专利名称：无线网络智能示功装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种油田抽油机井功图的测量装置，尤其是一种油田抽油机用无线网络智能示功装置及其控制方法。
背景技术：
所谓的示功装置是指测量油田抽油机井功图的仪器。所谓的功图是以抽油机驴头从下死点向上的位移量为横坐标，以杆载荷值的大小为纵坐标，在该坐标系下每个油井的杆载荷值与位移量在一个冲次里所形成的图形。而杆载荷就是驴头对光杆向上的拉力。抽油机井的功图可以反映抽油机的工作状况和油井内部情况等信息，是油田对油井实施管理的重要依据，是油田的一项经常性的检查项目，如何快速、准确、方便地获取功图尤其重要。
目前，功图获取的基本方法，主要由杆载荷传感器、位移(或位置)传感器、数据采集和处理单元以及通信单元等组成。它由位置传感器提供下死点信号，利用时间与位移的关系，通过测量时间计算载荷的位移，(或利用位移传感器直接测量出载荷的位移)，同时测量杆载荷值，最后画出功图。用这种方法获取功图需要使用一个位移传感器及一个杆载荷传感器，而且需要电缆连接至数据采集器，由此产生安装维护困难，特别是油井都在野外，整日风吹雨淋日晒，电缆极易老化，而且人为的破坏也非常严重，一般情况下，他们的寿命较短，安装维护都非常困难。

发明内容
为了克服现有的油田抽油机用示功装置功图获取不便、寿命较短、安装维护困难的技术不足，本发明提供了一种无线网络智能示功装置及其控制方式，该装置及其控制方式可以不需要位置传感器及电缆传输也能得到抽油机工作时绘制功图所需要的信息，从而使获取功图的测量设备简单、操作易行、维护方便。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是无线网络智能示功装置包括电源电路及杆载荷传感器，杆载荷传感器输出的电压信号经滤波电路滤波后与单片机的AD输入端相连，单片机连接有外部存储器，单片机经外部通信接口电路与无线通信模块电路连接。
一种无线网络智能示功装置的控制方法，电源电路将蓄电池的12V电压变成杆载荷传感器所需的5V电压，及单片机电路工作所需的3V电压，杆载荷传感器将抽油机驴头所受到的力的大小转换成0.4V--2.4V的电压信号，该电压信号经滤波电路处理后输入到单片机的AD输入端，在程序的控制下单片机按照一定的速率采集AD端口载荷传感器传输的模拟信号，通过对抽油机杆载荷波形的处理，找到与位移传感器具有相同作用的特征点，利用这些特征点的信息来取代位置传感器提供的信息，并将这些模拟信号转化为数字信号，并保存在存储器中，当数据采集到一定的时间时，单片机停止采集数据通过通信接口电路控制无线通信模块发出建立GPRS通信联路命令，当通信联路建立后，以TCP/IP协议的形式向监控中心发送处理后的杆载荷数据，监控中心根据接收到的无线数据，便可以绘制出功图。
本发明的有益效果是，使用时安装于抽油机的悬绳器与锁卡之间，省去了位置传感器，使功图测量设备大为简化、安装维护非常方便，基本消除了被人破坏的可能，可以大大提高劳动生产率，并且采用GPRS无线网络通信传送数据，节省无线电频率资源，通信距离远近不受限制。


下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的电路原理框图。
图2-1、图2-2是本发明的电路结构原理图。
图3是静载荷波形图。
图4是带有阻尼振动的载荷波形图。
图5是带有惯性载荷的波形图。
图中 1.电源电路 2.滤波电路 3.单片机电路 4.存储器 5.通信接口电路 6.通信模块电路 7.杆载荷传感器。
具体实施例方式
在图1、图2中，杆载荷传感器7输出的电压信号经滤波电路2滤波后与单片机3的AD输入端相连，单片机3电路连接有外部存储器4用以保存单片机3电路采集及处理的数据，单片机3电路经外部通信接口电路5与无线通信模块电路6连接，经无线通信模块电路6处理后以TCP/IP协议的形式向监控中心发射处理后的杆载荷数据，电源电路1将蓄电池的12V电压变成杆载荷传感器7所需的5V电压，及单片机3电路工作所需的3V电压。本实用新型单片机电路3采用C8051F021及74LS573模块，存储器4采用SST39VF512模块，通信接口电路5采用WM02D模块，电源电路1及滤波电路2都为常用的电路结构形式，本实用新型杆载荷传感器7与电源电路1及滤波电路2、单片机电路3、存储器4、通信接口电路5、通信模块电路6之间的电路连接方式为常用的连接形式，这里不再详尽描述。
本发明的控制方法是，电源电路将蓄电池的12V电压变成杆载荷传感器所需的5V电压，及单片机电路工作所需的3V电压，杆载荷传感器将抽油机驴头所受到的力的大小转换成0.4V--2.4V的电压信号，该电压信号经滤波电路处理后输入到单片机的AD输入端，在程序的控制下单片机按照一定的速率采集AD端口载荷传感器传输的模拟信号，通过对抽油机杆载荷波形的处理，找到与位移传感器具有相同作用的特征点，利用这些特征点的信息来取代位置传感器提供的信息，并将这些模拟信号转化为数字信号，并保存在存储器中，当数据采集到一定的时间时，单片机停止采集数据通过通信接口电路控制无线通信模块发出建立GPRS通信联路命令，当通信联路建立后，以TCP/IP协议的形式向监控中心发送处理后的杆载荷数据，监控中心根据接收到的无线数据，便可以绘制出功图。
本发明集成到一个小的箱体里，类似于一个较大的载荷传感器，使用时只要将它安装在悬绳器与琐卡之间即可。
杆载荷波形特性分析杆载荷的大小虽然与多种因素有关，但如果按照作用力的性质对它们进行分类，主要有四类静载荷、动载荷、弹性载荷和摩阻载荷。
静载荷包括抽油杆自重、柱塞上部液柱形成的静液柱载荷。动载荷包括抽油杆和油管内的流体做不等速运动所形成的抽油杆和液柱的动载荷，即惯性载荷。弹性载荷包括油泵在下死点突然加载和在上死点突然减载时使光杆变形而产生的弹力。摩阻载荷包括光杆与密封盒的摩擦力、光杆与液体之间的摩擦力、光杆与油管之间的摩擦力、液体在杆管环行空间内的流体阻力、液体通过泵阀与柱塞内孔的局部水力阻力以及柱塞与泵筒之间的半干摩擦阻力等。
根据各类杆载荷的作用力性质可知，静载荷的上下冲程分别是两个不同的常量上冲程为光杆自重与柱塞上部液体的重量之和，下冲程为光杆在油液里的重量，它的时间—载荷曲线为一矩形波，功图为矩形。由于油泵的加载与卸载不是在瞬间完成的，总需要一定的时间，所以它的时间—载荷曲线为一梯形波，如下列静载荷波形图所示(见图3)，功图为一平行四边形。
弹性载荷与摩阻载荷的共同作用，使光杆在加载和卸载处开始产生带有阻尼的振动，如下列带有阻尼振动的载荷波形图所示(见图4)。对于浅井弹性载荷较小，有时可以忽略不计，但对于深井弹性载荷较大，必须给予重视。
惯性载荷与光杆运动的加速度成正比，当采用光杆简化运动方程时，惯性载荷是一个余玄函数，它会使载荷波形的上下边向中心倾斜，如下列带有惯性载荷的波形图所示(见图5)。惯性载荷的最大值一般不超过静载荷的1/10，对载荷波形的影响不大。
从上面的分析中可以看出杆载荷的波形具有如下的特征●周期性——在一定的时间间隔里，由于油泵和油井的情况变化不大，对于不同的冲次，它们的时间—载荷曲线和功图相同，也就是说时间载荷-曲线和功图是冲次为周期的函数。
●突变点——对于浅井油泵，静载荷起主要作用，时间载荷波形在下死点处由平直变成较陡且较陡的上升沿。
●极值点——对于深井油泵，静载荷、弹性载荷及惯性载荷起主要作用，时间载荷波形在下死点过后完成加载过程，使静载荷达到最大值，同时惯性载荷也达到最大值。在这两个载荷的共同作用下，光杆被拉致最长，弹性载荷也达到最大值，随后光杆便开始进行有阻尼振动，渐进于最大静载荷。
从上面的分析可以看出，传统的功图测量方法利用测量驴头连续两次接近位置传感器的时间计算冲次，利用驴头触发位置传感器作为下死点，恰好与时间载荷波形的周期、突变点及极值点相对应。
确定周期从前面对杆载荷的波形分析知道，杆载荷的波形是一个非负的周期函数。如果能够知道该函数的周期，那么其倒数就是冲次。
根据周期函数的定义，假设某时刻t的杆载荷值为f(t)，其周期为T，那么有f(t)＝f(T+t)(ta≤t≤tb) f(t)＞0(1)式中ta为起始时刻。
tb为终止时刻。
为了求出周期T，设g(t)＝f(X+t)，并令g(t)与f(t)差值为Δ，则Δ＝g(t)-f(t)＝f(X+t)-f(t)(2)可以证明，对于新造出的函数Δ具有如下特性(1)Δ还是以T为周期的周期函数。
(2)Δ是变量X的函数。
(3)当f(t)为非常数函数时，使Δ＝0的充要条件是X为周期的整数倍。
根据Δ函数的上述特性，可以采用如下的方法确定周期T。令X从0开始以dt的步长逐渐增加，每增加一步都检测Δ值，看Δ是否在t∈(ta，tb)内处处为0。当Δ值为0时停止X的增加，此时的X值就是周期T。
确定下死点根据载荷传感器的力学特性可知，当油井较浅时，从下死点开始载荷值突然增大，使波形由平缓变成陡立，该突变点就是下死点。
当油井较深时，油杆弹性产生的载荷波动会使下死点的波形变化较大，影响对下死点的判断，此时，可以选用最大值判别，其原理如下由于油杆由下死点向上运动时是一个加载过程，当加载量大于油杆的弹性力时，加载力就会强迫油杆改变原来的振动状态，随着加载力到达最大值后重新进行振动，从而使下死点与最大载荷力之间存在一个固定的位移关系。最大值判别法就是先找到最大载荷值，然后利用这个关系来推算下死点。
该系统采用对杆载荷波形进行分析建模的方法计算抽油机的周期、判断下死点时刻以及判断关停机状态，省去了位置传感器，使功图测量设备大为简化、安装维护非常方便，基本消除了被人破坏的可能，可以大大提高劳动生产率。另外，它不仅可以测量功图，而且还能判断开停机，做到一机多能。
该系统采用GPRS无线网络通信传送数据，节省无线电频率资源，通信距离远近不受限制。
权利要求
1.一种无线网络智能示功装置，包括电源电路及杆载荷传感器，其特征在于杆载荷传感器输出的电压信号经滤波电路滤波后与单片机的AD输入端相连，单片机连接有外部存储器，单片机经外部通信接口电路与无线通信模块电路连接。
2.一种无线网络智能示功装置的控制方法，其特征在于电源电路将蓄电池的12V电压变成杆载荷传感器所需的5V电压，及单片机电路工作所需的3V电压，杆载荷传感器将抽油机驴头所受到的力的大小转换成0.4V--2.4V的电压信号，该电压信号经滤波电路处理后输入到单片机的AD输入端，在程序的控制下单片机按照一定的速率采集AD端口载荷传感器传输的模拟信号，通过对抽油机杆载荷波形的分析，找到与位移传感器具有相同作用的特征点，利用这些特征点的信息来取代位置传感器提供的信息，并将这些模拟信号转化为数字信号，并保存在存储器中，当数据采集到一定的时间时，单片机停止采集数据通过通信接口电路控制无线通信模块发出建立GPRS通信联路命令，当通信联路建立后，以TCP/IP协议的形式向监控中心发送处理后的杆载荷数据，监控中心根据接收到的无线数据，便可以绘制出功图。
全文摘要
本发明属于油田抽油机井功图的测量装置领域，其特征是设有电源电路及杆载荷传感器，杆载荷传感器输出的电压信号经滤波电路滤波后与单片机的AD输入端相连，单片机连接有外部存储器用以保存单片机采集及处理的数据，单片机经外部通信接口电路与无线通信模块电路连接，经无线通信模块电路处理后以TCP/IP协议的形式向监控中心发射处理后的杆载荷数据，省去了位置传感器，使用GPRS无线网络通信传送数据。
文档编号G01L3/00GK1560430SQ20041002362
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月25日 优先权日2004年2月25日
发明者陈维义, 双春峰, 刘衍富 申请人:威海海特电子信息技术有限公司