刘立军 刘磊 赵清涛
西安思坦仪器股份有限公司，陕西省西安710065
摘要：随着油田采油技术的不断进步，对于抽油机载荷及角位移的监测要求也越来越高，抽油机载荷、角位移监测系统也广泛应用于油田中，本文介绍一种新型载荷、角位移的测试装置系统，不但在测量精度方面有所提高，在信号采集和传输方面也采用更加稳定的方式。
关键词：载荷；角位移；监测。
1概述
功图分析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。
功图分析主要是通过测量抽油机的载荷及角位移来实现，在此背景下提出一种新型的抽油机载荷、角位移的测试装置。载荷、角位移分别采用压力应变片和三轴加速度芯片作为传感器进行测量，测量结果通过4-20mA工业标准电流信号输出，提高了输出信号的抗干扰能力，保证了测试结果的准确性。通过有线方式将测量到的实时数据传输给控制中心进行数据分析、显示，测量过程无需人工干预，操作快捷，安全方便。
1.1目前国内外现状
目前国内市场载荷位移测试设备种类繁多，设备性能也参差不齐，因此有必要设计一款功能齐全、性能优良的功图测试设备。在北美地区，载荷角位移测试设备主要采用lufkin公司的Rod Pump Control Transducers系统，此系统集成载荷、位移测试，并且在功能及性能方面得到北美地区的广泛认可。
1.2设计思路
载荷位移主要由电源部分，传感器部分，信号前端处理部分，转换电路等部分组成。
仪器采用7V-40V 宽范围供电（推荐使用24V），经过电源转换芯片产生5V、3.3V直流电压给电路中其他模块供电。通过不同的传感器分别采集到当前载荷及位移电压信号，原始的电压信号经过前端电路一系列处理后输入到电压/电流转换芯片（XTR115）中，XTR115再将输入的电压信号转换为4-20mA的工业标准电流信号，后端通过采集此电流信号得到当前的测试数据。
1.3采用的关键技术
1）信号采集处理：载荷、位移传感器输出的信号均为电压信号，需要将输出的电压信号转换为标准的4-20mA电流信号，以减少长线传输时的干扰。电压/电流的转换采用XTR115转换芯片，此芯片时美国BB公司生产的精密电流变送器，此芯片环路电压范围为7.5V～36V，具有精度高（转换精度可达±0.05%），非线性误差小等特点，同时设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，它与内部输出晶体管并联后可降低芯片的功耗。芯片同时增加了+5V精密稳压器，可给外部电路（如前置放大器）单独供电，从而简化了外部电源的设计。
2）机械设计方面仪器采用有线传输数据方式，应充分考虑线缆与传感器接头处的设计，在仪器工作过程中不应使线缆受力，造成通信线缆损坏。同时应考虑震动对设备的影响，在机械设计过程中应采取措施使仪器具有抗震动功能。同事载荷单元为一体化设计，做到防水防尘，以此来降低设备出现故障的概率，提高设备使用的寿命。
2总体描述
2.1仪器概述
功图测试设备主要由载荷设备和角位移设备组成。载荷设备通过压力应变片对抽油机工作时的载荷参数进行采集，角位移设备主要采用加速度传感器采集抽油机在运动过程中的行程参数。通过对两个参数的分析计算最终得出功图数据和图形。
2.2设计方案
2.2.1整体结构
载荷位移设备的结构框图主要由三部分组成，分别为：传感器采集部分，信号调整部分以及信号输出部分组成。
2.2.2详细设计方案
载荷传感器采用压力应变片通过感知压力大小输出不同的电压值，当12V供电时，0～140KN输出的电压范围为1.2mV～13.44mV，0～220KN输出的电压范围为1.2mV～21.8mV。
位移传感器采用ST公司的LIS344ALH三轴加速度传感器，传感器采用单电源2.4V～3.3V供电，满量程测量范围±2g，满量程对应输出电压范围0.99V～2.31V。
载荷、位移传感器输出的信号均为电压信号，需要将输出的电压信号转换为标准的4-20mA电流信号，以减少长线传输时的干扰。电压/电流的转换采用XTR115转换芯片，此芯片时美国BB公司生产的精密电流变送器，此芯片环路电压范围为7.5V～36V，具有精度高，非线性误差小等特点，同时设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，它与内部输出晶体管并联后可降低芯片的功耗。芯片同时增加了+5V精密稳压器，可给外部电路（如前置放大器）单独供电，从而简化了外部电源的设计。载荷、角位移输出的电压信号经过前级放大、加减等电路的处理后，将输出电压调节到+0.8V～+4V，电流转换电路的输入端电阻选定为20K，则输入电流为40uA～200uA，经过XTR115放大100倍后的输出电流为4mA～20mA。输出电路达到要求。
2.3现场安装方式
载荷采用一体化中空设计方式，安装于光杆处，保证仪器不会因为受力而发生偏载。位移使用内六角圆柱螺钉固定于安装支架上，安装支架通过螺栓带双螺母夹紧的方式固定于抽油机游梁的中间位置。走线选用低温屏蔽线缆，通过防水插座连接在仪器上。
3现场应用
对延长油田作业区安装新型功图测试设备进行测量，仪器能完成功图数据的采集测量，并能将实时数据进行传输，通过与国外先进设备进行对比测试发现，仪器的测试效果良好，能够真实的反应当前油井的工况。
4结论
新型功图测试设备采用载荷传感器及角位移传感器，实现油井功图的测量和分析，实时了解当前油井的工作状态，提高整个井场的安全性。仪器操作简单，功能全面，测试效果良好。具有较大的应用前景。
参考文献
[1]刘益江,张学臣,李伟.抽油井示功图综合解释[J].油气田地面工程,2007,(8).3-5.
[2]石在红,魏兆胜,杨树人.利用示功图计算抽油机井的产液量[J].大庆石油学院学报,1996,20(4):20-24.
作者简介：刘立军（1985—），男，汉族，陕西西安人，工程师，2011年硕士毕业于西安工业大学自动化专业，现从事石油仪器开发工作。