專(zhuān)利名稱(chēng)：抽油機(jī)功率手持測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種智能功率測(cè)量?jī)x表，確切地說(shuō)它是一種抽油機(jī)功率手持測(cè)試儀。
背景技術(shù)：
目前，油田生產(chǎn)的舉升方式包括抽油機(jī)、螺桿泵、電泵等，其中游梁式抽油機(jī)是油田生產(chǎn)的主要設(shè)備，也是主要的電能消耗源之一，同時(shí)其利用效率很低，一般在30%左右， 甚至更低。在游梁式抽油機(jī)的工作過(guò)程中，直接影響到其效能是抽油機(jī)的平衡。使游梁式抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)運(yùn)行，既可延長(zhǎng)抽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)的使用壽命，又可節(jié)約大量電能。當(dāng)前，判斷抽油機(jī)平衡度的常規(guī)方法是電流法，即利用鉗形電流表測(cè)出電動(dòng)機(jī)在上下沖程中的電流峰值，，用兩者中的小者比大者，其比值作為平衡率，若比值>85%，則認(rèn)為抽油機(jī)平衡。這種抽油機(jī)平衡測(cè)試方法判斷抽油機(jī)的平衡度合格，有些情況下不能保證抽油機(jī)一定處于耗電最省的狀態(tài)，甚至是多耗電，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是1.某些嚴(yán)重不平衡的油井，其下沖程(或上沖程)測(cè)得的最大電流是發(fā)電電流，但鉗形電流表測(cè)得的這一最大電流因無(wú)法判斷相位而不能判斷其是發(fā)電電流還是輸入電流，在這種狀態(tài)下用電流法測(cè)試評(píng)價(jià)的平衡度數(shù)值是合格的，但實(shí)際上是嚴(yán)重的不平衡。2.電流法是一種粗略的估計(jì)方法，誤差較大，它沒(méi)有考慮電流在整個(gè)上下沖程的變化情況，更沒(méi)有考慮功率在上下沖程中的變化情況。在實(shí)際操作中，由于在上下沖程中電流峰值所占的時(shí)間幅度窄，以及抽油機(jī)這種交變載荷導(dǎo)致電流持續(xù)不斷變動(dòng)等因素的影響，測(cè)試人員僅靠目測(cè)時(shí)值很難讀取準(zhǔn)確的數(shù)值。3.電流法從理論和實(shí)際操作上都存在著很大的缺陷，準(zhǔn)確性較差，存在假象平衡的問(wèn)題。另外由于近年來(lái)變頻控制系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用于采油工程領(lǐng)域，而傳統(tǒng)電參數(shù)測(cè)量?jī)x表只能測(cè)試工頻，無(wú)法滿(mǎn)足變頻狀態(tài)下的測(cè)試，這導(dǎo)致使用變頻技術(shù)的抽油機(jī)功率難以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種抽油機(jī)功率手持測(cè)試儀，采用功率法測(cè)試抽油機(jī)平衡，解決了電流法測(cè)試抽油機(jī)平衡中出現(xiàn)的因無(wú)法判斷所測(cè)得的最大電流相位而無(wú)法判斷其是發(fā)電電流還是輸入電流，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果中出現(xiàn)假象平衡的問(wèn)題， 同時(shí)也提高了測(cè)試準(zhǔn)確度。同時(shí)，霍爾傳感器技術(shù)還的應(yīng)用解決了現(xiàn)有的抽油機(jī)功率監(jiān)測(cè)儀無(wú)法在變頻狀態(tài)下對(duì)各項(xiàng)電參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。本實(shí)用新型的抽油機(jī)功率手持測(cè)試儀，是在測(cè)試儀本體的一端設(shè)有鉗形口，在測(cè)試儀本體與鉗形口的連接處設(shè)有扳機(jī)，在測(cè)試儀本體上設(shè)有顯示屏、按鍵、USB接口和電源輸入插口，在測(cè)試儀內(nèi)設(shè)有SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡和電路系統(tǒng)。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的電路系統(tǒng)是由電流感應(yīng)模塊，電流信號(hào)調(diào)整模塊，電壓隔離模塊，電壓信號(hào)調(diào)整模塊，AD采集模塊，按鍵輸入模塊，液晶顯示模塊，大容量存儲(chǔ)模塊和中央處理器構(gòu)成，電流感應(yīng)模塊經(jīng)電流信號(hào)調(diào)整模塊與AD采集模塊連接、 電壓隔離模塊經(jīng)電壓信號(hào)調(diào)整模塊與AD采集模塊連接，AD采集模塊與中央處理器連接，液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊和大容量存儲(chǔ)模塊均與中央處理器連接。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，電流感應(yīng)模塊中的霍爾傳感器插座P3連接鉗形表中的霍爾傳感器，傳感器供電由V+進(jìn)入，經(jīng)傳感器內(nèi)部由QK輸出，在輸出線路上串聯(lián)了電位器R3，當(dāng)有電流輸入時(shí)，鏈接在P3的霍爾傳感器感應(yīng)出電壓，經(jīng)P3的3，7腳的abc-和 R3的abc+輸出。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，電流感應(yīng)模塊的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)U4的1，4腳進(jìn)入U(xiǎn)4， 由7腳輸出，通過(guò)R7電位器調(diào)節(jié)U4芯片的放大倍數(shù)，U4放大后的信號(hào)經(jīng)R18，C18的RC低通濾波后去除高頻信號(hào)，信號(hào)由R18左側(cè)進(jìn)入右側(cè)輸出，高頻信號(hào)經(jīng)C18上端流入C18下端，低頻信號(hào)則繼續(xù)傳遞到U6A的3腳，再通過(guò)U6A電壓跟隨器增強(qiáng)輸出能力，信號(hào)由U6A 的3腳進(jìn)入1腳輸出，C9、C10、C11、C13是電源濾波電容，高頻信號(hào)經(jīng)C10，C13流入大地，低頻信號(hào)經(jīng)C9，Cll流入大地，為U4提供穩(wěn)定電源。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，放大的電流信號(hào)經(jīng)濾波進(jìn)入R16，信號(hào)經(jīng)R16、 R17、C17、C12、U6B組成有源2階低通濾波和R19，C19組成的無(wú)源低通濾波系統(tǒng)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行3級(jí)低通濾波，進(jìn)入AD采集模塊；C22，C20, C29, C21為電源濾波電容，高頻信號(hào)經(jīng) C22, C20流入大地，低頻信號(hào)經(jīng)C29，C21流入大地，為U6B提供電源。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的AD采集模塊，CPU采用的I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線構(gòu)成。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，電壓采集是通過(guò)電壓隔離模塊實(shí)現(xiàn)的，E3，E4兩端的輸入電壓經(jīng)RV11，RV12限流后，由Ll進(jìn)行電壓采集隔離，Ll的4腳是偏置電壓輸入引腳， 隔離偏置后的電壓經(jīng)RV13、CV、R30、C31低通濾波后，進(jìn)入電壓信號(hào)調(diào)整模塊。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的電壓信號(hào)調(diào)整模塊其信號(hào)由OP端進(jìn)入， 經(jīng)R401 R410調(diào)整電阻和內(nèi)部電路，中央處理器控制S0，Si，S2的高低電平自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)至AD采集模塊。本實(shí)用新型的抽油機(jī)功率手持測(cè)試儀，是由電壓、電流、功率三個(gè)通道和微型單片機(jī)系統(tǒng)組成，配有強(qiáng)大的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理軟件，完成電壓、電流、有功功率、功率因素、視在功率、無(wú)功功率、電能等參數(shù)的測(cè)量、計(jì)算和顯示。其使用方法是進(jìn)行電能測(cè)試時(shí)，利用電流感應(yīng)模塊、電流壓隔離模塊和大容量存儲(chǔ)模塊來(lái)調(diào)取實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一些開(kāi)機(jī)初始化的參數(shù)值(電壓，電流，功率的系數(shù))，從平衡塊重心位于曲柄正上方(12點(diǎn)鐘位置)時(shí)開(kāi)始記錄，測(cè)試各項(xiàng)電能數(shù)據(jù)。通過(guò)內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)算得出抽油機(jī)的功率曲線圖，可以明確顯示出抽油機(jī)是否有做負(fù)功、反發(fā)電的情況出現(xiàn)，以此檢驗(yàn)抽油機(jī)是否平衡。通過(guò)軟件讀取所測(cè)試的電能數(shù)據(jù)并分析出抽油機(jī)的沖程周期和沖次，再根據(jù)平衡塊數(shù)、平衡塊單重及調(diào)整前的平衡半徑就可以進(jìn)行平衡分析，提出最優(yōu)平衡建議，進(jìn)行平衡調(diào)整后的參數(shù)預(yù)測(cè)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、能夠準(zhǔn)確測(cè)試、顯示并記錄抽油機(jī)的電壓、電流、系統(tǒng)頻率、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、單位時(shí)間耗電量等電力參數(shù)，并用功率曲線法判定抽油機(jī)的工況平衡度，反映真實(shí)工況，能直觀地顯示抽油機(jī)是否存在負(fù)功現(xiàn)象，給調(diào)整抽油機(jī)平衡度提供了可靠依據(jù)；[0017]2、克服傳統(tǒng)電參數(shù)測(cè)量?jī)x表只能在工頻狀態(tài)下測(cè)試弊病，在變頻狀態(tài)下也能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出各項(xiàng)電力參數(shù)；3、節(jié)約電能，利用配套的平衡仿真分析軟件讀取測(cè)試所得數(shù)據(jù)并分析出抽油機(jī)的沖程周期和沖次，再根據(jù)平衡塊數(shù)量、單重及調(diào)整前的平衡半徑，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行平衡分析， 提出最優(yōu)平衡建議，調(diào)整后消除了抽油機(jī)的負(fù)功現(xiàn)象，相對(duì)于電流平衡抽油機(jī)系統(tǒng)效率提高，大大地節(jié)約了電能；4、減少抽油機(jī)事故，延長(zhǎng)其使用壽命，能確保抽油機(jī)在平衡狀況下工作，延長(zhǎng)抽油機(jī)使用壽命5年以上。本實(shí)用新型測(cè)試出的抽油機(jī)各項(xiàng)電能數(shù)據(jù)結(jié)果為抽油機(jī)的平衡調(diào)節(jié)提供了重要的依據(jù)，根據(jù)軟件對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行平衡分析后提出的最優(yōu)平衡建議，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行平衡調(diào)整， 使抽油機(jī)處于減速器的輸出扭矩最小、系統(tǒng)效率最高的狀態(tài)，消除抽油機(jī)的負(fù)功現(xiàn)象，可以有效的達(dá)到保證抽油機(jī)運(yùn)行安全和節(jié)約電能的目的。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，用功率法消除負(fù)功， 將抽油機(jī)調(diào)整到平衡后，平均每臺(tái)抽油機(jī)日節(jié)電量可達(dá)9. 84 kff. h。

[0021]圖1為本實(shí)用新型的原理方框圖；[0022]圖2為本實(shí)用新型的電流感應(yīng)模塊電路；[0023]圖3為本實(shí)用新型的電流信號(hào)調(diào)整模塊電路之[0024]圖4為本實(shí)用新型的電流信號(hào)調(diào)整模塊電路之[0025]圖5為有源低通濾波圖；[0026]圖6為本實(shí)用新型的電壓隔離模塊電路圖；[0027]圖7為本實(shí)用新型的電壓信號(hào)調(diào)整模塊電路圖[0028]圖8為內(nèi)部總體示意圖；[0029]圖9為本實(shí)用新型的M位AD采集模塊電路圖[0030]圖10為I2C總線傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程圖；[0031]圖11為本實(shí)用新型的液晶顯示模塊電路之一；[0032]圖12為本實(shí)用新型的液晶顯示模塊電路之二 ；[0033]圖13為本實(shí)用新型的大容量存儲(chǔ)模塊電路圖；[0034]圖14為SPI設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程圖；[0035]圖15為本實(shí)用新型的中央處理器單元電路圖；[0036]圖16為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；[0037]圖17為本實(shí)用新型的按鍵布局圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例闡述如下。圖1中1是電流感應(yīng)模塊，2是電壓隔離模塊，3是電流信號(hào)調(diào)整模塊，4是電壓信號(hào)調(diào)整模塊，5是AD采集模塊，6是中央處理器，7是大容量存儲(chǔ)模塊，8是液晶顯示模塊，9 是按鍵輸入模塊。其中，電壓采集是利用電壓隔離模塊，對(duì)抽油機(jī)電機(jī)的電壓進(jìn)行采集，采用電壓隔離模塊可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，避免電網(wǎng)和變頻器的不良信號(hào)對(duì)儀器的干擾。電壓隔離模塊后端鏈接RC濾波電路經(jīng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，去除高頻信號(hào)。濾波和電壓信號(hào)調(diào)整模塊后的信號(hào)直接進(jìn)入AD采集模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。電流采集是首先通過(guò)霍爾器件感應(yīng)電流信號(hào)，霍爾器件的優(yōu)點(diǎn)是，感應(yīng)速度快，有隔離作用，頻率響應(yīng)范圍寬可以采集變頻信號(hào)。電流感應(yīng)模塊采用恒流恒壓供電。保證了模塊的穩(wěn)定性和精確度。通過(guò)電流感應(yīng)模塊采集到的信號(hào)輸入到電流信號(hào)調(diào)整模塊，首先感應(yīng)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器進(jìn)行差分放大，放大倍數(shù)通過(guò)電阻可調(diào)，經(jīng)一級(jí)RC濾波后， 有運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)跟隨，已提高信號(hào)的輸出能力，再經(jīng)運(yùn)放組成的2階濾波進(jìn)行信號(hào)的濾波去除高頻信號(hào)。最后進(jìn)入AD采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集。參數(shù)計(jì)算是通過(guò)采集濾波后的電壓電流信號(hào)進(jìn)入AD采集模塊，中央處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出電壓、電流、有功功率、功率因素、視在功率、無(wú)功功率、電能等參數(shù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則采用FAT16文件存儲(chǔ)系統(tǒng)，單次/連續(xù)記錄或讀數(shù)據(jù)，通過(guò)USB鏈接電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳分析。圖2中為本實(shí)用新型的電流感應(yīng)模塊，P3為霍爾傳感器插座，連接鉗形表中的霍爾傳感器，本實(shí)用新型采用4引腳雙霍爾傳感器進(jìn)行采集，可對(duì)電流型號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償。傳感器供電由V+進(jìn)入，經(jīng)傳感器內(nèi)部由QK輸出，但由于傳感器的個(gè)體差異性，采集的信號(hào)上下波形不對(duì)稱(chēng)，為此我們需要調(diào)節(jié)電位器R3電阻來(lái)調(diào)節(jié)雙傳感器內(nèi)部電阻使波形對(duì)稱(chēng)。V+ (5V)供正電壓，V-(-5V)供負(fù)電壓為霍爾傳感器提供恒定電流。D4為穩(wěn)壓芯片使R5兩端的電壓穩(wěn)定在(1. 25+5) V，這樣流過(guò)R5的電流1=6. 25V/R5,使霍爾傳感器工作在恒壓橫流狀態(tài)下，從而提高霍爾傳感器的穩(wěn)定性和精度。R4控制流過(guò)三極管9013 (Ql)的電流，由 V+提供一個(gè)基極偏置電壓，控制Ql的發(fā)射極和集電極流過(guò)的電流，使Ql工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 當(dāng)有電流輸入時(shí)，鏈接在P3的霍爾傳感器感應(yīng)出電壓，經(jīng)P3的3，7腳(adc-)和R3的adc+ 輸出。采集到的原始信號(hào)輸出到圖3中。圖3中，電流感應(yīng)模塊的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)U4的1，4腳(adc-，adc+)進(jìn)入U(xiǎn)4，由7腳輸出，傳感器感應(yīng)到的電流信號(hào)很微弱，需要經(jīng)過(guò)放大濾波才能進(jìn)行計(jì)算，所以首先要放大信號(hào)。通過(guò)R7電位器調(diào)節(jié)U4芯片的放大倍數(shù)，使感應(yīng)信號(hào)放大到規(guī)定的范圍內(nèi)(+1. 5V -1. 5V 之間)。由于AD采集模塊只能采集(T3.3V的電壓，所以要給信號(hào)一個(gè)偏置電壓，提升采集信號(hào)電壓，使采集到的信號(hào)在可采集范圍內(nèi)((T+3.3V)。U4放大后的信號(hào)經(jīng)R18，C18的RC 低通濾波后去除高頻信號(hào)，信號(hào)由R18左側(cè)進(jìn)入右側(cè)輸出，高頻信號(hào)經(jīng)C18上端流入C18下端流入大地，而低頻信號(hào)則繼續(xù)傳遞到U6A的3腳。再通過(guò)U6A電壓跟隨器增強(qiáng)輸出能力。 信號(hào)由U6A的3腳進(jìn)入1腳輸出。C9、CIO、ClU C13電源濾波電容，去除電源噪聲，高頻信號(hào)經(jīng)C10，C13流入大地，低頻信號(hào)經(jīng)C9，Cl 1流入大地，為U4提供穩(wěn)定，低噪聲的電源供電。 圖3信號(hào)輸出到圖4。圖4中，由圖3放大的電流信號(hào)經(jīng)濾波進(jìn)入圖4的R16，信號(hào)經(jīng)R16、R17、C17、 C12、U6B組成有源2階低通濾波(有源低通濾波見(jiàn)圖5)和R19，C19組成的無(wú)源低通濾波系統(tǒng)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行3級(jí)低通濾波，進(jìn)入AD采集模塊，從而提高儀器的精確度。 C22, C20, C29, C21為電源濾波電容，高頻信號(hào)經(jīng)C22，C20流入大地，低頻信號(hào)經(jīng)C29，C21流入大地，為U6B提供穩(wěn)定，低噪聲的電源供電。信號(hào)進(jìn)入圖9進(jìn)行AD采集。[0047]下表中，G (s)為濾波器的傳遞函數(shù)，c ( ω )為濾波器的幅頻特性，GO為濾波器的通帶增益或零頻增益，《c為一階濾波器的截止角頻率，ωη為二階濾波器的自然角頻率， ω0為帶通或帶阻濾波器的中心頻率，ε為2階濾波器的阻尼系數(shù)
權(quán)利要求1.抽油機(jī)功率手持測(cè)試儀，其特征是在測(cè)試儀本體的一端設(shè)有鉗形口，在測(cè)試儀本體與鉗形口的連接處設(shè)有扳機(jī)，在測(cè)試儀本體上設(shè)有顯示屏、按鍵、USB接口和電源輸入插口， 在測(cè)試儀內(nèi)設(shè)有SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡和電路系統(tǒng)，所述的電路系統(tǒng)是由電流感應(yīng)模塊，電流信號(hào)調(diào)整模塊，電壓隔離模塊，電壓信號(hào)調(diào)整模塊，AD采集模塊，按鍵輸入模塊，液晶顯示模塊， 大容量存儲(chǔ)模塊和中央處理器構(gòu)成，電流感應(yīng)模塊經(jīng)電流信號(hào)調(diào)整模塊與AD采集模塊連接、電壓隔離模塊經(jīng)電壓信號(hào)調(diào)整模塊與AD采集模塊連接，AD采集模塊與中央處理器連接，液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊和大容量存儲(chǔ)模塊均與中央處理器連接。
2.如權(quán)利要求1所述的抽油機(jī)功率手持測(cè)試儀，其特征在于所述的AD采集模塊，CPU 采用的I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線構(gòu)成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型的抽油機(jī)功率手持測(cè)試儀涉及一種智能功率測(cè)量?jī)x表，是在測(cè)試儀本體的一端設(shè)有鉗形口，在測(cè)試儀本體與鉗形口的連接處設(shè)有扳機(jī)，在測(cè)試儀本體上設(shè)有顯示屏、按鍵、USB接口和電源輸入插口，在測(cè)試儀內(nèi)設(shè)有SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡和電路系統(tǒng)。所述的電路系統(tǒng)，是電流感應(yīng)模塊經(jīng)電流信號(hào)調(diào)整模塊與AD采集模塊連接、電壓隔離模塊經(jīng)電壓信號(hào)調(diào)整模塊與AD采集模塊連接，AD采集模塊與中央處理器連接，液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊和大容量存儲(chǔ)模塊均與中央處理器連接。本實(shí)用新型能夠準(zhǔn)確測(cè)試、顯示并記錄抽油機(jī)的電壓、電流、系統(tǒng)頻率、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、單位時(shí)間耗電量等電力參數(shù)，并用功率曲線法判定抽油機(jī)的工況平衡度，反映真實(shí)工況，能直觀地顯示抽油機(jī)是否存在負(fù)功現(xiàn)象，給調(diào)整抽油機(jī)平衡度提供了可靠依據(jù)，減少抽油機(jī)事故，延長(zhǎng)其使用壽命，能確保抽油機(jī)在平衡狀況下工作，延長(zhǎng)抽油機(jī)使用壽命5年以上。
文檔編號(hào)G01R21/08GK202066905SQ20102065843
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者劉強(qiáng), 張峰, 曲鑫, 朱少華, 楊玉振, 鄒春雷 申請(qǐng)人:大慶百米馬流體控制系統(tǒng)有限公司