CN112412407A - 一种工业无线采油井注药箱监控设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业无线采油井注药箱监控设备，包括：综合控制处理单元、无线处理单元、电泵控制单元、电量采集单元、压力传感器单元、液位传感器单元和本地配置单元。无线处理单元连接综合控制单元；综合控制单元采集液位传感器单元、压力传感器单元、电泵的电压以及电流单元的数据；液位传感器单元采集注药箱内液位变化；压力传感器单元采集注药箱的管道内的液体压强；电泵的电压以及电流单元采集注药箱电泵的工作状态参数；综合控制单元控制电泵启停工作模式。本发明提高采油井中的注药箱智能化管理，以无线的传输方式信息，降低人员巡查耗费的时间以及精力，进一步提高人员效率，降低采油井中的注药箱管理的运营成本。
Description
技术领域
本发明涉及注药箱领域，具体地说是一种工业无线采油井注药箱监控设备。
背景技术
在油田的注药箱监管过程中，油田系统采用传统的人员巡检的方式，通过工作人员达到注药箱所在处，观察注药箱的连通管的液位刻度的变化，获取注药箱内药液的变化量；读取管道压强的变化，获取压强的变化量；以及手动定时调整注药箱的电泵的启停，不能实时监控注药箱的工作状态以及电泵的启停，同时，在恶劣天气条件下去现场观察极其不便，从而导致工作人员的工作效率低。因此需要开发一种工业无线采油井注药箱监控设备尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明型提供一种工业无线采油井注药箱监控设备，作为采油井中的注药箱监控设备，并能以无线方式与油田平台数据进行信息交互，使得监管人员能够远程实时监控注药箱的液位、管道压力的变化，同时可以控制电泵的工作状态和监测其能耗，降低人员在这方面耗费的时间以及精力，进一步提高人员效率，降低油田在注药箱上的监管成本。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：采用电参采集单元、液位采集单元以及压力采集单元将非电信号的物理量数据转换电信号量数据，通过综合控制单元对采集注药箱的电信号量数据信息综合分析、运算，处理；无线处理单元接收油田平台信息并回传注药箱状态的参数信息(注药箱液面高度、注药箱管道压强、电泵工作状态以及电参)。
一种工业无线采油井注药箱监控设备，包括
综合控制处理单元，用于采油井中的注药箱数据采集和监控，并对采集的数据进行运算、处理和转发；
无线处理单元，一端对接天线，接收无线电磁信号并转化为电数据信号；另一端连接综合控制处理单元，将电信号发送到综合控制处理单元；
电参采集单元，用于采集电泵的能耗监测电泵的工作状态，并发送到综合控制处理单元；
压力采集单元，用于采集采油井注药箱的管道内药液的压力变化数据，并发送到综合控制处理单元；
液位传感器单元，用于采集采油井注药箱内药液深度的变化数据，并发送到综合控制处理单元；
本地配置单元，连接综合控制处理单元，用于配置包含注药箱监控设备的无线参数、传感器采集周期的信息，并将配置信息保存在综合控制处理单元中。
所述综合控制处理包括MCU处理器；所述MCU处理器包含ARM、51、DSP内核。
所述无线处理单元用于执行以下步骤：
射频处理器芯片通过射频放大器、第一射频调制感容连接到射频开关：射频处理芯片发送电信号到射频放大器，进行射频放大，将放大后的射频信号发送到第一射频调制感容，进行滤波之后，发送到射频开关，射频开关连接输入/输出接口，通过输入/输出接口连接天线，进行输出；
输入/输出接口一端连接天线，另一端连接射频开关，接收天线的无线信号，发送到射频开关，射频开关通过第二射频调制感容连接到射频处理芯片，将无线信号通过第二射频调制感容进行滤波后，发送到射频处理芯片，转化为电信号；
晶振连接射频处理芯片向射频处理芯片提供时钟信号；射频处理器芯片通过总线接口连接综合控制处理单元，进行数据交互。
一种工业无线采油井注药箱监控设备，还包括电泵控制单元；所述电泵控制单元，用于实现对电泵的远程启停控制。
所述括电参采集单元，用于通过计算电泵的电流以及工作电压，计算出电泵的工作时的电参，包括：
电泵电流采集单元，用于采集注药箱中电泵供电电流的数据，采用电磁效应采集电泵电流的变化；
电泵电压采集单元，用于采集注药箱中电泵供电电压的数据，采用电压互感方式或者电阻分压方式采集电泵的工作电压的变化。
所述电量采集单元中，所述电泵电流采集单元采集的是输入到电泵的电源线上的电流变化量，所述电泵电压采集单元采集的是输入到电泵的电源线上的电压变化量。
所述电参包括通过有功功率、无功功率、功率因数、电流、电压获取的电泵工作参数以及状态。
所述液位采集单元，对注药箱内液位变化的采集，采用压阻式液位转换方式或者电磁式液位转换方式。
所述液位采集单元，其中压阻式液位转换方式，实现方式为：
液位采集单元受到的压力公式为P＝ρgh+P0
P:传感器受到的压强；ρ：药液密度；g：当地的重力加速度；P0：液面上的大气压力；h：药液的高度。
所述压力采集单元采用压阻式压力转换方式、电容式压力转换方式、电感式压力转换方式中的一种。
本发明具有以下有益效果及优点：
通过电参采集单元、液位采集单元以及压力采集单元将非电信号的物理数据转换电信号，通过综合控制单元对采集注药箱的电信号数据信息综合分析、运算，处理；无线处理单元接收油田平台信息并回传注药箱状态的参数信息(注药箱液面高度、注药箱管道压强、电泵工作状态以及电参)；远程控制注药箱的电泵的启停；从而提高采油井注药箱智能化管理，降低人员在这方面耗费的时间以及精力，进一步提高人员效率，降低采油井注药箱的运营成本。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的综合控制处理单元示意图；
图3是本发明的无线处理单元示意图；
图4是本发明的整体结构设置图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明型做进一步的详细说明。
如图4所示，一种工业无线采油井注药箱监控设备，包括：
无线处理单元，一端连接天线，接收无线射频信号并转化为电信号；另一端连接综合控制处理单元，将电信号发送到综合控制单元；
综合控制处理单元，用于采油井注药箱监控数据的运算、处理和转发；将采集的电泵的电能参数；电泵启停的工作状态；注药箱管道内液体压强；注药箱内液体高度；通过无线处理单元发送给远端。
电参采集单元，用于采集电泵的能耗以及监控电泵的工作情况，其包括：电泵电流采集单元，用于采集注药箱中电泵供电电流的数据，采用电磁效应采集电泵电流的变化量；注药箱中电泵电压采集单元，用于采集电泵供电电压的数据；电泵电流采集单元采用电流互感器方式采集电泵工作电流，并设置在电泵的进线位置；电泵电压采集单元采用电压变压器方式采集电泵供电电压，并设置在电泵的供电位置；
压力传感器单元，用于采集采油井注药箱的管道内药液的压力数据，采用压阻式压力转换方式或者电容式压力转换方式、电感式压力转换方式；并设置于电泵输出药液的管道口内。
液位传感器单元，用于采集采油井注药箱内药液深度的变化数据，采用压阻式液位转换方式或者电磁式液位转换方式；并设置于注药箱内，使传感器探头置于药箱底部。
本地配置单元，连接综合控制处理单元，用于注药箱监控设备的无线参数、采集参数等，并保存在综合控制处理单元中。
综合控制处理单元，用于采油井中的注药箱数据采集和监控，并对数据的运算、处理和转发。
其中，注药箱用于向油田的采油树中注入药液的容器，并用于存储药液。
本发明中涉及到的处理器以及MCU等结构为常规选择，且本发明在软件以及编程上并无创新，仅仅保护硬件连接关系和位置关系等结构技术特征，本领域技术人员通过本发明记载的结构特征，结合常规编程逻辑即可实现本发明功能，解决本发明技术问题。
无线处理单元，一端对接天线，接收无线电磁信号并转化为电数据信号；另一端连接综合控制处理单元，将电信号发送到综合控制处理单元；
电参采集单元，用于采集电泵的能耗监测电泵的工作状态，其包括：电泵电流采集单元，用于采集注药箱中电泵供电电流的数据，采用电磁效应采集电泵电流的变化；电泵电压采集单元，用于采集注药箱中电泵供电电压的数据，采用电压互感方式或者电阻分压方式采集电泵的工作电压的变化；
压力采集单元，用于采集采油井注药箱的管道内药液的压力变化数据，采用压阻式压力转换方式或者电容式压力转换方式、电感式压力转换方式；
液位传感器单元，用于采集采油井注药箱内药液深度的变化数据，采用压阻式液位转换方式或者电磁式液位转换方式；
本地配置单元，连接综合控制处理单元，用于注药箱监控设备的无线参数、传感器采集周期等参数，并将配置信息保存在综合控制处理单元中。
综合控制处理主要由MCU处理器构成。MCU包含内核为ARM、51、DSP内核。
无线处理单元包括：射频处理器芯片通过射频放大器、第一射频调制感容连接到射频开关，射频处理芯片发送电信号到射频放大器，进行射频放大，将放大后的射频信号发送到第一射频调制感容，进行滤波之后，发送到射频开关，射频开关连接输入/输出接口，通过输入/输出接口连接天线，进行输出；输入/输出接口一端连接天线，另一端连接射频开关，接收天线的无线信号，发送到射频开关，射频开关通过第二射频调制感容连接到射频处理芯片，将无线信号通过第二射频调制感容进行滤波后，发送到射频处理芯片，转化为电信号；晶振连接射频处理芯片，向射频处理芯片提供时钟信号；射频处理器芯片通过总线接口连接综合控制处理单元，进行数据交互。
电泵控制单元，实现对电泵的远程启停控制。
电量采集单元，通过计算电泵的电流以及工作电压，计算出电泵的工作时的电量(有功功率、无功功率、功率因数、电流、电压等数据)。电量采集单元，而电量采集单元包含电泵电流采集单元和电泵电压采集单元，其中电泵电流采集单元采集得是输入到电泵的电源线上的电流变化量，而电泵电压采集单元采集得是输入到电泵的电源线上的电压变化量。
压力采集单元，对电泵管道内的流体压力的采集。
液位采集单元，对注药箱内液位变化的采集，采用压阻式液位转换方式或者电磁式液位转换方式。液位采集单元，其中压阻式液位转换方式，实现方式为：
液位采集单元受到的压力公式为P＝ρgh+P0
P:传感器受到的压强(传感器所在的位置点)；ρ：药液密度；g：当地的重力加速度；P0：液面上的大气压力；h：为传感器投入到液体的深度，这个里为药液的高度。药液的高度h＝(P-P0)/ρg。
本地串口配置单路单元，对本设计设备参数的配置。
如图1所示为本发明的整体结构示意图。
无线采油井注药箱监控设备包括：综合控制处理单元、无线处理单元、电泵控制单元、电参采集单元、压力传感器单元、液位传感器单元和本地配置单元。
无线处理单元实现无线射频的信号与电信号的相互转化，无线射频信号作为油田平台设备与无线采油井注药箱监控设备的数据交互媒介，实现它们之间的数据交互，电信号为综合控制处理单元推送给无线处理单元的信号。
电泵控制单元使用继电器控制注药箱电泵的启停，从而实现远程控制注药箱中电泵的功能。
电量采集单元使用电能采集芯片，电能采集芯片处理电压采集单元和电流采集单元的数据，并计算得出电能数据。
压力传感器单元使用压阻式压力、电容式压力或者电感式压力传感器采集注药箱管道内的液体压力，在采集压力量时通过电阻、电容或者电感的数据变化量，体现注药箱连接的管道内压力变化量。
液位传感器单元使用压阻式液位或者电磁式液位传感器采集注药箱内液面高度，在采集液位变化量时通过电阻或者电磁的数据变化量，体现注药箱内液位的变化量。
工作原理为：在注药箱采集系统中使用无线采油井注药箱监控设备采集，并能以无线射频方式与油田平台进行信息交互，从而油田人员能够及时准确的监测注药箱的参数变化以及控制注药。压力采集单元和液位采集单元采集的数据是实现将被采集物的物理量信号转为电信号量的数据，经过放大再传递给综合控制处理单元的A/D转换电路中，经过A/D转换电路将模拟的电信号转化为数字的信号量，通过总线传递给综合控制处理单元，综合控制处理单元通过平滑滤波方式将传感器单元采集的信号量做数字处理；电压采集单元和电流采集单元采集获取模拟信号的数据通过信号线传给电参处理芯片，电参芯片将输入的模拟信号数据采集、处理、运行，并通过总线方式传递给综合控制处理单元；综合控制处理单元通过总线将采集的数据做分类处理，并传递给无线处理单元；无线处理单元将获取的总线数据通过射频调解电路，将电信号转换为无线的射频信号，传递给油田控制平台；油田控制平台发送的无线射频数据传递给无线处理单元，无线处理单元将无线射频的电磁信号转换为电信号，并通过总线传递给综合控制处理单元，综合控制处理单元对无线处理单元传递过来的射频数据解析并处理后，综合控制处理单元用解析的无线射频数据控制电子继电器，从而控制电泵启停工作的状态；用户通过PC机的COM口连接设备本地配置单元，配置无线采油井注药箱监控设备的无线射频参数信息。
如图2所示为本发明的综合控制处理单元示意图。
综合控制处理单元由MCU处理器、定时器、总线、看门狗、A/D转换芯片外围电路构成，用于对注药箱信息的编解码以及信息的转发和存储。其中总线包含SPI、IIC、A/D、UART。
综合控制处理单元包括MCU处理器，其中MCU处理器分别通过总线接口连接本地配置单元和无线处理单元、电参采集单元；MCU处理器通过A/D转换电路连接压力传感器单元和液位传感器单元；MCU处理器的IO口总线控制电子继电器；晶振连接MCU处理器，为MCU处理器提供时钟信号；看门狗连接MCU处理器。
MCU处理器可以使用高速处理能力的ARM芯片、DSP芯片、单片机其中的之一，例如MCU处理器为MCIMX7U3DVK07SC。MCU处理器支持高速数据处理能力以及数据存储能力。
如图3所示为本发明的无线处理单元示意图。
无线收发器电路是由射频处理芯片、射频放大器、射频开关以及射频调制感容组成。包括：射频处理器芯片通过射频放大器、第一射频调制感容连接到射频开关，射频处理器芯片发送电信号到射频放大器，进行射频放大，将放大后的射频信号发送到第一射频调制感容，进行滤波之后，发送到射频开关，射频开关连接输入/输出接口，通过输入/输出接口连接天线，进行输出；输入/输出接口一端连接天线，另一端连接射频开关，接收天线的无线信号，发送到射频开关，射频开关通过第二射频调制感容连接到射频处理器芯片，将无线信号通过第二射频调制感容进行滤波后，发送到射频处理芯片，转化为电信号；晶振连接射频处理器芯片，向射频处理器芯片提供时钟信号；射频处理器芯片通过总线接口连接综合控制处理单元，进行数据交互。
射频处理芯片将注药箱信息的电信号调解后通过放大器放大，经过感容的匹配滤波后传递给射频开关，再送至天线，即为注药箱信息的电信号到无线信号的转换；反之为射频的接收油田平台的无线数据转换为电信号。
无线处理单元支持射频协议为LORA、WIA-PA、WIFI、蓝牙、ZigBee其中的之一。
Claims (10)
1.一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于，包括
综合控制处理单元，用于采油井中的注药箱数据采集和监控，并对采集的数据进行运算、处理和转发；
无线处理单元，一端对接天线，接收无线电磁信号并转化为电数据信号；另一端连接综合控制处理单元，将电信号发送到综合控制处理单元；
电参采集单元，用于采集电泵的能耗监测电泵的工作状态，并发送到综合控制处理单元；
压力采集单元，用于采集采油井注药箱的管道内药液的压力变化数据，并发送到综合控制处理单元；
液位传感器单元，用于采集采油井注药箱内药液深度的变化数据，并发送到综合控制处理单元；
本地配置单元，连接综合控制处理单元，用于配置包含注药箱监控设备的无线参数、传感器采集周期的信息，并将配置信息保存在综合控制处理单元中。
2.根据权利要求1所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：所述综合控制处理包括MCU处理器；所述MCU处理器包含ARM、51、DSP内核。
3.根据权利要求1所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：所述无线处理单元用于执行以下步骤：
射频处理器芯片通过射频放大器、第一射频调制感容连接到射频开关：射频处理芯片发送电信号到射频放大器，进行射频放大，将放大后的射频信号发送到第一射频调制感容，进行滤波之后，发送到射频开关，射频开关连接输入/输出接口，通过输入/输出接口连接天线，进行输出；
输入/输出接口一端连接天线，另一端连接射频开关，接收天线的无线信号，发送到射频开关，射频开关通过第二射频调制感容连接到射频处理芯片，将无线信号通过第二射频调制感容进行滤波后，发送到射频处理芯片，转化为电信号；
晶振连接射频处理芯片向射频处理芯片提供时钟信号；射频处理器芯片通过总线接口连接综合控制处理单元，进行数据交互。
4.根据权利要求1所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：还包括电泵控制单元；所述电泵控制单元，用于实现对电泵的远程启停控制。
5.根据权利要求1所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：所述括电参采集单元，用于通过计算电泵的电流以及工作电压，计算出电泵的工作时的电参，包括：
电泵电流采集单元，用于采集注药箱中电泵供电电流的数据，采用电磁效应采集电泵电流的变化；
电泵电压采集单元，用于采集注药箱中电泵供电电压的数据，采用电压互感方式或者电阻分压方式采集电泵的工作电压的变化。
6.根据权利要求5所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：所述电量采集单元中，所述电泵电流采集单元采集的是输入到电泵的电源线上的电流变化量，所述电泵电压采集单元采集的是输入到电泵的电源线上的电压变化量。
7.根据权利要求5所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：所述电参包括通过有功功率、无功功率、功率因数、电流、电压获取的电泵工作参数以及状态。
8.根据权利要求1所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：所述液位采集单元，对注药箱内液位变化的采集，采用压阻式液位转换方式或者电磁式液位转换方式。
9.根据权利要求1所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：所述液位采集单元，其中压阻式液位转换方式，实现方式为：
液位采集单元受到的压力公式为P＝ρgh+P0
P:传感器受到的压强；ρ：药液密度；g：当地的重力加速度；P0：液面上的大气压力；h：药液的高度。
10.根据权利要求1所述的一种工业无线采油井注药箱监控设备，其特征在于：所述压力采集单元采用压阻式压力转换方式、电容式压力转换方式、电感式压力转换方式中的一种。
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