专利名称：抽油机平衡的测试方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于石油工业生产中抽油机平衡的测试方法及装置。
二、技术背景游梁式抽油机是原油生产的主要设备，占抽油机总量的90％以上，其设备成本和耗电量占油田生产成本的比重非常大。游梁式抽油机工作于平衡状态有非常重要的意义。一方面可延长抽油机的使用寿命，另一方面可节约大量电能。抽油机的平衡运行状态就是指电动机在上下冲程中都做正功且相等。这是严格的理论公式。
目前抽油机平衡测试的主要方法是采用模拟式钳型电流表，测量电动机上下冲程的电流峰值，用两者中的小者比大者，即平衡率＝I小/I大，当比值不小于80％既认为达到了平衡状态。这种方法被称为电流法。很显然，这种方法与平衡的定义差距较大(1)没有考虑到电流在整个上下冲程的变化情况，更没有考虑功率因素在上下冲程中的变化情况，只能是一种粗略的估计，误差较大；(2)在实际操作上，由于在上下冲程中电流峰值所占的时间宽度窄，电流表的指针不断摆动等因素的影响，测试人员仅靠眼的目测很难读取准确的数值；(3)某些严重不平衡的井，其下冲程(或上冲程)的电流在相位上已反相变成做负功的电流，而钳型电流表无法区分电流的相位，仍把其当成做正功的电流处理，这显然得不出正确结果。
由于上述原因，电流法从理论和实际操作上都存在着很大的缺陷，准确性较差，存在虚假平衡问题(即用钳型电流表测试认为抽油机处于平衡状态，而实际上抽油机运行在不平衡状态)。以电流法作为平衡判定标准来调整的抽油机平衡经常会出现调整后抽油机的日耗电量比调整前不但没有减少，反而有所升高的现象，也就是说其离真正的平衡标准更远，这更有力地说明了电流法的平衡测试方法存在明显的弊端。
发明内容
本发明为了克服上述测试抽油机工况平衡度存在的弊病提供一种新的抽油机平衡的测试方法及装置。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的利用抽油机上冲程耗能与下冲程耗能平衡原理设计抽油机平衡测试装置，用上下冲程所耗的小电能与大电能之比值判定抽油机工作工况的平衡度，将小于80％的比值通过调整抽油机的平衡块，调为比值近似等于1。
本测试装置由电流互感器、电压互感器、乘法器、I/F变换器、判定上下死点的自助探头、键盘控制、单片机CPU、通用端口、存储器、液晶显示和微型打印机组成，从电流互感器和电压互感器中所取出的电流信号与电压信号输入乘法器，作瞬时相乘得到功率信号，输入I/F变换器，I/F变换器的输出脉冲频率与输入功率成正比，再用自动探头测出的抽油机上、下冲程的死点控制CPU对I/F变换器输出的脉冲进行记数，通过计算上下冲程的各自时间里的各自脉冲总数，计算出各自耗电总量，并储存在存储器里以备打印或直接打印出小电能与大电能的比值(即平衡度)。
以上所述的自动探头由绕线轴、发条盒、齿轮组和多圈电位器组成。绕线轴与发条盒、主动齿轮是同轴，从动齿轮与多圈电位器是同轴，从动齿轮与主动齿轮相匹配，绕线轴上的拉线拴在抽油机驴头上，驴头向上死点运行(上冲程)将拉线拉长，绕线轴将发条卷紧，并带动齿轮组转动，同时带动多圈电位器的转轴转动，将驴头位移变化转化为电阻值变化，当驴头向下死点运行(下冲程)时，在发条的作用下，自动探头产生与上述相反的运动，记载驴头下死点的位移情况。RP电阻值的变化在电源的作用下，又转换成电压的变化，从LM331的7脚输入，从LM331的3脚输出的脉冲信号再输入89C58的T0口线，以备89C58的判断处理。
本发明与钳型电流表测试抽油机平衡的方法相比具有以下优点1、本发明记载了抽油机上下冲程各自耗能的总量，并用小电能与大电能之比判定抽油机工况平衡度，反映真实工况，测试数据准确，能直观地显示负功状况，给调整抽油机平衡度提供了可靠依据。
2、节约电能，利用本发明所测得的平衡度，进行调整抽油机平衡度，平衡度达95％以上，与较不平衡工况运转的抽油机比较，平均每台抽油机每天可节电17.3度。
3、减少抽油机事故，延长其使用寿命，能确保抽油机在平衡状况下工作，延长抽油机使用寿命5年以上。
4、延长检泵周期，减少抽油杆断脱次数。
四
图1为本装置的原理方框图；图2为本装置的工作流程图；图3是以51系列单片机89C58为控制中心的装置主板之一；图4为以51系列单片机89C52为控制中心的装置主板电路之二。
图5、图5｀、图5｀｀是三相功率的测量电路；图6是用于对测量数据长期保存的电路；图7为装置各部分所需的各种工作电源的电原理图。
五具体实施例方式结合附图对本实用新型的实施例阐述如下。
附图1中1是电流互感器，2是电压互感器，3是乘法器，4是I/F变换器，5是判定上下死点自动探头，6是键盘控制，7是单片机CPU，8是通用端口、9是存储器、10是液晶显示器，11是微型打印机。
附图2中1｀电源接通判定，2｀主菜单，30｀自动充电程序，4｀修改日期，5｀查看记录，6｀显示电源电量，7｀参数测量，8｀测量功率，9｀检测功率正负，10｀输入井号，11｀检测位移信号找到上/下死点，12｀给89C52发测量信号，13｀测量完判定，14｀接收89C52的测量数据，15｀显示/打印/存储，16｀等待键入返回主菜单，17｀给89C52发测量信号，18｀接收数据并显示。
图3中1)89C58为内部带有32K程序存储器的51系列单片机，在本设计中主要用来实现液晶显示、打印、面板控制、菜单控制、定时中断、长期保存数据以及抽油机上下死点判定等功能。2)DS1302为实时时钟器件，主要用来为89C58提供实时的测试时间，其形式为XXXX年XX月XX日期XXXX(时分)，硬件上SCLK为串行时钟线与89C58的P1.2口线相连，I/O为串行数据输入输出线与89C58的P3.6口线相连，RST为复位端与89C58的P3.7口线相连。3)LM331为电压一频率变换器，其7脚为电压输入端，3脚为脉冲输出端，且3脚输出的脉冲频率与7脚输入的电压成正比，本设计中LM331主要用来协助89C58进行抽油机上下死点的判定。本图中的RP为10K的精密多圈电位器是判定上下死点的探头的关键部件，探头由多圈电位器RP、绕线轴、发条盒、齿轮组等组成。当拉线拉出探头时，拉线带动齿轮，齿轮又带动多圈电位器的转轴转动，将位移变化转换为电阻值的变化；当拉线缩进探头时，发条盒中的发条带动齿轮，齿轮又带动多圈电位器的转轴向上述相反的方向转动，将位移的变化转换为电阻值的变化。在本图中+8V电源的作用下，RP电阻值的变化又转换为电压的变化，于是在LM331的7脚便可获得随驴头位移的变化而变化的电压信号，那么在LM331的输入端3脚便可输出频率与抽油机驴头的位移成正比例的脉冲信号，此脉冲信号送入89C58的T0口线，以备89C58的判断处理。4)FM为蜂鸣器，当检测到上死点或下死点时，蜂鸣器会发出一声鸣响。LED为发光二级管，当光线较暗时可从面板上按下“背光”按键，可使二极管发光以有利于观看屏幕。K1为手动复位按键，设置在面板上。5)89C58的P2.0至P2.7口线设计成面板按键。6)P3.2口线的SCL为89C58与E2PROM24C64存储器传送数据时所需的串行时钟线。P3.2口线的SDA为89C58与E2PROM24C64存储器传送数据的串行数据线。24C64为E2PROM存储器，可长期保存数据。本设计中采用了4片24C64，如图6所示。7)WR、RD、C/D是液晶显示器的控制线，STB、BUSY是微型打印机的选通信号线及响应信号线。89C58的PO口作为液晶显示器与微型打印机的数据线。8)89C58与89C52的通信采用串行通信方式，89C58的TXD与89C52的RXD相连，89C58的RXD与89C52的TXD相连。9)89C58的INT(P3.5口线)为定时中断，当89C58检测到上死点后，89C58每隔20ms向89C52的INT0口线发一个中断请求信号，如图4所示。
图4中89C52为内部带有8K程序存储器的51系列单片机。在本设计中主要用来测量抽油机上下冲程所耗电能及功率曲线。89C52与89C58的通信采用串行通信方式，89C52的RXD与89C58的TXD相连接，89C52的TXD与89C58的RXD相连接。QA、QB、QC是来自三相功率测量电路且能满足单片机要求的脉冲信号，脉冲频率分别与三相功率成正比。REVP1、REVP2、REVP3分别来自三片AD7755的REVP端，用来检测A、B、C三相的负功率情况。如图5、图5｀、图5｀｀所示。89C52的INT0口线的INT为来自89C58的定时中断信号。62256为RAM存储器芯片，用来暂时存放测量结果。HC573为地址锁存器，设计中用了两片HC573，其中一片用来锁存62256的低8位地址，另一片HC573的8位输出中4位用于充电控制(control charger)，3位用于AD0809的通道选择，89C52的PO口作为62256与AD0809的数据线。图中AD0809是备将来装置功能扩展而用的。结点battery为电池充电检测端，当电池插上交流电源充电时，battery端为高电位，此接点与89C52的P1.7口线相连接，当装置通电工作时，首先检测P1.7口线，若为高电位，则转入对电池的充电控制，否则转入测量主菜单，如图2所示。注本装置采用12V充电电池供电。
图5、图5｀、图5｀｀是三相功率的测量电路。其中，图5是电动机A相的功率测量电路，A相电流和电压的取样信号分别经电流互感器和电压互感器取出，电流取样信号加到AD7755的V1P、V1N两端，电压取样信号加到AD7755的V2P、V2N两端，AD7755为电能计量集成块，电流、电压取样信号经AD7755内部转换，从CF输出端便可输出脉冲频率与A相有功功率成正比的脉冲信号，此脉冲信号经74HC123单稳展宽电路，从Q｀端输出以满足51系列单片机对脉冲信号的要求，这样结点QA输出的脉冲信号即为频率与A相有功功率成正比的脉冲信号，结点QA连接到单片机89C52的T0口线，REVP1连接到89C52的P1.1口线，用以检测A相的负功率情况。图5｀与图5完全相同，只不过图5｀用来测量B相的有功功率，结点QB连接到弹片机89C52的T1口线，REVP2连接到89C52的P1.2口线，用以检测B相的负功率情况。图5｀｀与图5完全相同，只不过图5｀｀用来测量C相的有功功率，结点Qc连接到弹片机89C52的T2口线，REVP3连接到89C52的P3.3口线，用以检测C相的负功率情况。
图6中24C64为串行E2PROM存储器，每片为8K字节，本设计中采用了4片。片与片之间通过A2 A1 A0的接线相区分。本设计中4片24C64的A2 A1 A0分别为000、001、010、011。其中SCL为串行时钟线，SDA为串行数据线。每片24C64的SCL都与89C58的P3.2口线相连接，SDA都与89C58的P3.3口线相连接，如图3所示。
具体实施例(1)抽油机电动机的A相电流和电压的取样信号分别经电流互感器和电压互感器取出，如图5所示，电流取样信号加到AD7755的V1P、V1N两端，电压取样信号加到AD7755的V2P、V2N两端。AD7755为电能计量集成块，电流、电压取样信号经AD7755内部转换，从CF输出端便可输出脉冲频率与A相有功功率成正比的脉冲信号，此脉冲信号经74HC123单稳展宽电路从Q｀端输出以满足51系列单片机对脉冲信号的要求，这样结点QA输出的脉冲信号即为频率与A相有功功率成正比的脉冲信号，结点QA连接到单片机89C52的T0口线，如图4、5所示。同理，QB结点输出频率与B相有功功率成正比的脉冲信号，QC结点输出频率与C相有功功率成正比的脉冲信号。结点QB、QC分别连接到单片机89C52的T1、T2口线，如图4、图5｀、图5｀｀所示。三片AD7755的REVP1、REVP2、REVP3三个输出端分别与单片机89C52的P1.1 P1.2 P3.3三根口线相连接，其作用是分别检测A、B、C三相的负功率情况，如图4所示。主CPU控制处理中心由51系列的89C52、89C58两片单片机通过串行通信构成。89C58的TXD连接至89C52的RXD，89C58的RXD连接至89C52的TXD，如图3、图4所示。89C58为内部带有32K程序存储器的51系列单片机，在本设计中主要用来实现液晶显示、打印、面板控制、菜单控制、定时中断、长期保存数据以及抽油机上下死点判定等功能。89C52为内部带有8K程序存储器的51系列单片机。在本设计中主要用来测量抽油机上下冲程所耗电能及功率曲线。用来获取电动机三相电压、电流取样信号的连接端子和活动开口的电流互感器接入电动机控制柜。
(2)用来判定上下死点的探头，其拉线钩挂于抽油机驴头上。
(3)合上装置电源开关，从屏幕菜单上选择“功率测量”，按“确认”键后再按“开始”键。
(4)驴头上行时，将探头中的拉线拉出，拉线带动齿轮，齿轮又带动多圈电位器的转轴转动；驴头下行时，探头中的弹性发条带动齿轮反向转动，以回收拉线，同时带动多圈电位器的转轴反向转动，于是驴头位移的变化便通过多圈电位器转换成电阻值的变化。在+8V电源的作用下又将电阻值的变化转换为电压的变化，如图3所示。在LM331电压一频率变换器集成块的7脚便可获得随驴头位移的变化而变化的电压信号，于是在LM331的输入端3脚便可输出频率与抽油机驴头的位移成正比例的脉冲信号，此信号送入89C58的T0口线，并在软件的协助下首先对上死点进行判定，即首先寻找上死点。一旦检测到上死点，装置便进入对抽油机下冲程的功率与耗能测量阶段。89C58检测到上死点时，便开始每隔20ms从89C58的P3.5口线向89C52的INT0口线发出一个中断信号，89C52响应中断后转入中断处理程序，在此中断处理程序中，89C52通过T0、T1、T2计数器测量电动机下冲程时的有功功率，并将数据暂存于62256随机存储器中，然后响应中断次数计数器加1，并判断中断次数是否大于5。若不大于5，等待下一次中断，若大于5，则响应中断次数计数器清零。然后令89C58对驴头位移信号检测一次，并判断是否为下死点，若不是下死点，则89C52继续下冲程功率的测量，若是下死点，则89C52通过软件将下冲程所耗电能计算出来，并送62256暂存，接着开始上冲程功率与耗能的测量，其测量过程与下冲程类似，直到再次检测到上死点，则89C52通过软件将上冲程所耗电能计算出来，并送62256暂存，然后发出测量结束信号，并在液晶显示屏幕上显示出上下冲程的功率曲线、上下冲程所耗电能、抽油机平衡率及测量时间等。从面板上按下“存储”键，然后再按“确认”键，可将本次测量的所有数据存入串行E2PROM芯片24C64存储器中作长期保存，如图6、图3所示。
(5)从“查看记录”菜单选择所需打印的井号，并显示其测量曲线，然后按“打印”键，可打印出此井的上下冲程功率曲线、上下冲程所耗电能、平衡率及测试时间等。
(6)DS1302为实时时钟器件，本设计主要用来为89C58提供实时的测试时间，其形式为XXXX年XX月XX日期XXXX(时分)，硬件上SCLK为串行时钟线与89C58的P1.2口线相连，I/O为串行数据输入/输出线，与89C58的P3.6口线相连，RST为复位端与89C58的P3.7口线相连，如图3所示。
(7)24C64为串行E2PROM存储器，每片为8K字节，本设计中采用了4片。片与片之间通过A2 A1 A0的接线相区分。本设计中4片24C64的A2 A1A0分别为000、001、010、011。其中SCL为串行时钟线，SDA为串行数据线。每片24C64的SCL都与89C58的P3.2口线相连接，SDA都与89C58的P3.3口线相连接，如图3、图6所示。
(8)FM为蜂鸣器，当检测到上死点或下死点时，蜂鸣器会发出一声鸣响。如图3所示。
(9)LED为发光二级管，当光线较暗时，可从面板上按下“背光”按键，可使二极管发光以有利于观看屏幕，如图3所示。
(10)K1为手动复位按键，设置在面板上。如图3所示。
(11)89C58的P2.0到P2.7口线设计成面板按键，如图3所示。
(12)89C58的P1.0、P1.1、P1.3口线分别与液晶显示器的WR、RD、C/D相连接，作为液晶显示器的控制信号。89C58的P1.6、P1.7分别与微型打印机的STB、BUSY线相连接，作为打印机的选通信号与响应信号线。89C58的P0口作为液晶显示器与微型打印机的数据线如图3所示。
(13)62256为RAM存储芯片，本设计中用来暂时存放测量数据。HC573为地址锁存器，本设计中用了两片HC573。其中一片用来锁存62256的低8位地址，另一片HC573的8位输出中4位用于充电控制，3位用于AD0809的通道选择，如图4所示。
(14)结点battery为电池充电检测端，当电池插上交流电源充电时，battery端为高电位，此接点与89C52的P1.7口线相连接。当装置通电工作时，首先检测P1.7口线，若为高电位，则转入对电池的充电控制，否则转入测量主菜单，如图2、图4所示。
注本装置采用12V充电电池供电。图4中的AD0809是备将来装置功能扩展而用的。
权利要求
1.一种用于抽油机井生产的抽油机平衡的测试方法，其特征是利用抽油机上冲程耗能与下冲程耗能平衡原理设计抽油机平衡测试装置仪，用上下冲程所耗的小电能与大电能之比值判定抽油机工况的平衡度，将小于80％的比值通过调整抽油机的平衡块，调为比值近似等于1。
2.一种用于游梁抽油机井生产的抽油机平衡的测试装置，由电流互感器、电压互感器、I/F变换器、自动探头、键盘控制、单片机CPU、通用端口、存储器、液晶显示和微型打印机组成，其特征是用电压互感器，电流互感器所取出的电压信号与电流信号在乘法器中作瞬时相乘得到的功率信号，输入I/F变换器，I/F变换器的输出脉冲频率与输入功率成正比，再用自动探头测出的抽油机上、下冲程的死点控制CPU对I/F变换器输出的脉冲进行记数，通过计算上下冲程的各自时间里的各自脉冲总数计算出各自耗电总量，并储存在存储器里，备打印或直接打印比值。
3.根据权利要求2所述的抽油机平衡的测试装置，其特征是自动探头由绕线轴、发条盒、齿轮组、多圈电位器RP组成，绕线轴与发条盒、主动齿轮是同轴，从动齿轮与主动齿轮相匹配，绕线轴上的拉线拴在抽油机驴头上，驴头向上死点运行将拉线拉长，绕线轴将发条卷紧，并带动齿轮组转动，同时带动多圈电位器的转轴转动，将驴头位移变化转化为电阻值变化，当驴头向下死点运行时，在发条的作用下，探头产生与上述相反的运动，记载驴头下死点的位移，情况电阻值的变化在电源的作用下又转换成电压的变化，从LM331的7脚输入，从LM331的3脚输出脉冲信号再输入89C58的T0口线，以备89C58的判断处理。
全文摘要
本发明公开了一种用于抽油机生产的抽油机平衡的测试方法及装置。利用抽油机上冲程耗能与下冲程耗能平衡原理设计抽油机平衡测试装置,用上下冲程所耗的小电能与大电能之比值判定抽油机工作工况的平衡度,将小于80%的比值通过调整抽油机的平衡块,调为比值近似等于1,即从装置中的电压互感器、电流互感器里取出电压信号和电流信号在乘法器中作瞬时相乘得到功率信号,输入I/F变换器,输出脉冲频率,且与输入功率成正比,再用自动探头测出的上、下冲程的死点控制CPU对I/F变换器输出的脉冲进行计数,计算出各自耗电总量,并存储或直接打印出比值即平衡度。
文档编号E21B43/12GK1367304SQ0210994
公开日2002年9月4日 申请日期2002年1月26日 优先权日2002年1月26日
发明者张爱兴, 李风阁, 葛珺, 王吉丛, 龚争辉 申请人:中国石化胜利油田有限公司孤岛采油厂