CN202533060U - 无线位移传感装置以及相应的无线式示功仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种无线位移传感装置以及相应的无线式示功仪，以解决现有位移传感器易损坏、稳定性差、应用范围有限等技术问题。其中的无线位移传感装置，包括微处理器和均与该微处理器连接的加速度传感器、无线传输模块、直流电源；其中，加速度传感器通过阻尼柱固定安装，以消除由于抽油机震动引起的加速度值误差；所述微处理器具有滤波功能和能够实现两次积分运算求出位移量的处理器芯片。本实用新型用加速度测位移的方式，既可克服拉线式位移传感器机械结构易损坏，拉线断头率高的缺点，在游梁式抽油机使用，也可满足角速度测位移无法测试高原机的缺陷。

Description

无线位移传感装置以及相应的无线式示功仪

技术领域

本实用新型涉及一种无线位移传感装置以及相应的无线式示功仪。 

背景技术

抽油机功图的测试是油田试井工作的重点，通过功图液面资料可判断出抽油机的工作状态和油井内部情况，以便及时调整抽油机的工作参数，达到提高效率，节能降耗的目的。功图是指抽油机运动的位移量和抽油杆载荷值的关系曲线。 

目前采用的普通示功仪，其位移传感器采用拉绳式或无线角位移传感器。 

对于拉绳式位移传感器，由拉线带动机械齿轮及电位器转动，产生电信号，因常规低压测试较频繁，示功仪使用频率较大，位移传感器的齿轮减速机构容易损坏，且拉线断头率高。常常因此而影响测试工作的进行。 

对于无线角位移传感器，需要固定在井上，通过测量游梁式抽油机游梁的旋转角度计算出位移。大面积使用，成本高，对高原机无法使用。 

此外，从长远来看油田数字化是油田的发展趋势，所以有必要设计一种安装方便、能够广泛使用、成本较低的无线示功仪。 

实用新型内容

本实用新型提供了一种无线位移传感装置以及相应的无线式示功仪，以解决现有位移传感器易损坏、稳定性差、应用范围有限等技术问题。 

本实用新型的技术方案如下： 

无线位移传感装置，包括微处理器和均与该微处理器连接的加速度传感器、无线传输模块、直流电源；其中，加速度传感器通过阻尼柱固定安装，以消除由于抽油机震动引起的加速度值误差；所述微处理器具有滤波功能和能够实现两次积分运算求出位移量的处理器芯片。 

上述微处理器可以采用16位MSP430微处理器，加速度传感器采用加速度芯片ADIS16201。 

上述直流电源可以采用可充电的锂电池。 

一种无线式示功仪，包括上述无线位移传感装置，还包括与抽油杆连接的载荷传感器，载荷传感器的信号输出端连接至所述微处理器。 

本实用新型具有以下优点： 

用加速度测位移的方式，既可克服拉线式位移传感器机械结构易损坏，拉线断头率高的缺点，在游梁式抽油机使用，也可满足角速度测位移无法测试高原机的缺陷。 

采用低功耗处理器MSP430和低功耗无线模块，降低了功耗，提高了电池一次充电的使用时间。 

采用了高精度的加速度芯片ADIS16201，操作方便，并且它提供的标准SPI数字输出，简化了外围电路的设计，可直接接到MSP430上，提高了信号的可靠性和稳定性。 

附图说明

图1为本实用新型的无线示功仪的结构原理图。 

具体实施方式

如图1所示，无线示功仪的核心为无线位移传感装置，无线位移传感装置内设有电池和微处理器，电池采用可充电的锂电池。微处理器采用16位低功耗MSP430微处理器。微处理器上连接有加速度传感器、载荷传感器和无线模块。电池采用可充电的锂电池，为微处理器、无线模块、加速度传感器和载荷传感器供电，加速度传感器通过阻尼柱固定安装于示功仪内。 

抽油杆运动时，其加速度的范围为-0.4g～0.4g之间，实际的加速度输出的动态范围为0.6g～1.4g。设a(t)、v(t)、d(t)和T分别为抽油杆的加速度、速度、位移和周期，g（t）为重力加速度，抽油机上下远动时，加速度传感器的输出为：A（t）=a(t)+g（t）。g（t）变化很小，可看做常数。作零点校准一般采用测量前先存储零点值，计算时将测量值减去零点值的方法。 

现场使用环境复杂，所以实际测到的加速度信号有很大的干扰，需经过一定的滤波恢复出真实有用的信号，可采用软件和硬件相结合的方法对采样到的加速度信号进行滤波。 

通过一定的缓冲装置，滤除由于抽油机震动引起的加速度值变化，将得 到的信号存储到RAM中，然后用傅里叶变换（FFT）的方法滤除高频信号，得到实际的加速度信号。 

通过滤除高频信号后，能够很好的恢复出原始加速度信号，最后，通过两次积分后即可得到位移值。 

由于位移值是有加速度值的俩次积分后得到，很小的加速度误差经过两次积分后将会带来较大的位移误差，所以需根据测得的加速度值，选择一种合适的算法，尽量减少俩次积分带来的误差。 

由于实际采样的加速度信号是含有直流分量，即a(t)=a’(t)+ε；所以以此积分后，速度为：v(t)=v′(t)+(εt+δ)+v(0)；位移为：  $s\left(t\right)=s^{\′}\left(t\right)+(\frac{1}{2}\mathrm{\ϵ}{t}^2+(\mathrm{\δ}+v\left(0\right)+\mathrm{\η})t+s\left(0\right);$ 式中δ,η分别为ε一次、二次积分后产生的积分常量. 

由于微小直流分量ε在时域积分中累加,因此一次积分后速度信号则含有一次趋势项(εt+δ)+v(0).同理,二次积分后得到位移振动信号中含有二次趋势项 $(\frac{1}{2}\mathrm{\ϵ}{t}^2+(\mathrm{\δ}+v\left(0\right)+\mathrm{\η})t+s\left(0\right);$

通过数值积分得到数据点(t(i),v(i))(i=0,1,…,n-1).设 

$f_m\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k{t}^k\∈\mathrm{\σ}$

式中p_k为多项式系数;σ为所有次数不超过m(m≤n-1)的多项式构成的函数类,使得 

$I=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{(v\left(i\right)-f_m\left(t\right))}^2=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{(\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}v\left(i\right)-p_k{t}^k)}^2$

当某一组p_k的值使I最小时,就可确定拟合趋势项.由多元函数求极值的必要条件,得 $\frac{\∂I}{\∂p_j}=2\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}v\left(i\right)-p_k{t}^k)t^j=0;$ 其中j=0,1......,m，即 

$\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^{j+k}\right)p_k=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^{j}v\left(i\right)$

用矩阵表示为： 

$\left[\begin{array}{cccc}n& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}t& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^m\\ \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}t& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^2& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^{m+1}\\ \·\·\·& & \·\·\·& \\ \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^m& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^{m+1}& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^{2m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_0\\ p_1\\ \·\·\·\\ p_m\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}v\left(i\right)& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}v\left(i\right)t& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}^{m}v\left(i\right)\end{array}\right]}^T$

从上式中解出p_k，从而可得多项式： 

$f_m\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k{t}^k$

由加速度计算速度含有一次趋势相，拟合多项式为： 

$f_1\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k{t}^k=p_{1}t+p_0$

可得关于p_k的线性方程组： 

$\left[\begin{array}{cc}n& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(t\right)\\ \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(t\right)& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(t\right)}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_0\\ p_1\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}v\left(i\right)& \underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}v\left(i\right)t\end{array}\right]}^T$

解此方程组即可得p₀和p₁，得到拟合趋势相f₁(t)=p₁t+p₀，从而可以消去v(i)中的一次趋势相，同理s(k)中含有二次多项式，拟合多项式为f₂(t)=p₂t²+p₁t+p₀，计算出系数后，可消去二次趋势相。 

采用本实用新型，通过加速度间接测量的方式，既可克服拉线式位移传感器机械结构易损坏，拉线断头率高的缺点，在游梁式抽油机使用，也可应用于高原机。 

Claims (4)

1.无线位移传感装置，包括微处理器和均与该微处理器连接的加速度传感器、无线传输模块、直流电源；其中，加速度传感器通过阻尼柱固定安装，以消除由于抽油机震动引起的加速度值误差；所述微处理器具有滤波功能和能够实现两次积分运算求出位移量的处理器芯片。

2.根据权利要求1所述的无线位移传感装置，其特征在于：所述微处理器采用16位MSP430微处理器，加速度传感器采用加速度芯片ADIS16201。

3.根据权利要求1所述的无线位移传感装置，其特征在于：所述直流电源为可充电的锂电池。

4.一种无线式示功仪，包括如权利要求1所述的无线位移传感装置，还包括与抽油杆连接的载荷传感器，载荷传感器的信号输出端连接至所述微处理器。

Images