康学玺 王辉辉 王磊
西安思坦仪器股份有限公司，陕西省西安710065
摘要：示功图是用来反映深井泵工作状况的好坏，一般由示功仪测出，并画在坐标纸上。图上被封闭的线所围成的面积表示驴头在一次往复运动中抽油泵所作的功。示功图反映了抽油泵的工作情况，通过分析，可以了解油井动态及抽油装置的各项参数选择是否合理。
关键词：示功图；无线角位移传感器；无线载荷传感器；智能接收装置
1背景介绍
目前，传统的示功仪主要有一体式载荷位移传感器、分体式载荷位移传感器、液压载荷位移传感器、光杆示功仪、无线示功仪，这些示功仪都需要借助于数据记录仪来完成数据采集以及最终形成功图曲线，随着油田数字化的发展，示功仪测试的功图数据需通过RS485挂接到现场已有的数字化设备上，连同其他仪器的测试数据一同发送至监控室计算机，实现功图的远程监控。基于此，需要设计一款具有该功能的示功仪。
2总体描述
2.1仪器概述
固定式无线示功仪是根据市场需求趋势设计的一种新型的测量抽油机示功图的仪器，主要包括无线载荷传感器、无线加速度角位移传感器、智能接收装置，智能接收装置遵循标准MODBUS485通信协议。测试功图准确率较高。通过无线传输模块与数据记录仪进行通讯，测量过程无需卸载和拉绳，操作快捷、安全方便。
2.2 载荷传感器
此部分选用的载荷传感器其内部是应变片结构，通过外部受力变形输出相应的电压信号。
2.3 角位移传感器
角位移传感器位移测量采用加速度芯片，通过对加速度的二次积分计算出相应的位移值。
2.4 智能接收装置
智能接收装置主要是将载荷位移传感器通过无线（433MHz）传输过来的载荷、位移值进行相应的处理，在其内部计算并存储功图曲线数据，经RS485挂接到数字化设备上，以供数字化控制系统随时读取功图数据。智能接收装置的另一功能就是由它来唤醒载荷位移传感器，由于载荷位移传感器选用电池供电，必须做到低功耗，在不工作时，仪器处于休眠状态。在工作时，由智能接收装置来唤醒它工作。
3设计方案
3.1总体方案
无线载荷传感器和无线角位移传感器内部都接有433MHz的无线收发模块，智能接收装置中也有一个433MHz的无线收发模块。数据、指令通过无线收发模块来完成发送和接收。
3.2技术指标
数据传输方式：无线传输（433MHz无线射频技术）；
无线通信距离：＞100m； 工作温度：-40℃~85℃；
防护等级：IP65； 供电方式：电池、太阳能电池板；
载荷测试范围：0KN~80KN；（可定制） 载荷精度：1%；
位移测试范围：0~8m； 角位移测试范围：-45°~45°；
位移精度：1%；
4设计难点及解决办法
4.1低功耗
固定式无线示功仪主要工作在两个状态：待机和测试，在一体式载荷位移传感器电路板上，共含有430单片机一块、无线模块、AD623、AD8552两片、加速度芯片、电源芯片两片。在仪器的整个工作过程中，只有单片机和无线模块始终供电、单片机控制无线模块使其周期性唤醒。
4.2通信协议
通信采用MODBUS协议，以智能接收模块作为主机，载荷、位移传感器为从机，上位机软件通过RS485来设置定时采集时间，智能接收装置通过无线模块来唤醒相应的载荷、位移传感器来采集数据，通过主机查询数据采集完毕时，通过指令按照设备地址的不同，依次接收数据至智能接收装置中，在其内部计算并存储功图曲线数据，随时等待数字化控制设备读取功图数据。
4.3 同频段抗干扰问题
在同一井场中，若采用一对多模式，即一个智能接收装置要接收井场中几个井的功图数据，为了避免这种干扰问题，出厂时配套仪器的地址是唯一的，即每一套无线示功仪都有自己固定的ID，上位机软件在采集功图曲线时，只有载荷、位移传感器的ID与接收装置的ID匹配时，才能采集到功图曲线数据。
在相邻井场中，若其距离较近，在433MHz的频率下有可能会产生相邻井场之间的无线干扰问题。为了解决这种干扰，可以通过改变无线频率的不同来避开此问题。433MHz有8个频率段，即429.0325MHz~436.0325MHz，每个频率段相差1MHz。通过调整无线收发模块的收发频率，就可以将这种相邻井场在同一频段下的干扰避免掉。
5.室内试验
5.1 无线传输方式
无线接收装置通过发送命令能够将相应的载荷、位移唤醒、采集载荷、位移数据，而且能够将采集到的载荷、位移数据接收在其内部形成功图曲线数据。
（1）无线传输距离
设置无线模块参数，在室外，用一个单独的无线模块去唤醒载荷、位移传感器，50m范围内仪器之间的无线通信正常。满足一个井场内功图测试要求。
5.2 载荷精度测试
通过标检软件去测试，标检值如表1所示：
载荷的最大量程为80kN，由表1可以得出，载荷精度在1%以内。
5.3位移精度测试
位移精度测试也是通过标检软件来完成。经理论计算，若理论值与实测值的差值在±18以内，精度均可达到1%。从表2中可以得出，位移能够满足精度要求。
参考文献
[1]李鹏程.一种抽油机无线示功仪的设计与实现[D].新疆大学.2013.
[2]潘大伟,于云华.抽油机无线示功仪的研制[J].电子技术与软件工程.2016,133-134.
[3]李云飞,吴仲裁,吴宝元.用于抽油机井示功仪的载荷位移一体化智能变送器[J].仪表技术与传感器.2012(2),15-17.
作者简介：康学玺（1982.10-），男，河南鲁山，2010年毕业于西安科技大学，硕士，中级工程师，现从事石油仪器相关设计及其研究工作。