抽油机无线示功仪的研制

抽油机无线示功仪的研制

示功图是分析抽油机工作状况的重要手段。针对目前拉线式和角度式示功仪存在故障率高等缺点，设计了一种基于加速度传感器的无线示功仪。该示功仪利用无线模块接收指令，以单片机为控制核心，通过加速度传感器和载荷传感器对抽油机参数进行测量，计算出示功图所需的位移和载荷，再通过无线模块上传示功图数据。详细介绍了硬件电路和示功图数据的测试结果。现场实验表明，该装置具有可靠性高、测量准确等优点。

1引言

抽油机示功图是分析、诊断抽油机生产的一种重要手段，它由抽油杆上下运动时不同位移与该位移处抽油杆上所承受的载荷两部分组成。载荷可以通过载荷传感器测量，而位移主要利用拉线式传感器和角度式传感器测量，它们均需要借助复杂的机械结构，故障率较高。为了改善上述缺点，本文提出了一种基于加速度传感器的无线示功仪。该示功仪通过无线模块接收上位机指令和上传示功图数据，利用加速度传感器间接测量位移，从而克服了传统示功仪的缺点，具有可靠性高、测量准确等优点。

2无线示功仪的组成

无线示功仪的组成如图1 所示，主要包括单片机电路、电源电路、载荷采集电路、加速度采集电路、无线模块几部分。

该装置的电源电路由电池和电源芯片组成，载荷采集电路和加

速度采集电路分别对载荷信号和加速度信号进行采集、放大和滤波，再将处理后的信号送入单片机。单片机经过A/D 转换后得到数字量的载荷与加速度，通过数字滤波、积分计算出示功图数据，利用无线模块上传给上位机。下面对主要组成部分进行说明。

2.1 电源电路

由于抽油机一般布置于野外，并且该无线示功仪固定于抽油机悬点，电源不易更换，为了保证供电质量、延长供电时间，减少维护工作量，该装置采用高能量型锂亚硫酰氯电池。该电池容量为

19Ah,额定电压3.6V。

本装置所有元件都是由该电池通过额定输出电压为3V的NCP500稳压电源芯片供电。NCP50Q具有低功耗、低噪声、快速响应等特点，并且可由单片机设置为待机模式( Standby )或工

作模式。

2.2单片机控制电路

本装置采用TI公司生产的MSP430F161作为主控芯片。当

该芯片采用2.2V供电，频率为1MHz时，工作模式下耗电330卩A, LPM4低功耗模式下，耗电仅为0.2卩A,同时该芯片还集成12位A/D 转换器和10kB RAM满足大量数据采集和处理的要求。

2.3载荷采集电路

本装置采用载荷传感器测量载荷大小。载荷传感器把受力情

况转变为电信号输出。本装置的载荷传感器电源电压3V,量程

0-150kN，输出0-4.5mV。由于输出电压较低，单片机不能准确

对其进行测量，因此需要对该信号做放大处理。该装置采用AD623 作为放大电路芯片。载荷采集电路如图2 所示。

AD623的输入信号VC为IN+与IN-两脚间的差值，6脚输出

V0为：

该电路中，RG为400Q精密电阻，将载荷传感器输出范围0〜

4.5mV放大为0〜1.1295V，再送入MSP430单片机的P6.0/A0引脚进行A/D 转换。

2.4加速度采集电路

本装置的加速度传感器采用Analog Devices 公司生产的

ADXL103该芯片可输出与加速度成正比的模拟电压信号，并可以安装不同容量电容选择输出信号的低通滤波器带宽。加速度采集电路如图3所示。

本装置中ADXL103电源为3V,输出灵敏度为560mv/g,输出引脚连接10卩F滤波电容，低通滤波器带宽设置为0.5Hz。

ADXL103的输出信号通过滤波后送入MSP430的P6.1/A1 口。

2.5无线模块

本装置无线模块采用nRF905该模块供电电压为1.9〜

3.6V，工作于433/868/915MHZ三个频道，使用SPI接口与控制器通信，具有四种工作模式，分别为掉电模式( Powerdown)、待机模式(Standby )、接收模式(ShockBurstTM RX和发送模式

( ShockBurstTMTX)。

nRF905的VCC引脚连接+3V,作为nRF905的电源；MSP430 的

P1.5、P1.6、P1.7 分别连接TX_EN TRX_CE PWR_UP选择nRF905的工作模式；P2.3、P2.4、P2.5、P2.6 模拟SPI 总线，连接nRF905的MISO MOSI UCLK CSN引脚；P2.9、P2.1、P2.2 连接nRF905的CD AM DR引脚，判断是否收到数据包。

当nRF905接收完一个正确的数据包，并且自动移去字头、地址和CRC校验位后，DR引脚会置高。当MSP430判断该引脚变为高电平后，读出n RF905接收到的数据。

3现场实验

本示功仪在华北油田多口抽油机进行了长期试验，图 4 为抽油机任264的实测示功图。该抽油机冲程为2.8 米，冲次为3.8 次/分钟，最大载荷为34.8kN ，最小载荷为16.9kN。

进过测试表明，本示功仪对于冲程2〜5m冲次1〜7冲的抽油机均可准确测量示功图，并正确传输给上位机。该示功仪工作稳定，性能良好。

4结论

本文研制的无线示功仪，利用载荷传感器测量载荷，利用加速度传感器测量抽油机悬点加速度，对加速度进行二次积分计算位移，通过无线模式将示功图数据发送给上位机。经过现场测试，该产品测量准确，性能可靠，具有良好的实际应用价值。