一种数字化高精度示功图数据采集装置
技术领域
本发明属于采油工程领域中的油田抽油机电子示功技术，尤其涉及一种数字化高精度示功图数据采集装置。
背景技术
示功图能够反映深井泵工作状况好坏，由专门的仪器测出，画在坐标图上，被封闭的线段所围成的面积表示驴头在一次往复运动中抽油机所做的功的图纸。分析和解释示功图，是直接了解深井泵工作状况好坏的一个主要手段，不但深井泵工作中的一切异常现象可以在示功图上比较直观的反映出来，而且，还可以结合有关资料，来分析判断油井工作制度是否合理，抽油设备与油层和原油性质是否适应，还可以通过“示功图法”对低产、低能井制定出合理的开关井时间，减少设备的磨损和电能的浪费等，因此，准确绘制示功图至关重要。
抽油机井示功图的纵坐标表示光杆载荷，横坐标为光杆位移行程，柱塞在上下一个冲程中动力仪相应画出一个载荷与光杆位移的函数关系曲线，即示功图，可概括的认为是单位时间内深井泵活塞所作的功，即排液的多少。现有技术中，示功图图形的画法分为机械示功器和电子示功装置这两种画法，其中：
机械示功器由于利用机械位移方法进行测量，必然带来机械式测量仪器的固有缺陷，如发动机示功图中感受缸内压力和反映活塞位移部分具有一定的质量(强度要求),而其弹簧刚度不能太大(灵敏度要求),致使它的自振频率很低，不适用于高速内燃机，只适用于低速机和部分中速机(如转速低于400r/min的内燃机)。目前，机械示功器在大型低速船用柴油机上被广泛用作随机测试仪表，供监控柴油机运转使用。
电子示功装置参数采集方式分为压电式、电阻应变式，电容式三种压力传感器的采集方式，其中：抽油机示功图载荷的测量一般多采用压电式压力传感器，它是以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是用具有压电效应的压电陶瓷材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，如加速度和压力。这类传感器存在如下缺点：1)易受外界干扰影响，振动对压电式传感器有显著的影响，尤其表现在小压力测量中。2)温度影响明显，灵敏度会随温度的增高而降低，温度升高而产生热膨胀，造成对晶体预紧力的改变，从而使传感器输出产生漂移。
目前，油田抽油机上用的最先进的载荷位移一体机功图传感器采用压电陶瓷压力传感器，其缺点是：1)位移的测量原理是根据F＝ma先测量出已知物体质量的压力计算出加速度，加速度经二次积分后就是位移，位移的测量在抽油机的冲次低于2次/分时误差就很大；2)压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来，但是实际上并不是这样的，因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中，而抽油机的驴头在运动过程中上止点和下止点恰好处于瞬时静止状态，这时测量出来的载荷和位移误差就非常大；3)载荷传感器是用单片机做的，受其容量通信等各种因素的限制，功图图形纵横坐标数据的采集点数一般只能各在220～280个点之间，精细度不高，在测算产液量计算中测量精度一般只有70～80％之间，而且出一副示功图的时间在7～10分钟之间，实时性比较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种数字化高精度示功图数据采集装置，采用新型示功图数据采集方式，针对游梁式抽油机的机械结构和工作原理，通过角度传感器采集游梁摆动角度并计算位移，通过位移传感器采集光杆位移数据并计算载荷，由于载荷和位移两个参数均为直接数字量，克服了现有传感器的温差干扰和冲击干扰，具有使用寿命长、成本低、抗干扰性能强等优点。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种数字化高精度示功图数据采集装置，安装在游梁式抽油机上，其特征在于，包括角度传感器和位移传感器，其中：所述角度传感器安装在游梁的安装轴上、且用于获取游梁的旋转角度，处理器基于旋转角度和弧长公式计算出光杆的行程；所述位移传感器安装在悬绳器上，且用于获取驴头上下运动时悬绳器与光杆在承重状态下的相对位移，处理器基于相对位移和胡克定律计算出光杆的载荷；处理器基于光杆的冲程和载荷数据完成抽油机井示功图数据的采集。
优选的，所述安装轴可旋转的安装在机架上，所述机架的顶部安装有轴承套，安装轴的外部套设有与轴承套匹配的轴承，所述角度传感器安装在安装轴末端。
优选的，所述悬绳器包括下负荷挂板、上负荷挂板和弹簧，其中：所述钢丝绳的中间端固定在游梁的驴头上，钢丝绳的另两端固定在下负荷挂板上；所述上负荷挂板通过弹簧可浮动的设置在下负荷挂板上；所述光杆的一端被卡瓦卡住悬持在上负荷挂板上，光杆的另一端依次穿过上负荷挂板和下负荷挂板、并与下面的抽油杆连接，位移传感器安装在上负荷挂板和卡瓦之间或上下负荷挂板之间。
优选的，还包括安装在钢丝绳底部的限位头，所述限位头用于固定钢丝绳和下负荷挂板。
优选的，还包括安装在光杆顶部的卡瓦，所述卡瓦用于将光杆卡住悬持在上负荷挂板上。
优选的，所述下负荷挂板的中部设置有容纳光杆的下中孔，所述下负荷挂板的两侧设置有容纳钢丝绳的下侧孔。
优选的，所述上负荷挂板的中部设置有容纳光杆的上中孔，所述上负荷挂板的两侧设置有容纳钢丝绳的上侧孔。
优选的，所述下负荷挂板顶面和上负荷挂板的底面均设置有安装弹簧用的簧座。
优选的，所述角度传感器包括旋转编码器。
优选的，所述位移传感器包括拉线编码器。
本发明的一种数字化高精度示功图数据采集装置具有以下有益效果：
1)该采集装置中的载荷和位移两个参数均为直接数字量，克服了目前所用传感器不可抗拒的野外温差干扰和冲击干扰，使用寿命长、具有很强的抗干扰性能。
2)该采集装置不仅精度高实时性强，而且出图快。通过简单选择编码器的脉冲数，便能提高示功图系统精度，一个冲程便可出图。
3)该采集装置能够绘制高精细化的示功图形，通过程序简单的调整PLC的中断次数，就可改变示功图形采集的点数即图形的精细化程度，在示功图测算产液量计算中能显著提高测量精度，具有重要的经济价值。
4)该采集装置可以利用PLC采集的载荷、位移数字量参数格式“.CSV”进行自行处理、储存、传输,更易于接入物联网。
5)该采集装置结构简单、寿命长、成本低，是传统功图采集仪的1/10～1/3。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的应用示意图；
图2是本发明的工作原理图；
图3是本发明的角度传感器安装示意图；
图4是本发明的位移传感器第一安装示意图；
图5是本发明中悬绳器的结构示意图；
图6是本发明的位移传感器第二安装示意图。
其中，1-角度传感器、2-位移传感器、3-游梁、4-安装轴、401-轴承套、402-轴承、5-悬绳器、501-下负荷挂板、502-上负荷挂板、503-弹簧、504-限位头、505-卡瓦、5011-下中孔、5012-下侧孔、5021-上中孔、5022-上侧孔、5031-簧座、6-钢丝绳、7-光杆、8-机架、9-连杆、10-曲柄驱动机构。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，该数字化高精度示功图数据采集装置安装在游梁式抽油机上，其核心部件包括一个角度传感器1和一个位移传感器2，图1中，角度传感器1安装在游梁3的安装轴4上、且用于获取游梁3的旋转角度n°，位移传感器2安装在悬绳器5上、且用于获取悬绳器5与光杆7在承重状态下的相对位移x。
具体的，悬绳器是驴头和光杆的柔性连接装置，其作用是使光杆在往复运动中能处于井口中心位置，使抽油杆的运动始终与驴头弧面保持相切，并且悬绳器承受着抽油杆的重量和活塞以上的液柱重量，以及震动、惯性、摩擦等交变载荷，悬绳器且用于获取上负荷挂板在承重状态下相对于下负荷挂板的相对位移。
具体的，游梁3安装在机架3上，在连杆9和曲柄驱动机构10的带动下，有规律的摆动。实际工作时，处理器基于旋转角度n°和弧长公式计算出光杆7的行程，处理器再基于相对位移x和胡克定律计算出光杆7的载荷，最后基于光杆7的行程和载荷数据完成抽油机井示功图数据的采集。
本实施例中，角度传感器可以为旋转编码器或其他角度检测传感器，位移传感器可以为拉线编码器或其他位移检测传感器，处理器可以为S7-200 SMART CPU型PLC或其他类型处理器。
需要具体说明的是，抽油机示功图的绘制只需要两个参数，一个是横坐标的位移即冲程，单位为米(M)，一个是纵坐标的载荷，单位为千牛(KN)。本发明载荷的测量是通过弹簧测力计的原理进行的，弹簧测力计的原理为胡克定律。胡克定律是力学基本定律之一，适用于一切固体材料的弹性定律，胡克定律指出：在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。胡克定律的表达式为F＝k·x，其中k是常数，是物体的劲度系数，它由材料的性质所决定。在国际单位制中，F的单位是牛，x的单位是米，它是形变量，k的单位是牛/米。劲度系数在数值上等于弹簧伸长或缩短单位长度时的弹力。因此通过安装在悬绳器上的编码器(把位移直接转换成脉冲数的装置)测出弹簧的形变量根据F＝k·x就可计算出载荷，而且这个形变量的值直接就是数字脉冲数，可以直接通过PLC高速计数口读取计算出载荷。示功图中的位移就是游梁式抽油机的冲程，根据游梁式抽油机的结构原理，如附图，冲程＝弧长，根据弧长计算公式，L＝n°(圆心角角度数)×π(圆周率)×r(半径)/180，只要测出圆心角就可计算出冲程。因此在游梁旋转轴中心安装一个编码器就可测出圆心角，直接通过PLC高速计数口读取脉冲数，通过公式n°＝(读取脉冲数)×360°/编码器分辨率计算出圆心角，再带入弧长公式计算出弧长即冲程，如图2所示。
具体的，利用西门子S7-200 SMART CPU V2.0 PLC支持数据日志的功能采集示功图的载荷和位移,数据记录通常是指按照日期时间排序的一组数据，每条记录都是某些过程事件的一套过程数据。这些记录可以包含时间及日期标签。用户可以在程序控制下保存过程数据记录到CPU的存储器中。利用游梁旋转轴上测量冲程的编码器脉冲数进行中断，使用沿触发调用(DATx_WRITE)指令记录一组对应的载荷和冲程值，这组值构成示功图上一个点，改变中断的脉冲数多少在一个冲程内可以调整示功图采集的点数，点数越多图形精细度就越高。利用上传数据日志(Upload Data Logs)命令将数据日志副本从CPU上传到已连接的PC或PG上，上传的数据日志文件的格式为CSV(逗号分隔值)，适合与文本编辑器或诸如Microsoft Excel之类的电子表格工具使用，更适合于存储在数据库中和显示在人机屏上以及利用第三方软件显示出示功图形，如ExcelLine、Origin软件。
如图3所示，安装轴4可旋转的安装在机架8上，机架8的顶部安装有轴承套401，安装轴4的外部套设有与轴承套401匹配的轴承402，角度传感器1安装在安装轴4末端。
如图4所示，悬绳器5包括下负荷挂板501、上负荷挂板502和弹簧503，其中：钢丝绳6的中间端固定在游梁3的驴头上，钢丝绳6的另两端固定在下负荷挂板501上；上负荷挂板502通过弹簧503可浮动的设置在下负荷挂板501上；光杆7的一端被卡瓦卡住悬持在上负荷挂板502上，光杆7的另一端依次穿过上负荷挂板502和下负荷挂板501、并与下面抽油杆连接。具体的，还包括安装在钢丝绳6底部的限位头504和安装在光杆7顶部的卡瓦505，限位头504用于固定钢丝绳6和下负荷挂板501，卡瓦505用于卡住和悬持光杆7在上负荷挂板502上。
如图5所示，下负荷挂板501的中部设置有容纳光杆7的下中孔5011，下负荷挂板501的两侧设置有容纳钢丝绳6的下侧孔5012。上负荷挂板502的中部设置有容纳光杆7的上中孔5021，上负荷挂板502的两侧设置有容纳钢丝绳6的上侧孔5022。下负荷挂板501顶面和上负荷挂板502的底面均设置有安装弹簧503用的簧座5031，簧座5031为带翻边的圆柱壳体，翻边上设置有安装孔，通过螺丝和安装孔安装在下负荷挂板501或上负荷挂板502上。如图6所示，是另一种形式的悬绳器5，位移传感器2安装在下负荷挂板501和上负荷挂板502之间，用于检测下负荷挂板501和上负荷挂板502的相对变动，由于下负荷挂板501和上负荷挂板502之间设置有弹簧503，因此，通过位移传感器2可以检测出弹簧503的形变。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
