CN220769442U - 一种适用于慢冲次抽油机的示功仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，包括载荷传感器、激光雷达、示功仪主机、太阳能板及支架；其中，载荷传感器、激光雷达及太阳能板均与示功仪主机电连接；载荷传感器与示功仪主机通过螺丝进行固定连接；太阳能板固定于所述示功仪主机的一侧；支架固定于所述太阳能板的背面，激光雷达与支架固定连接，且激光雷达的探测面正向面对地面。该设备利用激光雷达来测量位移，克服了当前示功仪受抽油机加速度太小无法准确测量位移的局限，适合于所有快、慢冲次抽油机的示功图采集，而且结构简单、安装方便，能长期在恶劣环境下保持运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及油田测量仪器技术领域，更具体的说是涉及一种适用于慢冲次抽油机的示功仪。
背景技术
油田开发后期，需要采用机械抽油的方式进行采油，在这个阶段，为了能够及时、准确地掌握有杆泵抽油系统的工作状况，便于及时调整抽油参数以提高抽油效率，一般都会选择在抽油设备上加装示功仪来采集抽油行程对应的位移、载荷值，并绘制成相应的示功图。
随着科技的进步，目前，常见的示功仪选择将微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)与加速度传感器结合起来，既减小了仪器体积，方便安装，也能更好的采集相关数据，增加了仪器可靠性。但是，在使用中发现，对于一些因产量低而只能进行慢冲次抽油的场合，一个冲程时间可能达到一两分钟，这种情况下，抽油机运行到上、下止点附近时减速与换向的加速度值，以及冲程中间载荷缓慢化变化导致的加速度变化值经常达不到加速度传感器的最低灵敏度要求，导致位移测量误差很大或者测不出，这样所形成的示功图显然没有任何指导意义。
因此，如何提供一种适用于慢冲次抽油机的示功仪是本领域技术人员亟需解决的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，解决了现有技术无法在慢冲次抽油工作中准确测量位移数据的问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，包括载荷传感器、激光雷达、示功仪主机、太阳能板及支架；
所述载荷传感器、所述激光雷达及所述太阳能板均与所述示功仪主机电连接；
所述载荷传感器与所述示功仪主机通过螺丝进行固定连接；
所述太阳能板固定于所述示功仪主机的一侧；
所述支架固定于所述太阳能板的背面，所述激光雷达与所述支架固定连接，且所述激光雷达的探测面正向面对地面，使得探测光束在整个抽油过程中不受遮挡地垂直射向平坦的地面或专设基准平面。
进一步的，所述示功仪主机包括主控电路板、可充电电池和外壳；
所述主控电路板和所述可充电电池位于所述外壳内；
所述主控电路板与所述可充电电池电连接；
所述主控电路板与所述载荷传感器电连接；所述主控电路板与所述激光雷达电连接；
所述可充电电池与所述太阳能板电连接。
进一步的，所述主控电路板包括主控芯片、无线通信模块、数据存储模块、载荷信号调理单元及稳压模块；
所述无线通信模块、所述数据存储模块、所述载荷信号调理单元及所述稳压模块均与所述主控芯片电连接；
所述载荷信号调理单元与所述载荷传感器电连接；
所述稳压模块与所述可充电电池电连接，所述可充电电池为整个示功仪提供稳定的直流供电；
所述主控芯片与所述激光雷达电连接，用于接收激光雷达所测量的位移数据。
进一步的，所述主控芯片选用-M4 MCU+FPU系列的芯片。
进一步的，所述无线通信模块采用ZIGBEE模块，用于和上位机进行通信，功耗低且信号传输稳定。
进一步的，所述载荷传感器为机电一体化传感器，外部设有通信接口，内置由电阻应变片构成的桥式电路，用于采集光杆的载荷并向示功仪主机输出模拟信号，载荷信号调理单元对接收到的载荷信号进行调理和A/D转换。
进一步的，所述激光雷达上设置有UART接口，用于与主控芯片相应接口相连进行通信。
进一步的，所述激光雷达外部还设有不遮挡收发激光的安全防护罩，防止激光雷达受外界因素影响而遭受不必要的损坏，提高激光雷达的使用寿命。
进一步的，所述激光雷达通过连接件与所述支架进行固定连接；
其中，所述连接件包括球头座、球头、上螺帽、下螺帽、连接板、沉头螺钉；
所述激光雷达通过螺丝固定在连接板上；
所述沉头螺钉通过所述下螺帽与所述连接板固定再连接所述球头；
所述球头插入所述球头座中；
所述球头座通过所述上螺帽与所述支架进行固定。
进一步的，所述外壳选用耐候塑料，成本低、耐候性强且节能环保。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型提供的示功仪采用激光雷达来测量位移，克服了当前示功仪在进行慢冲次抽油过程中，由于抽油机加速度太小而无法准确测量位移或测量不出位移的局限，适用于所有快、慢冲次抽油机的示功图采集。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为示功仪整体的结构组成示意图。
图2为示功仪主机的结构组成示意图。
图3为主控电路板的结构组成及连接关系图。
图4为主控芯片的引脚结构示意图。
图5为激光雷达通过连接件与支架进行固定的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例公开了一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，参见附图1，包括载荷传感器1、激光雷达2、示功仪主机3、太阳能板4及支架5。
具体的，载荷传感器1、激光雷达2和太阳能板4均与示功仪主机3电连接；载荷传感器1与所述示功仪主机3通过螺丝进行固定连接；太阳能板4固定于示功仪主机3的一侧；支架5固定于太阳能板4的背面，激光雷达2与支架5固定连接，且激光雷达2的探测面正向面对地面，使得探测光束在整个抽油过程中都不受遮挡地垂直射向平坦的地面或专设基准平面。
本实施例中，参见附图2，示功仪主机3包括主控电路板31、可充电电池32和外壳33；主控电路板31和可充电电池32位于外壳33内；主控电路板31与可充电电池32电连接；主控电路板31与载荷传感器1电连接；主控电路板31与激光雷达2电连接；可充电电池32与太阳能板4电连接。
本实施例中，参见附图3，主控电路板31包括主控芯片311、无线通信模块312、数据存储模块313、载荷信号调理单元314及稳压模块315。
具体的，无线通信模块312、数据存储模块313、载荷信号调理单元314及稳压模块315均与主控芯片311电连接；载荷信号调理单元314与载荷传感器1电连接；主控芯片311与激光雷达2电连接。
本实施例中，主控芯片311选用-M4 MCU+FPU系列的芯片，以STM32L476VCT为例，参见附图4，其是一款Cortex-M4F内核的低功耗微控制器，具有丰富的外设功能和引脚配置，包括：
GPIO引脚：该芯片具有多个GPIO引脚，用于通用输入/输出功能；可以通过编程配置这些引脚作为输入或输出，并用于连接其他外设或控制外部设备。
串行通信引脚：该芯片具有多个USART、UART和SPI接口，可用于与其他设备进行串行通信，如传感器、外设、蓝牙模块等。
I2C引脚：该芯片具有多个I2C接口引脚，包括SCL(时钟线)和SDA(数据线)等，用于连接传感器、EEPROM存储器等I2C设备。
定时器/计数器引脚：该芯片提供了多个定时器/计数器功能，用于实现精确的计时和控制应用，这些引脚用于连接外部时钟源、输入捕获或PWM输出。
ADC/DAC引脚：该芯片支持模拟输入和输出功能，包括多个ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)，这些引脚用于测量模拟信号或输出模拟控制信号。
外部中断引脚：该芯片提供多个外部中断引脚，用于接收外部触发信号，例如按键输入或传感器触发。
当然，以上只是STM32L476VCT芯片主要的引脚及其功能介绍，详细的引脚配置和功能定义可以参考相关的STM32L476VCT芯片手册或数据手册，结合实际应用需求来进行引脚选择和功能配置。
本实施例中，无线通信模块312采用ZIGBEE模块，用于和上位机进行通信，接收上位机发送的指令，以及将采集到的相关数据传送给上位机，供相关人员参考。ZIGBEE模块是一种短距离、低速率的无线网络技术，具有数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、延时短、组网能力强、通信可靠及数据安全等应用优势。
本实施例中，载荷传感器1采用抽油机专用的机电一体化传感器，外部设有通信接口，用于和示功仪主机进行通信连接，且内置由电阻应变片构成的桥式电路，当传感器受到载荷作用时，电阻应变片会发生应变而引起阻值变化，再通过电桥产生相应的电压信号并输出给与之相连的载荷信号调理单元314进行调理和A/D转换，并将处理好的数据存储到数据存储模块中。
本实施例中，激光雷达2主要用于测量探测面到地面的距离，可直接采用市场化的高精度、低功耗、最大探测距离不小于10米、防护等级达到IP65的超小型激光雷达模组，例如，优选SJ-PM-TFmini Plus-01 A07型号，其上设置有供电及通用异步收发接口(UART接口)，用于与主控芯片311进行通信，以便将探测的位移数据实时传输给主控芯片进行计算，并将计算结果存储到数据存储模块中。
除此之外，激光雷达2的外部还可设置不遮挡收发激光的安全防护罩，用于保护激光雷达2，延长其使用寿命。
在另一个实施例中，参见附图5，激光雷达2通过连接件6与支架5进行固定连接；其中，连接件6包括球头座61、球头62、上螺帽63、下螺帽64、连接板65和沉头螺钉66。具体的，激光雷达2通过螺丝固定在连接板上；沉头螺钉66通过下螺帽64与连接板65固定后再连接球头62；球头62插入球头座61中；球头座61通过上螺帽63与支架5进行固定。
本实施例中，可充电电池32选用大容量的锂电池，为整个示功仪提供5V的直流电，同时采用太阳能板进行充电。当然，在实际应用过程中，可以根据成本预算、气候、环境及使用寿命等诸多因素来选择其余合适的可充电电池类型，例如铅酸蓄电池、镍镉电池或镍金属氢电池等，在此不做具体限定。
本实施例中，外壳33的材质可选用耐候性塑料，例如聚酰胺(PA)，具有成本低、耐候性好、节能环保等特点，且不会对数据传输和通信造成干扰。当然，实际应用过程中，具体的材料选择需要视情况而定，此处不做限定。
本实用新型利用激光雷达来测量位移，克服了当前示功仪受抽油机加速度太小无法准确测量位移或无法测出位移的局限，适合于所有快、慢冲次抽油机的示功图采集，而且该设备结构简单、安装方便，设有多重保护措施，如防护罩、外壳等，能长期在恶劣环境下运行。
以上硬件与当前开发好的单片机软件结合，有助于实现以下功能：
在进行抽油的过程中，根据抽油机冲程和冲次配置示功仪采样频率，示功仪主机接收到上位机发送的数据采样指令后，分别从载荷传感器和激光雷达处获取相应的载荷信号和位移值，并对载荷信号进行调理、A/D转换，将处理之后的载荷信号与位移值作为一个数据对存储在数据存储模块中，最后按照上传协议要求截取一个周期内规定数量的数据对传回上位机以绘制对应的示功图，相关人员根据示功图能准确地掌握有杆泵抽油系统的工作状况，便于及时调整抽油参数，提高抽油效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，包括载荷传感器、激光雷达、示功仪主机、太阳能板及支架；
所述载荷传感器、所述激光雷达及所述太阳能板均与所述示功仪主机电连接；
所述载荷传感器与所述示功仪主机通过螺丝进行固定连接；
所述太阳能板固定于所述示功仪主机的一侧；
所述支架固定于所述太阳能板的背面，所述激光雷达与所述支架固定连接，且所述激光雷达的探测面正向面对地面。
2.根据权利要求1所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述示功仪主机包括主控电路板、可充电电池和外壳；
所述主控电路板和所述可充电电池位于所述外壳内；
所述主控电路板与所述可充电电池电连接；
所述主控电路板与所述载荷传感器电连接；所述主控电路板与所述激光雷达电连接；
所述可充电电池与所述太阳能板电连接。
3.根据权利要求2所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述主控电路板包括主控芯片、无线通信模块、数据存储模块、载荷信号调理单元及稳压模块；
所述无线通信模块、所述数据存储模块、所述载荷信号调理单元及所述稳压模块均与所述主控芯片电连接；
所述载荷信号调理单元与所述载荷传感器电连接；
所述稳压模块与所述可充电电池电连接；
所述主控芯片与所述激光雷达电连接。
4.根据权利要求3所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述主控芯片选用-M4 MCU+FPU系列的芯片。
5.根据权利要求3所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述无线通信模块采用ZIGBEE模块。
6.根据权利要求1所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述载荷传感器为机电一体化传感器，外部设有通信接口，内置由电阻应变片构成的桥式电路。
7.根据权利要求1所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述激光雷达上设置有UART接口。
8.根据权利要求7所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述激光雷达外部还设有安全防护罩。
9.根据权利要求1所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述激光雷达通过连接件与所述支架进行固定连接；
其中，所述连接件包括球头座、球头、上螺帽、下螺帽、连接板、沉头螺钉；
所述激光雷达通过螺丝固定在连接板上；
所述沉头螺钉通过所述下螺帽与所述连接板固定再连接所述球头；
所述球头插入所述球头座中；
所述球头座通过所述上螺帽与所述支架进行固定。
10.根据权利要求2所述的一种适用于慢冲次抽油机的示功仪，其特征在于，所述外壳选用耐候塑料。
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