摘 要： 潛油電泵機(jī)組是具有超細(xì)長轉(zhuǎn)軸的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械，有復(fù)雜的生產(chǎn)及安裝工藝，且采用了多級離心泵，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的振動(dòng)源，測量并分析機(jī)組振動(dòng)狀況，是評估潛油電泵機(jī)組的運(yùn)行狀況、提高可靠性的重要手段。本文采用MMA3201振動(dòng)加速度計(jì)監(jiān)測振動(dòng)狀況，并采用4 mA~20 mA電流環(huán)將信號傳輸?shù)骄螹CU進(jìn)行分析處理，根據(jù)監(jiān)測和處理結(jié)果，適時(shí)提泵檢修，采取合理的減振措施，延長潛油電泵的使用壽命。
關(guān)鍵詞： 潛油電泵；振動(dòng)信號；加速度傳感器；電流環(huán)
0 引言
目前，潛油電泵已經(jīng)成為采油工業(yè)中的主導(dǎo)設(shè)備，其系統(tǒng)組成如圖1[1]所示。
潛油電泵機(jī)組屬于細(xì)長結(jié)構(gòu)，各部分之間靠裝配組合在一起，其主要部分為多級離心泵，而每節(jié)離心泵本身又有許多級，每級均由一百多個(gè)葉輪和導(dǎo)輪組成。將多級離心泵裝配在一起之后，再將其整體固定在一根細(xì)長的軸上。由于整個(gè)潛油電泵上裝配的零件很多，因此整個(gè)潛油電泵裝置的剛性比較差，加之其細(xì)長的柱形結(jié)構(gòu)，一旦零件的重心偏離軸心，其在潛油電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)時(shí)慣性將會(huì)很大。因此，多級離心泵的結(jié)構(gòu)是造成潛油電泵振動(dòng)的主要因素。此外，井下的環(huán)境因素如液面深度、泥沙沉積等也會(huì)增加零件的振動(dòng)[2]。產(chǎn)生振動(dòng)的原因，除去系統(tǒng)本身不可避免的因素之外，電機(jī)選型與油井不匹配、安裝過程不規(guī)范、潛油電機(jī)運(yùn)行過程中三相電壓不平衡等均可能造成強(qiáng)烈的振動(dòng)。這些都將直接導(dǎo)致潛油電泵使用壽命大幅度降低，因此對潛油電泵機(jī)組振動(dòng)測試及狀態(tài)分析有助于企業(yè)完善產(chǎn)品質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益。
1 振動(dòng)傳感器的選擇
與振動(dòng)相關(guān)的物理量有位移、速度、加速度等，因此測振就是對這些振動(dòng)量的檢測。加速度、速度、位移之間是積分微分關(guān)系，實(shí)際測振系統(tǒng)只需對其中的一個(gè)物理量進(jìn)行測量，即可通過這種關(guān)系得出其他兩個(gè)物理量。目前在測振行業(yè)中用的較多的是加速度傳感器。常見的加速度計(jì)有壓電式加速度計(jì)、集成電路式壓電加速度計(jì)、變電容式加速度計(jì)和壓阻式加速度計(jì)。
本文選用MMA3201KEG加速度計(jì)，這是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的芯片化電容式兩軸加速度傳感器。由于電容極板之間的慣性，當(dāng)有加速度存在時(shí)，極板間距的變化會(huì)導(dǎo)致電容參數(shù)C的變化，通過這一原理使兩個(gè)軸上的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵?。該芯片具有如下特點(diǎn) ：
⑴ 表面安裝。適合安裝于印刷電路板上；
⑵ 電源電壓范圍是4.75 V~5.25 V；
?、?測量范圍是-40 g~+40 g，0 g對應(yīng)的輸出電壓為2.5 V；
⑷ 工作溫度范圍為-40℃ ~ +125℃；
?、?具有自檢和自校準(zhǔn)功能；
?、?CMOS信號調(diào)理器；
⑺ 4階貝塞爾濾波器脈沖形狀完整保留；
⑻ 低電壓檢測、時(shí)鐘監(jiān)視器和EPROM奇偶校驗(yàn)狀態(tài)。
加速度傳感器的物理模型與等效電路如圖2所示。加速度傳感器采用硅半導(dǎo)體材料制成的電容傳感器，有3個(gè)極板，上下兩個(gè)極板是固定的，分別接A、B端；中心極板是可動(dòng)的，接O端,這樣就構(gòu)成了兩只背靠背電容。
眾所周知，電容的計(jì)算公式為：
其中，ε0是真空介電常數(shù)，εr是電容極板之間的相對介電常數(shù)，A是極板重疊面積，d是兩極板之間的距離。當(dāng)受到振動(dòng)或者沖擊時(shí)，中心極板就會(huì)發(fā)生移位，由式（1）可知，CAO和CBO的電容量C1、C2隨極板之間距離的變化而改變。當(dāng)受到向上的加速度時(shí)，中心極板在慣性力的作用下產(chǎn)生了一定的位移，使得CAO和CBO的電容量發(fā)生變化，從中可獲取加速度信號。該信號經(jīng)過積分器和放大器，送至貝塞爾濾波器。貝塞爾濾波器能提供一個(gè)平坦的延時(shí)響應(yīng)，可保證脈沖波形的完整性。
由MMA3201KEG構(gòu)成的加速度傳感器來測量潛油電泵的振動(dòng)應(yīng)用電路如圖3所示。其中C3為電源去耦電容；引腳端6輸出X軸加速度電壓，由R1和C1構(gòu)成低通濾波器濾波后輸出；引腳端11輸出Y軸加速度電壓，由R2和C2構(gòu)成低通濾波器濾波后輸出；引腳端5連接到高電平時(shí)，在上升沿時(shí)刻可使芯片初始化（復(fù)位）；引腳7檢測到故障時(shí)，輸出高電平信號。
2 振動(dòng)信號的測量與傳輸設(shè)計(jì)
在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控時(shí)通常選用儀表放大器來完成信號的調(diào)理，但其在進(jìn)行長線傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下問題：⑴由于傳輸信號是電壓信號，在傳輸過程中會(huì)受到噪聲的干擾而不純潔；⑵傳輸線的電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降，那么接收端的信號就會(huì)產(chǎn)生誤差；⑶在現(xiàn)場如何提供儀表放大器所需要的不同工作電壓也帶來一定問題。
為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，本文借鑒工業(yè)上常用的兩線制4 mA~20 mA模擬電流環(huán)傳輸機(jī)制，其數(shù)據(jù)傳輸方式在井下具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠有效解決可靠性問題。4 mA表示零信號，20 mA表示信號的滿刻度，20 mA電流通斷所引起的電火花不足以引燃瓦斯，因此取20 mA為上限來防爆，下限不取0 mA是為了能夠檢測斷線。
本文選用美國BB公司生產(chǎn)的兩線制V/I變換器XTR115[3]，通過電壓信號控制輸出電流來傳輸振動(dòng)信號。
XTR115具有如下性能特點(diǎn)：
?、?XTR115屬于二線制電流變送器，可將傳感器產(chǎn)生的40 μA~200 μA弱電流信號放大100倍，獲得 4 mA~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出。當(dāng)環(huán)路電流接近32 mA時(shí)能自動(dòng)限流。
?、?芯片中增加了+2.5 V、+5 V精密穩(wěn)壓器，其輸出電壓精度為±0.05%，可給外部電路單獨(dú)供電，從而簡化了外部電源的設(shè)計(jì)。
⑶ 精度高，非線性，誤差小。轉(zhuǎn)換精度可達(dá)±0.05%，非線性誤差僅為±0.003%。
?、?專門設(shè)計(jì)了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片功耗。
⑸ XTR115由環(huán)路電源供電，其允許范圍為7.5 V~36 V。
其傳輸電路如圖4所示。
圖4中， U1的8腳為振動(dòng)芯片U2提供+5 V的電壓，這樣既可以節(jié)省井下電路有限的空間，又減少了經(jīng)過功能器件后信號的損耗，同時(shí)也減少了電流的損耗，使傳輸?shù)骄系男盘柛訙?zhǔn)確。U1和U3的4腳輸出的是轉(zhuǎn)換后的振動(dòng)電流信號，該信號將隨著電纜傳回到地面系統(tǒng)進(jìn)行處理。
3 振動(dòng)測試系統(tǒng)的調(diào)試
潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)采用三相交流電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)室條件來測試該測振系統(tǒng)能否正常工作[5]。采集到的X軸的振動(dòng)信號輸出波形如圖5所示。
通過觀察上面采集的振動(dòng)波形的時(shí)域波形圖可知電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，從其波動(dòng)范圍可看出這個(gè)頻率與電機(jī)的頻率基本一致。上述波形的頻譜圖如圖6所示。
由振動(dòng)頻譜圖可看出電機(jī)的X軸振動(dòng)數(shù)據(jù)在頻域中的主要頻率成分都表現(xiàn)在50 Hz 附近，取一尖峰值46.5 Hz，根據(jù)該值可求得電機(jī)轉(zhuǎn)速為：46.5×60/2=1 395 r/min，這與電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速基本一致，表明本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)測試系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)就是電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，從而說明該測試系統(tǒng)用于電機(jī)振動(dòng)信號的采集是有效可行的。
4 結(jié)論
本文主要測量在電機(jī)運(yùn)行情況下潛油電泵機(jī)組的振動(dòng)情況。首先通過采用MMA3201KEG變電容式加速度傳感器測得電潛泵機(jī)組的振動(dòng)模擬電壓信號；隨后通過XTR115電流發(fā)生器將測得的振動(dòng)電壓信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)碾娏餍盘枺娏餍盘柾ㄟ^潛油電泵三相動(dòng)力電纜傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，由地面系統(tǒng)來完成對信號的采集、處理；最后根據(jù)采集得到的振動(dòng)信號評估此時(shí)電潛泵機(jī)組的振動(dòng)情況，以此來完成對機(jī)組振動(dòng)情況的監(jiān)測。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了井下裝置的安裝空間和器件的干擾性，巧妙地利用XTR115的+5 V穩(wěn)壓電源對井下裝置進(jìn)行供電，并采用二線制4 mA~20 mA模擬電流環(huán)傳輸信號，將所測得的信號排除井下復(fù)雜環(huán)境的干擾而準(zhǔn)確傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)并進(jìn)行分析。多次試驗(yàn)最終驗(yàn)證了本測試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)對潛油電泵機(jī)組振動(dòng)信號的采集和測量。
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