基于ADE7755 及加速度傳感器的便攜式抽油機平衡度測試儀的設計

于志賢YU Zhi-xian

（山東理工大學電氣與電子工程學院，淄博 255000）

0 引言

有桿抽油機是國內外各大油田原油生產主要設備，能耗在油田生產成本中占比較大。抽油機不平衡會導致系統能耗增加，降低連桿機構、減速箱和電機效率與壽命，保持抽油機平衡是保證抽油機安全高效運行的重要基礎，而平衡度精準測量是調節平衡重要參考和依據，國內各油田每年需數千萬次平衡測試和數十萬井次平衡調整工作，平衡度測量受到各大油田的高度重視，而油田現場普遍使用的傳統方法如觀察法、扭矩法、測時法、電流法、功率法等存在測量精度差，攜帶不便，操作復雜等缺點。以廣泛使用鉗形電流表測平衡度方法為例說明常規方法的不足，該法通過一個鉗形電流表觀察比較抽油機上下沖程電流，在觀察過程中，取抽油機上沖程電流最大值與抽油機下沖程電流最大值，并計算兩個最大值的比值作為抽油機平衡度，該方法除了肉眼觀察最大電流值存在的延遲誤差外，還未充分考慮抽油機不平衡時的倒發電電流，極易對抽油機的平衡狀態進行誤判，簡單的電流法測量平衡度是現場常規應用方法測量平衡度準確度不足的典型代表。

針對油田現場常規平衡度測試方法普遍存在的缺點，以及油田現場職工專業技術水平參差不齊、喜歡簡單易操作的特點，本文研制了一種基于電能計量芯片ADE7755及加速度傳感器模塊的便攜式平衡度測試儀。測試儀采用TI 公司的MSP430F1611 作為控制芯片，為簡化油田現場電路連接，在電能計量環節采用ADE7755 單相電能計量芯片計量電能，ADE7755 采集三相對稱運行的抽油機驅動電機某一相繞組的電壓、電流，經芯片內部處理運算轉換成有功功率，并以高頻脈沖形式輸出，系統利用加速度傳感器和無線通信技術檢測抽油機上下止點位置，從而實現基于電能法的抽油機平衡度精確簡便的測量。

1 電能法測量抽油機平衡度的原理

平衡度測試儀系統通過電能計量模塊ADE7755 與相應的輔助電路配合計算抽油機上下沖程各自耗能總量，并用抽油機光桿上下沖程消耗電能之比計算得到抽油機平衡度。如圖1 所示，向上的箭頭表示抽油機光桿上行的過程，向下的箭頭表示抽油機光桿下行的過程，上下兩個水平的虛線分別表示上止點和下止點的位置，W下1、W下2分別表示一個沖次中，抽油桿第一次到達下止點和第二次下止點時抽油機驅動電機所消耗的電能值，W上分別表示一個沖次中抽油桿到達上止點時抽油機驅動電機所消耗的電能值。

圖1 抽油機上下沖程示意圖

那么根據式（1）即可算得抽油機的電能法平衡度：

2 測試儀結構框圖及原理

抽油機平衡度測試系統整體結構框圖如圖2 所示，系統主要由兩個模塊（虛線框）組成，分別為抽油桿上下止點檢測模塊及電能計量主模塊。

圖2 抽油機平衡度測試儀結構框圖

抽油桿上下止點檢測模塊由加速度傳感器ADXL345、MSP430F1611 從機、Nrf24L01 無線模塊及相應的輔助電路組成，通過無線傳感器及加速度傳感器檢測上下止點的方式，該方式可避免傳統方法如拉線電位傳感器易損壞的缺點，可以長期便捷使用，通過無線傳輸，提高井場應用場合安全性。

抽油桿上下止點檢測模塊通過5V，3000mAh 鋰電池供電，nRF24L01 無線通信芯片是由NORDIC 生產的工作在2.4-2.5GHz 的ISM 頻段的單片無線收發器。當該模塊工作在發射模式下發射功率為-6dBm 時電流消耗為9.0mA，工作在接收模式時電流消耗為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。測量時該部分電路模塊通過磁鐵吸附在抽油桿上端，并隨抽油桿做上下運動，可以精準檢測抽油桿在一個沖程周期的上下止點位置。MSP430 F1611 從機根據加速度傳感器ADXL345 實時采集的加速度信號，計算抽油機的上下止點，因為在上下止點抽油機換向，檢測得到的加速度會明顯變化，Nrf24L01 無線發送模塊負責將MSP430F1611 從機檢測得到的上下止點時刻發送至MSP430F1611 主機，并引發主機發生上下止點中斷。

電能計量主模塊由鉗形電流互感器、電壓鱷魚嘴探頭、ADE7755 電路、Nrf24L01 無線接收模塊、MSP430F1611主機及液晶顯示電路等部分組成，因實際應用中，抽油機驅動電機三相負載基本對稱，為節省成本，減少接線復雜度，且便于現場人員操作，本測試儀只需測量三相電能中的某一相電能即可，只用一個電流變比為100:5 的鉗形電流探頭檢測三相中的某一相電流，同時采用兩個電壓鱷魚嘴探頭測量某一相電壓，其中一個電壓探頭夾在鉗形電流表所測相，而另一電壓探頭夾在三相電源中性點。

ADE7755 是一種單相電能高精度計量集成電路，常用于單相電表系統，其準確度要求達到IEC1036 規定，能夠滿足抽油機電機消耗電能的計量精度要求。ADE7755電能計量模塊根據電壓、電流探頭檢測到的電壓、電流信號，計算抽油機驅動電機實時消耗的某一相電能并進行脈沖計數，并將代表電能消耗數量的高頻脈沖傳送給MSP430F1611 主機，MSP430F1611 主機一方面通過Nrf24L01 無線接收模塊確定抽油機上下止點的時刻及位置，另一方面對ADE7755 發出的電能計量高頻脈沖進行計數，在一個沖次中從第一次下止點開始計數到上止點結束，是上沖程；從上止點開始計數到第二次下止點結束，是下沖程，將上沖程計數值與下沖程計數值比較即得到抽油機的電能法平衡度。

3 上下止點檢測模塊原理

抽油機光桿上下止點的位置通過低功耗三軸加速度傳感器ADXL345 檢測得到，三軸加速度傳感器ADXL345芯片管腳分布及電路連接圖如圖3 所示，該型傳感器分辨率為13 位，芯片共有14 個管腳，其供電電壓為5 伏或者3.3 伏，ADXL345 模塊具有較高的負載響應速度，同時還具有較好的抗噪聲干擾性能，能夠適合井場復雜電磁環境下使用，其角速度測量范圍為±16g，輸出格式為16 位的二進制補碼，加速度傳感器ADXL345 模塊與MSP430F1611從機通過IIC 接口方式進行通信。加速度檢測模塊安裝于抽油機光桿最上端，當抽油機光桿運動至上止點或者下止點時，加速度模塊檢測到抽油機光桿在垂直方向加速度發生方向改變，首先將信號發送至從機，再通過無線通信模塊發送至主機模塊，從而為抽油機平衡度計算提供上下止點位置信號的依據。

圖3 ADXL345 芯片管腳分布及電路連接圖

4 抽油機平衡度系統軟件流程圖設計

抽油機平衡度測試儀軟件流程圖如圖4 所示，平衡度測試儀控制程序包括三個部分，分別為主機主程序、從機程序及主機上下止點中斷服務子程序，從機程序對微處理機及ADXL345 初始化后，進入接受主機MSP430F1611 就緒指令狀態，如果主機就緒，ADXL345 開始檢測抽油桿加速度，并實時的判斷當前是否為上止點或下止點，如果檢測到上下止點信號，從機實時向主機發送上下止點中斷指令。

圖4 平衡度測試儀軟件流程圖

主機程序的工作流程是初始化完成后，通過無線通信模塊向從機發送系統就緒指令，然后對電能計量芯片ADE7755 所發的高頻電能計量脈沖進行不間斷計數，在對高頻電能計量脈沖計數期間，當從機發出上下止點中斷指令時，主機進入中斷服務子程序，讀取此時對應的電能計量脈沖累計數值，并將其換算成對應的電能，同時判斷上下止點中斷是否發生3 次，當中斷次數大于3 次說明抽油機的光桿已經走完一個完整的沖程，否則系統繼續保持測量狀態，在中斷服務子程序中分別計算抽油機驅動電機上沖程及下沖程消耗電能，并根據上文中的式（1）中的電能法原理計算抽油機平衡度，計算得到的抽油機平衡度通過液晶顯示屏顯示，現場人員可以根據測得的抽油機平衡度對抽油機的平衡塊位置進行相應的調節，使得抽油機運行在平衡狀態。

5 結論

本文設計一種接線快捷簡單、攜帶方便、測量準確的抽油機電機上下沖程能耗檢測方法及其電路，整個系統由抽油桿上下止點檢測模塊與電能計量主模塊兩部分組成，利用加速度傳感器和無線通信技術的抽油機上下止點檢測模塊配合，采用單相電能計量芯片搭建電能測量電路實現三相電能測量，大大簡化測量電路及操作步驟，系統只需要通過2 個鱷魚夾測量三相電機系統的某一相電壓，1個鉗形電流互感器測量一相交流電流，并記錄抽油機上下沖程各自耗能的總量，并用上下沖程消耗電能之比，計算抽油機平衡度，反應抽油機的真實工況，能夠準確反應抽油機是否存在明顯的倒發電現象，為油田現場抽油機平衡調節提供充分的指導依據，利用所測平衡度，調節平衡度達95%以上，與不平衡的抽油機相比，每天每臺節約20 度左右，降低抽油機事故率，延長設備使用時間。