專利名稱：抽油機平衡的測試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油工業(yè)生產(chǎn)中抽油機平衡的測試方法及裝置。
二、技術(shù)背景游梁式抽油機是原油生產(chǎn)的主要設(shè)備，占抽油機總量的90％以上，其設(shè)備成本和耗電量占油田生產(chǎn)成本的比重非常大。游梁式抽油機工作于平衡狀態(tài)有非常重要的意義。一方面可延長抽油機的使用壽命，另一方面可節(jié)約大量電能。抽油機的平衡運行狀態(tài)就是指電動機在上下沖程中都做正功且相等。這是嚴(yán)格的理論公式。
目前抽油機平衡測試的主要方法是采用模擬式鉗型電流表，測量電動機上下沖程的電流峰值，用兩者中的小者比大者，即平衡率＝I小/I大，當(dāng)比值不小于80％既認(rèn)為達到了平衡狀態(tài)。這種方法被稱為電流法。很顯然，這種方法與平衡的定義差距較大(1)沒有考慮到電流在整個上下沖程的變化情況，更沒有考慮功率因素在上下沖程中的變化情況，只能是一種粗略的估計，誤差較大；(2)在實際操作上，由于在上下沖程中電流峰值所占的時間寬度窄，電流表的指針不斷擺動等因素的影響，測試人員僅靠眼的目測很難讀取準(zhǔn)確的數(shù)值；(3)某些嚴(yán)重不平衡的井，其下沖程(或上沖程)的電流在相位上已反相變成做負功的電流，而鉗型電流表無法區(qū)分電流的相位，仍把其當(dāng)成做正功的電流處理，這顯然得不出正確結(jié)果。
由于上述原因，電流法從理論和實際操作上都存在著很大的缺陷，準(zhǔn)確性較差，存在虛假平衡問題(即用鉗型電流表測試認(rèn)為抽油機處于平衡狀態(tài)，而實際上抽油機運行在不平衡狀態(tài))。以電流法作為平衡判定標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整的抽油機平衡經(jīng)常會出現(xiàn)調(diào)整后抽油機的日耗電量比調(diào)整前不但沒有減少，反而有所升高的現(xiàn)象，也就是說其離真正的平衡標(biāo)準(zhǔn)更遠，這更有力地說明了電流法的平衡測試方法存在明顯的弊端。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述測試抽油機工況平衡度存在的弊病提供一種新的抽油機平衡的測試方法及裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是通過以下方式實現(xiàn)的利用抽油機上沖程耗能與下沖程耗能平衡原理設(shè)計抽油機平衡測試裝置，用上下沖程所耗的小電能與大電能之比值判定抽油機工作工況的平衡度，將小于80％的比值通過調(diào)整抽油機的平衡塊，調(diào)為比值近似等于1。
本測試裝置由電流互感器、電壓互感器、乘法器、I/F變換器、判定上下死點的自助探頭、鍵盤控制、單片機CPU、通用端口、存儲器、液晶顯示和微型打印機組成，從電流互感器和電壓互感器中所取出的電流信號與電壓信號輸入乘法器，作瞬時相乘得到功率信號，輸入I/F變換器，I/F變換器的輸出脈沖頻率與輸入功率成正比，再用自動探頭測出的抽油機上、下沖程的死點控制CPU對I/F變換器輸出的脈沖進行記數(shù)，通過計算上下沖程的各自時間里的各自脈沖總數(shù)，計算出各自耗電總量，并儲存在存儲器里以備打印或直接打印出小電能與大電能的比值(即平衡度)。
以上所述的自動探頭由繞線軸、發(fā)條盒、齒輪組和多圈電位器組成。繞線軸與發(fā)條盒、主動齒輪是同軸，從動齒輪與多圈電位器是同軸，從動齒輪與主動齒輪相匹配，繞線軸上的拉線拴在抽油機驢頭上，驢頭向上死點運行(上沖程)將拉線拉長，繞線軸將發(fā)條卷緊，并帶動齒輪組轉(zhuǎn)動，同時帶動多圈電位器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，將驢頭位移變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化，當(dāng)驢頭向下死點運行(下沖程)時，在發(fā)條的作用下，自動探頭產(chǎn)生與上述相反的運動，記載驢頭下死點的位移情況。RP電阻值的變化在電源的作用下，又轉(zhuǎn)換成電壓的變化，從LM331的7腳輸入，從LM331的3腳輸出的脈沖信號再輸入89C58的T0口線，以備89C58的判斷處理。
本發(fā)明與鉗型電流表測試抽油機平衡的方法相比具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明記載了抽油機上下沖程各自耗能的總量，并用小電能與大電能之比判定抽油機工況平衡度，反映真實工況，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能直觀地顯示負功狀況，給調(diào)整抽油機平衡度提供了可靠依據(jù)。
2、節(jié)約電能，利用本發(fā)明所測得的平衡度，進行調(diào)整抽油機平衡度，平衡度達95％以上，與較不平衡工況運轉(zhuǎn)的抽油機比較，平均每臺抽油機每天可節(jié)電17.3度。
3、減少抽油機事故，延長其使用壽命，能確保抽油機在平衡狀況下工作，延長抽油機使用壽命5年以上。
4、延長檢泵周期，減少抽油桿斷脫次數(shù)。
四

圖1為本裝置的原理方框圖；圖2為本裝置的工作流程圖；圖3是以51系列單片機89C58為控制中心的裝置主板之一；圖4為以51系列單片機89C52為控制中心的裝置主板電路之二。
圖5、圖5｀、圖5｀｀是三相功率的測量電路；圖6是用于對測量數(shù)據(jù)長期保存的電路；圖7為裝置各部分所需的各種工作電源的電原理圖。
五具體實施例方式結(jié)合附圖對本實用新型的實施例闡述如下。
附圖1中1是電流互感器，2是電壓互感器，3是乘法器，4是I/F變換器，5是判定上下死點自動探頭，6是鍵盤控制，7是單片機CPU，8是通用端口、9是存儲器、10是液晶顯示器，11是微型打印機。
附圖2中1｀電源接通判定，2｀主菜單，30｀自動充電程序，4｀修改日期，5｀查看記錄，6｀顯示電源電量，7｀參數(shù)測量，8｀測量功率，9｀檢測功率正負，10｀輸入井號，11｀檢測位移信號找到上/下死點，12｀給89C52發(fā)測量信號，13｀測量完判定，14｀接收89C52的測量數(shù)據(jù)，15｀顯示/打印/存儲，16｀等待鍵入返回主菜單，17｀給89C52發(fā)測量信號，18｀接收數(shù)據(jù)并顯示。
圖3中1)89C58為內(nèi)部帶有32K程序存儲器的51系列單片機，在本設(shè)計中主要用來實現(xiàn)液晶顯示、打印、面板控制、菜單控制、定時中斷、長期保存數(shù)據(jù)以及抽油機上下死點判定等功能。2)DS1302為實時時鐘器件，主要用來為89C58提供實時的測試時間，其形式為XXXX年XX月XX日期XXXX(時分)，硬件上SCLK為串行時鐘線與89C58的P1.2口線相連，I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出線與89C58的P3.6口線相連，RST為復(fù)位端與89C58的P3.7口線相連。3)LM331為電壓一頻率變換器，其7腳為電壓輸入端，3腳為脈沖輸出端，且3腳輸出的脈沖頻率與7腳輸入的電壓成正比，本設(shè)計中LM331主要用來協(xié)助89C58進行抽油機上下死點的判定。本圖中的RP為10K的精密多圈電位器是判定上下死點的探頭的關(guān)鍵部件，探頭由多圈電位器RP、繞線軸、發(fā)條盒、齒輪組等組成。當(dāng)拉線拉出探頭時，拉線帶動齒輪，齒輪又帶動多圈電位器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，將位移變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化；當(dāng)拉線縮進探頭時，發(fā)條盒中的發(fā)條帶動齒輪，齒輪又帶動多圈電位器的轉(zhuǎn)軸向上述相反的方向轉(zhuǎn)動，將位移的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。在本圖中+8V電源的作用下，RP電阻值的變化又轉(zhuǎn)換為電壓的變化，于是在LM331的7腳便可獲得隨驢頭位移的變化而變化的電壓信號，那么在LM331的輸入端3腳便可輸出頻率與抽油機驢頭的位移成正比例的脈沖信號，此脈沖信號送入89C58的T0口線，以備89C58的判斷處理。4)FM為蜂鳴器，當(dāng)檢測到上死點或下死點時，蜂鳴器會發(fā)出一聲鳴響。LED為發(fā)光二級管，當(dāng)光線較暗時可從面板上按下“背光”按鍵，可使二極管發(fā)光以有利于觀看屏幕。K1為手動復(fù)位按鍵，設(shè)置在面板上。5)89C58的P2.0至P2.7口線設(shè)計成面板按鍵。6)P3.2口線的SCL為89C58與E2PROM24C64存儲器傳送數(shù)據(jù)時所需的串行時鐘線。P3.2口線的SDA為89C58與E2PROM24C64存儲器傳送數(shù)據(jù)的串行數(shù)據(jù)線。24C64為E2PROM存儲器，可長期保存數(shù)據(jù)。本設(shè)計中采用了4片24C64，如圖6所示。7)WR、RD、C/D是液晶顯示器的控制線，STB、BUSY是微型打印機的選通信號線及響應(yīng)信號線。89C58的PO口作為液晶顯示器與微型打印機的數(shù)據(jù)線。8)89C58與89C52的通信采用串行通信方式，89C58的TXD與89C52的RXD相連，89C58的RXD與89C52的TXD相連。9)89C58的INT(P3.5口線)為定時中斷，當(dāng)89C58檢測到上死點后，89C58每隔20ms向89C52的INT0口線發(fā)一個中斷請求信號，如圖4所示。
圖4中89C52為內(nèi)部帶有8K程序存儲器的51系列單片機。在本設(shè)計中主要用來測量抽油機上下沖程所耗電能及功率曲線。89C52與89C58的通信采用串行通信方式，89C52的RXD與89C58的TXD相連接，89C52的TXD與89C58的RXD相連接。QA、QB、QC是來自三相功率測量電路且能滿足單片機要求的脈沖信號，脈沖頻率分別與三相功率成正比。REVP1、REVP2、REVP3分別來自三片AD7755的REVP端，用來檢測A、B、C三相的負功率情況。如圖5、圖5｀、圖5｀｀所示。89C52的INT0口線的INT為來自89C58的定時中斷信號。62256為RAM存儲器芯片，用來暫時存放測量結(jié)果。HC573為地址鎖存器，設(shè)計中用了兩片HC573，其中一片用來鎖存62256的低8位地址，另一片HC573的8位輸出中4位用于充電控制(control charger)，3位用于AD0809的通道選擇，89C52的PO口作為62256與AD0809的數(shù)據(jù)線。圖中AD0809是備將來裝置功能擴展而用的。結(jié)點battery為電池充電檢測端，當(dāng)電池插上交流電源充電時，battery端為高電位，此接點與89C52的P1.7口線相連接，當(dāng)裝置通電工作時，首先檢測P1.7口線，若為高電位，則轉(zhuǎn)入對電池的充電控制，否則轉(zhuǎn)入測量主菜單，如圖2所示。注本裝置采用12V充電電池供電。
圖5、圖5｀、圖5｀｀是三相功率的測量電路。其中，圖5是電動機A相的功率測量電路，A相電流和電壓的取樣信號分別經(jīng)電流互感器和電壓互感器取出，電流取樣信號加到AD7755的V1P、V1N兩端，電壓取樣信號加到AD7755的V2P、V2N兩端，AD7755為電能計量集成塊，電流、電壓取樣信號經(jīng)AD7755內(nèi)部轉(zhuǎn)換，從CF輸出端便可輸出脈沖頻率與A相有功功率成正比的脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)74HC123單穩(wěn)展寬電路，從Q｀端輸出以滿足51系列單片機對脈沖信號的要求，這樣結(jié)點QA輸出的脈沖信號即為頻率與A相有功功率成正比的脈沖信號，結(jié)點QA連接到單片機89C52的T0口線，REVP1連接到89C52的P1.1口線，用以檢測A相的負功率情況。圖5｀與圖5完全相同，只不過圖5｀用來測量B相的有功功率，結(jié)點QB連接到彈片機89C52的T1口線，REVP2連接到89C52的P1.2口線，用以檢測B相的負功率情況。圖5｀｀與圖5完全相同，只不過圖5｀｀用來測量C相的有功功率，結(jié)點Qc連接到彈片機89C52的T2口線，REVP3連接到89C52的P3.3口線，用以檢測C相的負功率情況。
圖6中24C64為串行E2PROM存儲器，每片為8K字節(jié)，本設(shè)計中采用了4片。片與片之間通過A2 A1 A0的接線相區(qū)分。本設(shè)計中4片24C64的A2 A1 A0分別為000、001、010、011。其中SCL為串行時鐘線，SDA為串行數(shù)據(jù)線。每片24C64的SCL都與89C58的P3.2口線相連接，SDA都與89C58的P3.3口線相連接，如圖3所示。
具體實施例(1)抽油機電動機的A相電流和電壓的取樣信號分別經(jīng)電流互感器和電壓互感器取出，如圖5所示，電流取樣信號加到AD7755的V1P、V1N兩端，電壓取樣信號加到AD7755的V2P、V2N兩端。AD7755為電能計量集成塊，電流、電壓取樣信號經(jīng)AD7755內(nèi)部轉(zhuǎn)換，從CF輸出端便可輸出脈沖頻率與A相有功功率成正比的脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)74HC123單穩(wěn)展寬電路從Q｀端輸出以滿足51系列單片機對脈沖信號的要求，這樣結(jié)點QA輸出的脈沖信號即為頻率與A相有功功率成正比的脈沖信號，結(jié)點QA連接到單片機89C52的T0口線，如圖4、5所示。同理，QB結(jié)點輸出頻率與B相有功功率成正比的脈沖信號，QC結(jié)點輸出頻率與C相有功功率成正比的脈沖信號。結(jié)點QB、QC分別連接到單片機89C52的T1、T2口線，如圖4、圖5｀、圖5｀｀所示。三片AD7755的REVP1、REVP2、REVP3三個輸出端分別與單片機89C52的P1.1 P1.2 P3.3三根口線相連接，其作用是分別檢測A、B、C三相的負功率情況，如圖4所示。主CPU控制處理中心由51系列的89C52、89C58兩片單片機通過串行通信構(gòu)成。89C58的TXD連接至89C52的RXD，89C58的RXD連接至89C52的TXD，如圖3、圖4所示。89C58為內(nèi)部帶有32K程序存儲器的51系列單片機，在本設(shè)計中主要用來實現(xiàn)液晶顯示、打印、面板控制、菜單控制、定時中斷、長期保存數(shù)據(jù)以及抽油機上下死點判定等功能。89C52為內(nèi)部帶有8K程序存儲器的51系列單片機。在本設(shè)計中主要用來測量抽油機上下沖程所耗電能及功率曲線。用來獲取電動機三相電壓、電流取樣信號的連接端子和活動開口的電流互感器接入電動機控制柜。
(2)用來判定上下死點的探頭，其拉線鉤掛于抽油機驢頭上。
(3)合上裝置電源開關(guān)，從屏幕菜單上選擇“功率測量”，按“確認(rèn)”鍵后再按“開始”鍵。
(4)驢頭上行時，將探頭中的拉線拉出，拉線帶動齒輪，齒輪又帶動多圈電位器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；驢頭下行時，探頭中的彈性發(fā)條帶動齒輪反向轉(zhuǎn)動，以回收拉線，同時帶動多圈電位器的轉(zhuǎn)軸反向轉(zhuǎn)動，于是驢頭位移的變化便通過多圈電位器轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。在+8V電源的作用下又將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，如圖3所示。在LM331電壓一頻率變換器集成塊的7腳便可獲得隨驢頭位移的變化而變化的電壓信號，于是在LM331的輸入端3腳便可輸出頻率與抽油機驢頭的位移成正比例的脈沖信號，此信號送入89C58的T0口線，并在軟件的協(xié)助下首先對上死點進行判定，即首先尋找上死點。一旦檢測到上死點，裝置便進入對抽油機下沖程的功率與耗能測量階段。89C58檢測到上死點時，便開始每隔20ms從89C58的P3.5口線向89C52的INT0口線發(fā)出一個中斷信號，89C52響應(yīng)中斷后轉(zhuǎn)入中斷處理程序，在此中斷處理程序中，89C52通過T0、T1、T2計數(shù)器測量電動機下沖程時的有功功率，并將數(shù)據(jù)暫存于62256隨機存儲器中，然后響應(yīng)中斷次數(shù)計數(shù)器加1，并判斷中斷次數(shù)是否大于5。若不大于5，等待下一次中斷，若大于5，則響應(yīng)中斷次數(shù)計數(shù)器清零。然后令89C58對驢頭位移信號檢測一次，并判斷是否為下死點，若不是下死點，則89C52繼續(xù)下沖程功率的測量，若是下死點，則89C52通過軟件將下沖程所耗電能計算出來，并送62256暫存，接著開始上沖程功率與耗能的測量，其測量過程與下沖程類似，直到再次檢測到上死點，則89C52通過軟件將上沖程所耗電能計算出來，并送62256暫存，然后發(fā)出測量結(jié)束信號，并在液晶顯示屏幕上顯示出上下沖程的功率曲線、上下沖程所耗電能、抽油機平衡率及測量時間等。從面板上按下“存儲”鍵，然后再按“確認(rèn)”鍵，可將本次測量的所有數(shù)據(jù)存入串行E2PROM芯片24C64存儲器中作長期保存，如圖6、圖3所示。
(5)從“查看記錄”菜單選擇所需打印的井號，并顯示其測量曲線，然后按“打印”鍵，可打印出此井的上下沖程功率曲線、上下沖程所耗電能、平衡率及測試時間等。
(6)DS1302為實時時鐘器件，本設(shè)計主要用來為89C58提供實時的測試時間，其形式為XXXX年XX月XX日期XXXX(時分)，硬件上SCLK為串行時鐘線與89C58的P1.2口線相連，I/O為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出線，與89C58的P3.6口線相連，RST為復(fù)位端與89C58的P3.7口線相連，如圖3所示。
(7)24C64為串行E2PROM存儲器，每片為8K字節(jié)，本設(shè)計中采用了4片。片與片之間通過A2 A1 A0的接線相區(qū)分。本設(shè)計中4片24C64的A2 A1A0分別為000、001、010、011。其中SCL為串行時鐘線，SDA為串行數(shù)據(jù)線。每片24C64的SCL都與89C58的P3.2口線相連接，SDA都與89C58的P3.3口線相連接，如圖3、圖6所示。
(8)FM為蜂鳴器，當(dāng)檢測到上死點或下死點時，蜂鳴器會發(fā)出一聲鳴響。如圖3所示。
(9)LED為發(fā)光二級管，當(dāng)光線較暗時，可從面板上按下“背光”按鍵，可使二極管發(fā)光以有利于觀看屏幕，如圖3所示。
(10)K1為手動復(fù)位按鍵，設(shè)置在面板上。如圖3所示。
(11)89C58的P2.0到P2.7口線設(shè)計成面板按鍵，如圖3所示。
(12)89C58的P1.0、P1.1、P1.3口線分別與液晶顯示器的WR、RD、C/D相連接，作為液晶顯示器的控制信號。89C58的P1.6、P1.7分別與微型打印機的STB、BUSY線相連接，作為打印機的選通信號與響應(yīng)信號線。89C58的P0口作為液晶顯示器與微型打印機的數(shù)據(jù)線如圖3所示。
(13)62256為RAM存儲芯片，本設(shè)計中用來暫時存放測量數(shù)據(jù)。HC573為地址鎖存器，本設(shè)計中用了兩片HC573。其中一片用來鎖存62256的低8位地址，另一片HC573的8位輸出中4位用于充電控制，3位用于AD0809的通道選擇，如圖4所示。
(14)結(jié)點battery為電池充電檢測端，當(dāng)電池插上交流電源充電時，battery端為高電位，此接點與89C52的P1.7口線相連接。當(dāng)裝置通電工作時，首先檢測P1.7口線，若為高電位，則轉(zhuǎn)入對電池的充電控制，否則轉(zhuǎn)入測量主菜單，如圖2、圖4所示。
注本裝置采用12V充電電池供電。圖4中的AD0809是備將來裝置功能擴展而用的。
權(quán)利要求
1.一種用于抽油機井生產(chǎn)的抽油機平衡的測試方法，其特征是利用抽油機上沖程耗能與下沖程耗能平衡原理設(shè)計抽油機平衡測試裝置儀，用上下沖程所耗的小電能與大電能之比值判定抽油機工況的平衡度，將小于80％的比值通過調(diào)整抽油機的平衡塊，調(diào)為比值近似等于1。
2.一種用于游梁抽油機井生產(chǎn)的抽油機平衡的測試裝置，由電流互感器、電壓互感器、I/F變換器、自動探頭、鍵盤控制、單片機CPU、通用端口、存儲器、液晶顯示和微型打印機組成，其特征是用電壓互感器，電流互感器所取出的電壓信號與電流信號在乘法器中作瞬時相乘得到的功率信號，輸入I/F變換器，I/F變換器的輸出脈沖頻率與輸入功率成正比，再用自動探頭測出的抽油機上、下沖程的死點控制CPU對I/F變換器輸出的脈沖進行記數(shù)，通過計算上下沖程的各自時間里的各自脈沖總數(shù)計算出各自耗電總量，并儲存在存儲器里，備打印或直接打印比值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抽油機平衡的測試裝置，其特征是自動探頭由繞線軸、發(fā)條盒、齒輪組、多圈電位器RP組成，繞線軸與發(fā)條盒、主動齒輪是同軸，從動齒輪與主動齒輪相匹配，繞線軸上的拉線拴在抽油機驢頭上，驢頭向上死點運行將拉線拉長，繞線軸將發(fā)條卷緊，并帶動齒輪組轉(zhuǎn)動，同時帶動多圈電位器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，將驢頭位移變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化，當(dāng)驢頭向下死點運行時，在發(fā)條的作用下，探頭產(chǎn)生與上述相反的運動，記載驢頭下死點的位移，情況電阻值的變化在電源的作用下又轉(zhuǎn)換成電壓的變化，從LM331的7腳輸入，從LM331的3腳輸出脈沖信號再輸入89C58的T0口線，以備89C58的判斷處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于抽油機生產(chǎn)的抽油機平衡的測試方法及裝置。利用抽油機上沖程耗能與下沖程耗能平衡原理設(shè)計抽油機平衡測試裝置,用上下沖程所耗的小電能與大電能之比值判定抽油機工作工況的平衡度,將小于80%的比值通過調(diào)整抽油機的平衡塊,調(diào)為比值近似等于1,即從裝置中的電壓互感器、電流互感器里取出電壓信號和電流信號在乘法器中作瞬時相乘得到功率信號,輸入I/F變換器,輸出脈沖頻率,且與輸入功率成正比,再用自動探頭測出的上、下沖程的死點控制CPU對I/F變換器輸出的脈沖進行計數(shù),計算出各自耗電總量,并存儲或直接打印出比值即平衡度。
文檔編號E21B43/12GK1367304SQ0210994
公開日2002年9月4日 申請日期2002年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月26日
發(fā)明者張愛興, 李風(fēng)閣, 葛珺, 王吉叢, 龔爭輝 申請人:中國石化勝利油田有限公司孤島采油廠