软绳2上,调整杆33的下端设置有圆盘34,配重块32和锥座36均套在调整杆33的外侧且能自如滑动,锥座36位于配重块32的下方,所述的配重调整电机31固定安装在所述锥座36的底部,配重调整电机31的输出轴上连接有丝杠24,该丝杠24与调整杆33下端的圆盘34通过螺纹副连接,所述限位座9安装在所述配重块32的正下方,限位座9的中央设置有可供所述圆盘34、锥座和配重调整电机31的通孔。工作时,调节冲程后,通过启动配重调整电机31可使锥座36和配重块32上下滑动,从而使配重块32在调冲程组件1进入空冲程状态的瞬间恰好落于所述限位座9上,使配重块32的配重作用解除,这样,在主驴头3一侧的井下载荷卸除时,游梁5两端仍能达到受力平衡。
作为进一步优化的技术方案,在本发明实施过程中,还可对飞轮14的重量进行特别考量。事实上,飞轮14在本发明所述的技术方案中不仅可以作为一个传动零件,通过适当增加飞轮14的重量,便可利用飞轮14旋转时产生的惯性矩来减少抽油机工作过程中产生的冲击,并降低调速电机12的启动力矩。为了针对不同的井况调整飞轮14的重量,可在飞轮14上与所述封闭轨道槽18所在侧相对的另一侧加工有调整槽,调整槽内固定安装有调整块35,通过更换重量不同的调整块35可使飞轮14具有不同的惯性矩,从而适应不同井况。
现有技术中,专利号为CN201210342573.3的发明专利授权文本中公开了一种获得井下动液面参数的方法:通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器和抽油机游梁下方的位移传感器,对抽油机井抽油杆载荷和位移进行测量,采集并获取载荷与时间曲线,和位移与时间曲线;利用所述载荷与时间曲线,和位移与时间曲线,获取光杆示功图;根据获取的所述光杆示功图得到泵功图;利用所述泵功图获取油井动液面的深度。基于该方法,若想得到动液面值,必须先获取两个参数:一是抽油机的悬点载荷,二是抽油杆的位移。本发明设计过程中需要考虑的问题之一便是如何获取这两个参
在本发明中,通过电参数采集装置采集调速电机12的扭矩,在获知扭矩的基础上,根据抽油机本体的结构参数进行力学计算便可获得抽油机的悬点载荷。另外,本发明设置了位移传感器来采集抽油杆的位移信号。通过获取抽油机悬点载荷和抽油杆位移两个参数,使本发明可依照现有技术中的方法获得井下动液面的实时数据,用该实时数据来指导各电机的启停时间,可按需控制抽油机的冲程和冲次,从而对井下动液面进行负反馈调节,达到保持井下液面恒定的目的。
实施时,位移传感器需要安装在与抽油杆发生相对运动的位置,优选安装在油井井口,游梁或支架上。事实上,采用位移传感器测量抽油杆位移在现有技术中已有大量应用,故在此不再赘述。
Claims (4)
1.一种应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置,包括抽油机本体和电参数采集装置,其特征在于:抽油机本体包括底座(11)、游梁(5)、支架(6)、主驴头(3)、副驴头(4)、配重驴头(7)、调速电机(12)、飞轮(14)、滑座、滑板(15)、调冲程组件(1)和配重组件(8);
底座(11)固定安装在地面上,支架(6)的下端固定安装在底座(11)的中部,支架(6)的上端铰接在游梁(5)的中部,所述主驴头(3)和配重驴头(7)分别固定安装在所述游梁(5)的两端,所述副驴头(4)固定安装在游梁(5)上,位置位于主驴头(3)所在的一侧;
所述滑座固定安装在所述底座(11)上,所述滑板(15)滑动安装在所述滑座上,副驴头(4)和配重驴头(7)的正下方各设置有一个导轮(10),副驴头(4)和配重驴头(7)上分别连接有一根软绳(2),连接在副驴头(4)上的软绳(2)绕过副驴头(4)下方的导轮(10)后连接在所述滑板(15)的一端,连接在配重驴头(7)上的软绳(2)绕过配重驴头(7)下方的导轮(10)后连接在所述滑板(15)的另一端;
所述调速电机(12)固定安装在所述支架(6)上,所述飞轮(14)通过一根旋转轴安装在所述支架(6)上,所述调速电机(12)的输出轴上安装有齿轮(13),所述飞轮(14)的外边缘加工有轮齿,该轮齿与所述齿轮(13)啮合,飞轮(14)的侧面加工有封闭轨道槽(18),所述滑板(15)的上侧固定设置有转换座(16),转换座(16)上加工有长条孔,长条孔内滑动安装有一个滑块(17),滑块(17)上设置有短销(38)和弹簧,短销(38)位于滑块(17)上朝向飞轮(14)的一侧,短销(38)的末端插在所述封闭轨道槽(18)内,短销(38)可沿自身轴线方向在滑块(17)上滑动,短销(38)在弹簧弹力作用下始终抵在所述封闭轨道槽(18)的槽底;
所述封闭轨道槽(18)呈圆环形,封闭轨道槽(18)内设置有一个槽深分界面(37),槽深分界面(37)与所述短销(38)的轴线平行,以槽深分界面(37)为起点,所述封闭轨道槽(18)的深度沿逆时针方向逐渐减小,直到再次到达槽深分界面(37),从而在槽深分界面(37)处形成深度断崖;
调冲程组件(1),包括法兰套、外滑套(25)、内滑套(21)、滑杆(20)和抽油杆转接套(19),其中,法兰套的下端设置有法兰盘(22),法兰套通过该法兰盘(22)固定连接在井口法兰上,外滑套(25)滑动安装在法兰套上端的外侧,内滑套(21)滑动安装在法兰套上端的内侧,内滑套(21)上端的外侧壁与外滑套(25)上端的内侧壁滑动配合,内滑套(21)的下侧通过加工在外滑套(25)内侧的台肩(30)限位,所述抽油杆转接套(19)滑动安装在内滑套(21)的内侧,所述滑杆(20)滑动安装在抽油杆转接套(19)的内侧;
抽油杆转接套(19)的侧壁上加工有径向通孔,该径向通孔内滑动安装有锁块(29),所述内滑套(21)上端的内侧加工有与所述锁块(29)的一端对应的内锁槽(28),所述滑杆(20)的外侧加工有与所述锁块(29)的另一端对应的外锁槽;
所述滑杆(20)的上端通过软绳(2)与所述主驴头(3)连接,所述抽油杆转接套(19)的下端与井下的抽油杆连接;
所述外滑套(25)的上端通过螺纹安装有堵头(26),堵头(26)与所述内滑套(21)的上端之间设置有弹簧(27);
所述法兰盘(22)的上侧设置有冲程调整电机(23),冲程调整电机(23)的输出轴上连接有丝杠(24),该丝杠(24)与所述外滑套(25)的下端通过螺纹副连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置,其特征在于:
配重组件(8),包括配重块(32)、调整杆(33)、锥座(36)、配重调整电机(31)和限位座(9),其中,调整杆(33)串联在所述配重驴头(7)与所述滑板(15)之间的软绳(2)上,调整杆(33)的下端设置有圆盘(34),配重块(32)和锥座(36)均套在调整杆(33)的外侧且能自如滑动,锥座(36)位于配重块(32)的下方,所述的配重调整电机(31)固定安装在所述锥座(36)的底部,配重调整电机(31)的输出轴上连接有丝杠(24),该丝杠(24)与调整杆(33)下端的圆盘(34)通过螺纹副连接,所述限位座(9)安装在所述配重块(32)的正下方,限位座(9)的中央设置有可供所述圆盘(34)、锥座和配重调整电机(31)通过的通孔。
3.根据权利要求1所述的一种应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置,其特征在于:所述飞轮(14)上与所述封闭轨道槽(18)所在侧相对的另一侧加工有调整槽,调整槽内固定安装有调整块。
4.根据权利要求1所述的一种应用电参曲线分析技术的抽油机井定液位抽汲伺服装置,其特征在于:所述支架上安装有用于检测抽油杆位移的位移传感器。
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