监测油井抽油机的启停和采集上下冲程电流及冲次的装置.pdf

本实用新型的是用于监测油井抽油机启停和采集上下冲程电流及冲次装置，其结构是由监测终端设备、电流互感器、冲次传感器组成，其中监测终端设备的输入端与电流互感器、冲次传感器的输出端对应相接。优点：监测终端设备可准确地对油机启停信号的采集，检测交流三相电流，提供数据上传的端口。还能对机箱内温度进行测量、机箱门禁的撤防、布防、红外探测器输出信号的监测、交流电源的断电监测、电池电压的检测，并具有与第三方设备的通信接口。冲次传感器可准确地对抽油机的冲次计数。电流互感器对一次设备和二次设备进行有效隔离。以提高采油效率、实现抽油机上下冲程电流自动采集，帮助油田减少劳力降本增效，变人工操作为自动操作而实现安全生产。

1.  监测油井抽油机的启停和采集上下冲程电流及冲次的装置，其特征是由监测终端设备、电流互感器、冲次传感器组成，其中监测终端设备的输入端与电流互感器、冲次传感器的输出端对应相接。

2.  根据权利要求1所述的监测油井抽油机的启停和采集上下冲程电流及冲次的装置，其特征所述的监测终端设备中的电池电压检测，交流断电检测电路，功能选择器，三相电流检测电路，门禁布、撤防电路，启停监测电路、红外探测器输出信号监测电路的输出端分别与单片机MCU的第一，第二，第三，第四，第五，第六、第七输入端对应相接；温度测量电路，第一UART接口，第二UART接口的输出/入端与单片机MCU的第一，第二，第三输入/出端对应相接；输出控制信号电路，输出指示电路的输入端与单片机MCU的第一，第二输出端对应相接。

3.  根据权利要求1所述的监测油井抽油机的启停和采集上下冲程电流及冲次的装置，其特征所述的监测终端设备中的启停监测电路由冲次传感器的输出端接过压保护电路的输入端，过压保护电路的输出端接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端接单片机MCU的中断输入端口。

4.  根据权利要求1所述的监测油井抽油机的启停和采集上下冲程电流及冲次的装置，其特征所述的监测终端设备中的三相电流检测电路其电流互感器的输出端接信号取样电路的输入端，信号取样电路的输出端接过压保护电路的输入端，过压保护电路的输出端接极性保护电路的输入端，极性保护电路的输出端接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端接输入滤波电路的输入端，输入滤波电路的输出端接A/D输入电路的输入端。

5.  根据权利要求1所述的监测油井抽油机的启停和采集上下冲程电流及冲次的装置，其特征所述的监测终端设备中的红外探测器输出信号监测电路，其中的红外探测器的输出端接过压保护电路的输入端，过压保护电路的输出端接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端接单片机MCU的中断输入端口。

监测油井抽油机的启停和采集上下冲程电流及冲次的装置
技术领域
本实用新型涉及的是一种用于监测油井抽油机启停和采集上下冲程电流及冲次的装置。属于油井监测技述领域。
背景技术
目前油田了解和掌握油井工作是否正常的方式是采用人工定期现场巡逻，以目测的方式查看油井是否停井；有的油田还采用人工现场测量油井有关参量以了解油井的工作状况这样两种方式。测量的参数不同的油田有所不同，但大多数油田都会采用测量抽油机一个冲次时间里的上冲程电流值、下冲程电流值，再计算下冲程电流值跟上冲程电流值的比值是否在规定的门限范围内以了解油井的工作状况。采用人工巡逻和人工现场测量相关参量的缺陷在于：可靠性差。主要的原因在于信息的来源不一定可靠。人为因素太多。比如只看油井抽油机的横梁在转动不能准确反映一个油井是否还在抽油；实时性差。由于人工定期巡逻跟实际发生故障的时刻无法保持一致。因此总存在得到油井停井的信息过迟的现象。最严重的延迟能达到一个巡逻周期，可能是4～8小时甚至是24小时以上；增加了油田工人和巡逻人员的劳动强度，增加油田的劳动力成本；因抽油机均工作于野外，且为不规则分布。分布最散时达十几公里一口井。而且油田大部分分布在野外，在抽油机周围大部分没有硬质路面经过。如果油田工人和巡逻人员巡逻和测量的周期安排的很密的话，势必大大增加他们的劳动强度。而在巡逻周期不变的情况下，要减轻劳动强度，又必须增加劳动力，这又增加了油田的劳动力成本；  增加了油田工人和巡逻人员生产不安全因素，由于油井分布在荒郊野外，且为不规则分布，井跟井之间的间距又远，最散时达十几公里一口井。因此油田工人和巡逻人员前往现场查看和测量的路途中都存在一定的不安全因素。尤其是暴风雨雪、夏天高温酷暑等恶劣天气时，这种不安全因素大大增加。工人在现场测量时，由于距离抽油机太近被抽油机横梁撞击的危险以及每次要接触电机的电源线导致触电的危险因素存在，由于这些因素导致的事故也发生过，油井发生故障并最终停井。
发明内容
本实用新型目的在于针对上述存在的缺陷，提出用于监测油井抽油机启停和采集上下冲程电流及冲次装置，以提高采油效率、实现抽油机上下冲程电流自动采集，以帮助油田降低劳动力密度而实现降本增效、变人工操作为自动操作而实现安全生产。
本实用新型技术解决方案：其结构是由监测终端设备、电流互感器、冲次传感器组成，其中监测终端设备的输入端与电流互感器、冲次传感器的输出端对应相接。
本实用新型的优点：监测终端设备可准确地对油机启停信号的采集，检测交流三相电流，提供数据上传的端口。还能对机箱内温度进行测量、机箱门禁的撤防、布防、红外探测器输出信号的监测、交流电源的断电监测、电池电压的检测，并具有与第三方设备的通信接口。冲次传感器可准确无误地对抽油机的冲次计数。电流互感器将很大的一次电流转变为标准的电流输出或电压输出；为测量装置和继电保护的线圈提供电流；对一次设备和二次设备进行有效隔离。以提高采油效率、实现抽油机上下冲程电流自动采集，以帮助油田降低劳动力密度而实现降本增效、变人工操作为自动操作而实现安全生产。
附图说明
附图1是启停监测和采集上下冲程电流及冲次的装置结构框图。
附图2是监测终端设备电路结构框图。
附图3是监测终端设备中的启停监测电路的结构框图。
附图4是监测终端设备中的三相电流检测电路结构框图。
附图5是监测终端设备中的红外探测器信号监测电路的结构框图：
附图6是温度检测电路的结构框图。
附图7是门禁监测电路的结构框图
附图8是门禁撤防电路的结构框图。
附图9是输出控制信号电路的结构框图。
附图10是电池电压监测、交流断电检测电路的结构框图。
附图11是输出指示电路的结构框图。
附图12是功能选择电路的结构框图。
附图13是UART串口电路的结构框图。
附图14是监测油井抽油机冲次的传感装置中的干簧管组件结构示意图。
附图15是监测油井抽油机冲次的传感装置中的强磁铁组件结构示意图。
附图16是软件处理流程图。
图中的1是干簧管、2是干簧管组件底座、3是干簧管组件壳体、4是强磁铁、5是环氧板、6是强磁铁组件底座、7是强磁铁组件壳体。
具体实施方式
对照附图1，其结构是由监测终端设备、电流互感器、冲次传感器组成，其中电流互感器、冲次传感器的输出端与监测终端设备的输入端对应相接。
所述的监测终端设备(RTU)的主要功能为：油机启停信号的采集，交流三相电流的检测，提供数据上传的端口。除此之外，它还能对机箱内温度进行测量、机箱门禁的撤防、布防、红外探测器输出信号的监测、交流电源的断电监测、电池电压的检测，并具有与第三方设备的通信接口。
采集主板的主要功能为：与DTU和交流三相电度表的通信，电池电压的检测，交流电源的断电监测、油机启停信号的采集，红外探测器输出信号的监测，交流三相电流的检测，机箱内温度的测量及机箱门禁的撤防、布防等。采集主板中的MCU采用的是C8051F022，该芯片为混合信号ISP FLASH微控制器，高速8051微控制器内核，64K字节FLASH存储器，4352字节内部数据RAM，可工作最高频率为25MHZ，两个UART串口，8端口10位ADC，64端口数字I/O，片内的调测电路提供全速、非侵入式的在系统调测，符合IEEE1149.1边界扫描标准，100脚TQFP封装，工作温度-40℃～+85℃。
对照附图2，其结构是电池电压检测电路，交流断电检测电路，功能选择器，三相电流检测电路，门禁监测和门禁撤防电路，启停监测电路，红外探测器输出信号监测电路的输出端分别与单片机MCU的第一，第二，第三，第四，第五，第六，第七输入端对应相接；温度测量电路，第一UART接口1，第二UART接口0的输出/入端与单片机MCU的第一，第二，第三输入/出端对应相接；输出控制信号电路和输出指示电路的输入端与单片机MCU的第一，第二输出端对应相接；
对照附图3，启停监测电路的结构是由冲次传感器的输出端接过压保护电路的输入端，过压保护电路的输出端接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端接单片机MCU的中断输入端口。
启停监测电路的功能为：实时监测油机的运行状况，以便了解油机是否正常工作以及运转的频次。
由启停传感器提供的启停信号接入电路，在过压保护电路后，再经电平转换，变换为适合单片机MCU的电平信号，接入单片机MCU的中断输入端口，由单片机MCU实时采集启停传感器的信号并加以分析处理。启停传感器将油机的运行状框转换为开关信号，过压保护使用的是TVS管，用以抑制启停传感器与电路之间的连线由于外界的感应或碰触形成的高压，以保护电路。
对照附图4，三相电流检测电路的结构是电流互感器的输出端接信号取样电路的输入端，信号取样电路的输出端接过压保护电路的输入端，过压保护电路的输出端接极性保护电路的输入端，极性保护电路的输出端接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端接输入滤波电路的输入端，输入滤波电路的输出端接A/D输入电路的输入端。
三相电流检测电路的功能为：实时检测油机工作时的三相电流，用以监测油机的运行状况。油机工作时的三相交流电流通过电流互感器，在电流互感器二次绕组的回路中产生二次电流；二次电流经信号取样电路形成取样信号；通过限幅保护电路，以限制过高的电压信号，以保护后续的电路，限幅保护电路由电阻、二极管组成；为了适合A/D转换器对采集信号极性的要求，用极性保护电路加以实行，极性保护电路使用的是二极管电路；为了适合A/D转换器对采集信号幅度的要求，用信号调理电路加以实行；为了消除其他信号的干扰，在A/D转换器前增加了滤波电路，以使A/D转换器的输出信号更准确，减少误差，滤波电路由电阻、电容组成；经滤波后的信号进入A/D转换器，实行模拟信号到数字信号的转换。
对照附图5，红外探测器输出信号监测电路，其结构是红外探测器的输出端接过压保护电路的输入端，过压保护电路的输出端接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出其端接单片机MCU的中断输入端口。
提供了对红外探测器输出信号监测电路，当有人员进入红外探测区域内时，及时提供报警信号。由红外探测器输出的信号接入电路，在过压保护电路后，再经电平转换，变换为适合单片机MCU的电平信号，接入单片机MCU的中断输入端口，由单片机MCU实时采集红外探测器输出的信号并加以分析处理。过压保护使用的是TVS管，用以抑制红外探测器与电路之间的连线由于外界的感应或碰触形成的高压，以保护电路。
对照附图6，温度监测电路是为了监测机箱内的温度，了解电路的工作环境，电路中使用了温度传感器，温度传感器为DALLAS-MAXIM的DS18B20，DS18B20精度最高的固体数字I/O温度计之一，单线1-Wire接口，DS18B20具有-55℃～+125℃工作温度范围，在-10℃至+85℃温度范围内具有±0.5℃精度，电源电压范围为3.0V至5.5V，TO-92封装。
对照附图7、8，门禁监测、门禁撤防电路是对机箱的门禁进行管理，设有门禁的布防和撤防功能，门禁的功能以便对非法入侵及时报警，撤防功能通过按动按钮实行，为工程维护提供便利，防止产生不必要的报警信号。在门禁监测电路中，门禁传感器监测到的机箱门的信号接入电路，经电平转换后进入单片机MCU的中断输入端，通过单片机MCU实时监测机箱门的状态；在门禁撤防电路中，撤防按钮的信号接入电路，经电平转换后进入单片机MCU的中断输入端，当单片机MCU接收到撤防信号后，将不产生门禁的报警信号。
对照附图9，输出控制信号电路，可根据需要直接连接指示灯、蜂鸣器等声光器件，或直接连接继电器用以控制其他电气设备。单片机MCU输出的控制信号经限流保护后，进行输出驱动，经输出保护后可以控制相应的电器或电路，可直接连接工作电压为12V的指示灯、蜂鸣器、继电器等，输出驱动为三极管电路(主要利用了半导体三极管的放大作用，在此作为控制信号的通断开关)，输出保护为二极管(主要利用了半导体二极管的单向导电性能)，以防反向电势对电路造成损坏。
对照附图10，电池电压监测电路是实现对电池电压的监测和交流断电的监测，电路中对电池的电压进行实时监测，电池电压的监测是由单片机MCU内的ADC(模数转换器)实现的，通过对电池电压的监测，可了解电源和电池的状况，尤其是在交流停电的时候，当电池电压下降到设定的电压时，产生电池欠压提示信号，以便了解当断电后通信中断的原因。电池电压接入电路后，经分压采样和限幅保护，进入数模转换电路，经数模转换后，单片机MCU直接读取电池的电压值，限幅电路由二极管电路组成，是为了防止过高的电压造成数模转换电路的损坏。
对照附图11、12，输出指示电路和功能选择器，提供了单片机MCU工作状态指示，采用两个发光二极管用以指示，提供了两位功能选择以适应不同的应用。为了直观地了解电路的工作状态，电路提供了两个工作状态指示灯，以便直接指示单片机MCU的工作状态、通信状态等，单片机MCU的输出信号经限流保护后，接入工作状况指示灯，指示灯为表面安装发光二极管。为了使电路的功能发挥得更完善，适应不同的应用，并且简单地、人为地加以控制，设有两位功能选择电路，功能选择电路由功能选择器，经电平转换后接入单片机MCU，功能选择器使用的是跳线短路器，通过是否插入短路器以达到功能选择的目的。
对照附图13，UART串口电路，在该电路中提供了两个UART串行接口，第二UART接口0可与提供UART串口的RF模块连接进行通信；第一UART接口1可与提供UART串口的电度表连接进行通信；此外两个UART串口也可通过外接接口信号转换器，实行不同的接口功能，方便与其他不同接口功能的设备互连。在电路上提供的两个UART串行接口的同时也提供了向RF模块和电度表所需的电源。
本装置中提供了+5V和+3.3V工作电源，供给MUC及其它电路使用，电源芯片使用的是MICREL的MIC29150-5.0BU和MIC29150-3.3BU，TO-263封装，工作温度-40℃～+125℃。12V电源接入电路后，经输入滤波，进入电源稳压器MIC29150-5.0BU，将输入的12V电源变为稳定的5V电源输出供电路使用；另外5V电源再进入电源稳压器MIC29150-3.3BU，将输入的5V电源变为稳定的3.3V电源输出供电路使用。
对照附图14、图15，其结构是由干簧管组件和强磁铁组件两部分组成。
干簧管组件中的干簧管1是一种磁敏开关。当永久磁铁靠近干簧管或者由绕在干簧管上的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时，簧片的接点部分就被磁化感应出极性相反的磁极，异名的磁极相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的弹力时，接点就会吸合；当磁力减小到一定值时，接点又会被簧片的弹力弹开。干簧管组件中的干簧管距强磁铁组件中的强磁铁的距离在90-150mm。只要用磁铁接近它，干簧管1两个节点就会吸合在一起，使电路导通。
强磁铁组件中的强磁铁4焊在抽油机摇臂上，当抽油机工作时，随着抽油机摇臂上下摆动。干簧管组件焊在抽油机底座上，每次抽油机摇臂转动经过安装在抽油机机座的磁簧管时，干簧管被磁铁吸合，输出信号。干簧管的信号输出端引线用接线子接入监测终端设备(RTU)作为冲次传感器的输入信号，终端设备完成一次计数。其中干簧管的主要技术指标为：动作距离：15cm±0.5cm；吸合值(PI)：15～60AT；开断值(PI)：≥6 AT；开关耐压：100VDC；最大开关电流：0.5A；接触电阻：≤100mΩ；最小隔离阻抗：109Ω；寿命：109次；开关输出：常开；
强磁铁主要技术指标：磁铁的性能要求是根据GB/T13560-2000标准生产的；其主要参数性能为：Br：11.8kGs--12.2kGs；Hcj＞20kOe；BH：max：33-36MGOe。