CN204402461U - 一种智能油井探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能油井探测装置，包括压电传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、超声波收发单元、数据采集和传输单元、ARM嵌入式处理器、LCD显示单元、电源单元、存储单元以及数据收发单元。通过对油井自动计量、远程传送数据、数据统计等功能，解决了我国传统油井计量方式存在的计量精度低、适用范围窄、检测及控制仪表多、成本高、劳动强度大、效率低等问题，实现了油井管理的自动化，提高了工作效率，保证数据采集的准确性。

Description

一种智能油井探测装置

技术领域

本实用新型涉及应用于石油开采作业过程中井下环境的测量技术领域，特别涉及一种智能油井探测装置。

背景技术

在石油开采中，有些区域的石油渗透率不高，石油油位形成比较慢，这样抽油机工作一段时间后，就会空转，从而消耗电能。为降低抽油机能耗，有时需人工观测油管出油情况，以便控制抽油机的运行。这样即费时，又费人力，抽油效率又不高。此外，对油田进行远程数据(油压、油温、流量、可燃气体浓度及产量)采集，并对它们进行科学的分析，然后及时的将生产调度指令，反馈到生产第一线，直接关系到油田生产的效率和原油产品的质量。在我国，油井数据基本上是依靠石油工人到油田现场进行采集的。石油工作人员定时检查设备运行情况并记录采油数据，如抽油机井口原油的温度、抽油机压力、抽油机光杆位移和流量等，这样不仅增加工人劳动强度，并且不能根据生产所消耗的实际劳动力、电力及原料消耗等数据，来制定更灵活和更有效的处理方式。

因此，提高采油厂自动化和信息化水平，设计一套油田远程智能监控系统对于实现油井管理的自动化，提高工作效率，保证数据采集的准确性、加强现场事故的应急处理能力具有非常重要的意义，已成为急需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种智能油井探测装置，通过对油井自动计量、远程传送数据、数据统计等功能，解决了我国传统油井计量方式存在的计量精度低、适用范围窄、检测及控制仪表多、成本高、劳动强度大、效率低等问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种智能油井探测装置，包括压电传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、超声波收发单元、数据采集和传输单元、ARM嵌入式处理器、LCD显示单元、电源单元、存储单元以及数据收发单元，其特征在于：

数据采集和传输单元，分别与压电传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、超声波收发单元连接，并接收来自上述传感器和收发单元的信号，将处理后的信号传输给ARM嵌入式处理器；

ARM嵌入式处理器，分别与数据采集单元、LCD显示单元、电源单元、存储单元以及数据收发单元连接，接收来自数据采集和传输单元的数据，将处理后的数据传输给存储单元、LCD显示单元以及数据收发单元；

电源单元，采用LM7805，用于为系统提供电能；

存储单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用SST39VF160芯片，用于将从ARM嵌入式处理器处接收到的各项检测数据进行存储；

LCD显示单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用LCM240128ZK显示模块，用于显示从ARM嵌入式处理器处接收到的数据；

数据收发单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用JN5139ZigBee模块，用于将从ARM嵌入式处理器处接收到的各项检测数据通过无线链路发送；

其中，压电传感器采用霍尔传感器HS02-P，温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，压力传感器采用压力变送器PT500-500，位移传感器采用LP802-50线性位移传感器，超声波收发单元中包括配对的超声波发射器和接收器T/R40、反相器74LS04、单片机EM78P153以及接口芯片MAX232。

优选的，所述ARM嵌入式处理器采用芯片LPC2210。

本实用新型中所提出的智能油井探测装置，至少可以达到以下有益效果：

1)现场应用结果表明：设计开发的智能油井探测装置实现了对油井各项参数的远程监控，简化了工艺流程，降低了劳动强度，提高了计量效率以及油井计量的准确度，为油田管理提供了准确可靠的计量数据；

2)将超声波探头及回波接收器安装在抽油机底部，采用超声波测距方法对油井油位进行测量，因超声波在传播中衰减较小、反射能力强，故可准确地检测井下油位，降低了损耗，节省了人力成本，提高了抽油机的采油效率。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为智能油井探测装置的系统结构示意图；

图2为智能油井探测装置中电源单元的电路原理示意图；

图3为智能油井探测装置中温度传感器的电路原理示意图；

图4为智能油井探测装置中超声波收发单元的电路原理示意图。

具体实施方式

智能油井探测装置的系统结构如图1所示。该探测装置包括压电传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、超声波收发单元、数据采集和传输单元、ARM嵌入式处理器、LCD显示单元、电源单元、存储单元以及数据收发单元。

其中，数据采集和传输单元，分别与压电传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、超声波收发单元连接。该数据采集和传输单元接收来自上述传感器和收发单元的信号，将接收到的信号进行处理后传输给ARM嵌入式处理器。

ARM嵌入式处理器，采用了PHILIPS公司的LPC2210这款ARM处理器做为核心处理器，LPC2210是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％而性能的损失却很小。其最高运行频率可达到60兆赫兹。该款ARM芯片不仅可以为系统实现数字滤波和使用改进的追踪法进行模糊聚类分析提供硬件保证，而且还具有成本低、体积小、耗电省、处理能力强、稳定性好和硬件扩充方便等优点。在该探测装置中，ARM嵌入式处理器分别与数据采集单元、LCD显示单元、电源单元、存储单元以及数据收发单元连接，接收来自数据采集和传输单元的数据，将处理后的数据传输给存储单元、LCD显示单元以及数据收发单元。

电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了一大半。设计电源时要考虑的因素包括：1)输出的电压、电流、功率；2)输入的电压、电流；3)输出纹波；4)电池兼容和电磁干扰；5)体积、功耗和成本的限制。在该探测装置中，电源单元采用LM7805用于为系统提供电能。电源单元的电路原理如图2所示。电源电路直接可以从电网供电，通过变压器电路，整流电路，滤波电路，和稳压电路直接将电网中的220V交流电转换成+12V的支流电压。采用常规的铁心变压器，将高压转变为低压。二极管桥式电路，任务是将交流电换成直流电。由C1，C2，C3，C4构成，用于滤去整流输出电压中的纹波，本电路采用电容输入式，电容具有平波作用。使纹波较小，适用于负载电压较高，负载变动不大的电路。采用三端稳压集成电路，有输入，输出和接地端，内部由启动电路，基准电压电路，取样比较放大电路，调整电路和保护电路组成。电路中接入电容用来实现频率补偿防止稳压器自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，另一方面以减少稳压电源输出端由输出电源引入的低干扰。

存储单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用SST39VF160芯片，用于将从ARM嵌入式处理器处接收到的各项检测数据进行存储。在该探测装置中，存储芯片采用PHILIPS公司出品的SST39LF/VF160，该芯片是一个1M*16的CMOS多功能Flash MPF器件，由SST特有的高性能Super Flash技术制造而成。SuperFlash技术的分裂闸(split-gate)单元结构和厚氧化物制程的采用可提供可靠性更强、工艺更完善的解决方案(相对其它方法)。SST39VF160的写编程或擦除操作电源电压为2.7-3.6V，符合16位存储器的JEDEC标准的管脚分配。SST39VF160具有高性能的字编程功能字编程时间为14μs，器件通过触发位或数据查询位来指示编程操作的完成。为了防止意外写的发生，器件还提供了硬件和软件数据保护机制。SST39VF160的耐用性和数据保持时间完全满足系统的要求。

LCD显示单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用LCM240128ZK显示模块，用于显示从ARM嵌入式处理器处接收到的数据。由于需要显示温度-深度的对应曲线，数据比较复杂，温度数据显示精度要求为0.1度，因此本系统选用LCM240128ZK作为显示屏，该显示模块是一款点阵型的带中文字库图形液晶显示模块。其内含7602个简体中文字型，每屏可以显示15*8个汉字，提供中/英文文字对齐功能；内建粗体字形与行距设定；对比度软件调节；用户可自建字库；主要显示类型有四种A：STN黄绿模式，6：00视角；B：STN蓝模式，6：00视角；C：FSTN，6：00视角；支持.CCFL背光、LED背光；标准工作电压：5V。

数据收发单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用JN5139ZigBee模块，用于将从ARM嵌入式处理器处接收到的各项检测数据通过无线链路发送。ARM嵌入式处理器通过串行通信接口与ZigBee无线传输模块相连，将检测的数据上传至远程监控系统，并可接收远程监控系统发送来的控制指令。该ARM嵌入式处理器采用博讯科技的JN5139ZigBee模块，它具有功耗低、低成本的无线微处理器，采用IEEE802.15.4标谁，利用全球公共频率2.4GHz，实现ZigBee协议栈的数据处理。每一个工作区域有一个路由节点，负责处理和转发来自终端设备的各种信息，多个工作区域共有一个协调器节点，将来自路由器的各个监测区域的数据发往采油厂数据中心服务器。

该探测装置中主要包括油温、油压、电流/电压、位移、超声波等多路传感器电路，多路ADC电路、ARM嵌入式处理器及其外围电路、ZigBee无线模块电路以及电源电路等，其中温度、压力传感器安装于井口。

该探测装置中压电传感器用于测量油井中的电流/电压参数，采用霍尔传感器HS02-P，工作温度范围-20～+75℃；测量范围在0～70A；带宽DC～200kHz；温度漂移＜±0.01％/℃。电压传感器采用了CHV-50P/1200闭环霍尔电压传感器，精度为±0.8％。

温度传感器采用了DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20，该温度传感器测量的温度范围在-55～+125℃之间，分辨率为0.0625℃。该传感器采用单线制实现数据的传输与控制，可通过ARM嵌入式处理器的I/O口对其实现控制，其输出数字信号送到ARM嵌入式处理器中进行处理。该传感器具有体积小、功耗低的特点，适合于各类主控微处理器的连接。温度传感器电路原理示意图如图3所示。

压力传感器采用压力变送器PT500-500，压力传感器是利用传感器上的膜片感受压力，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，实现压力的转换。压力传感器PT500-500具有高精度的温度补偿和高稳定性放大集成电路，最高压力可达150MPa；采用0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC等标准电信号，可将被测量介质的压力转换成4～20mA，可输出数字信号。

位移传感器又称为线性传感器，分为模拟式和数字式两种。其中模拟式位移传感器包括了电感式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器、电位器式位移传感器等。该探测装置中采用LP802-50线性位移传感器，该位移传感器温度范围：-65～+105℃，线性度：满量程的±1％，增量灵敏度：0.00127mm。

超声波收发单元中包括配对的超声波发射器和接收器T/R40、反相器74LS04、单片机EM78P153以及接口芯片MAX232，超声波发射电路如图4所示。工作时，接收单片机EM78P153输出给的方波信号，经过接口芯片MAX232输出给发射器的两个电极上，使其内部共振板振动产生超声波，超声波接收电路主要有超声波接收器T/R40(发射与接受配对)和反相器74LS04，接收器T/R40接受超声波遇到油位界面反射回来的回波信号，经过滤波、检波、整形后送入单片机EM78P153中。由单片机中定时器确定超声波发射后到接收回脉冲的时间间隔，再根据超声波在传播介质的传播速度，计算出传播距离并发送给ARM嵌入式处理器。

该探测装置完成对油井油温、油压、电流/电压、深度、油面等多项数据的计量，同时将处理后的数据采用ZigBee无线模块发往采油厂数据中心服务器。数据中心服务器负责接收各油井处探测装置发送的测量数据，并对数据进行汇总、统计和存储，实现对各个油井生产状况的实时记录。数据中心服务器将各油井的计量数据发布到油田局域网上，采油厂、采油矿、采油队、计量站的管理人员可通过油田局域网访问数据中心服务器，依据所赋的权限，查询所需的计量数据，及时掌握生产状况，并根据需要打印数据报表。

本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (2)

1.一种智能油井探测装置，包括压电传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、超声波收发单元、数据采集和传输单元、ARM嵌入式处理器、LCD显示单元、电源单元、存储单元以及数据收发单元，其特征在于：

数据采集和传输单元，分别与压电传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、超声波收发单元连接，并接收来自上述传感器和收发单元的信号，将处理后的信号传输给ARM嵌入式处理器；

ARM嵌入式处理器，分别与数据采集单元、LCD显示单元、电源单元、存储单元以及数据收发单元连接，接收来自数据采集和传输单元的数据，将处理后的数据传输给存储单元、LCD显示单元以及数据收发单元；

电源单元，采用LM7805，用于为探测装置提供电能；

存储单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用SST39VF160芯片，用于将从ARM嵌入式处理器处接收到的各项检测数据进行存储；

LCD显示单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用LCM240128ZK显示模块，用于显示从ARM嵌入式处理器处接收到的数据；

数据收发单元，与ARM嵌入式处理器连接，采用JN5139ZigBee模块，用于将从ARM嵌入式处理器处接收到的各项检测数据通过无线链路发送；

其中，压电传感器采用霍尔传感器HS02-P，温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，压力传感器采用压力变送器PT500-500，位移传感器采用LP802-50线性位移传感器，超声波收发单元中包括配对的超声波发射器和接收器T/R40、反相器74LS04、单片机EM78P153以及接口芯片MAX232。

2.如权利要求1所述的智能油井探测装置，其特征在于：所述ARM嵌入式处理器采用芯片LPC2210。