摘 要： 潛油電泵機組是具有超細長轉軸的復雜旋轉機械，有復雜的生產及安裝工藝，且采用了多級離心泵，在生產過程中會產生強大的振動源，測量并分析機組振動狀況，是評估潛油電泵機組的運行狀況、提高可靠性的重要手段。本文采用MMA3201振動加速度計監(jiān)測振動狀況，并采用4 mA~20 mA電流環(huán)將信號傳輸?shù)骄螹CU進行分析處理，根據監(jiān)測和處理結果，適時提泵檢修，采取合理的減振措施，延長潛油電泵的使用壽命。

　　關鍵詞： 潛油電泵；振動信號；加速度傳感器；電流環(huán)

0 引言

　　目前，潛油電泵已經成為采油工業(yè)中的主導設備，其系統(tǒng)組成如圖1[1]所示。

　　潛油電泵機組屬于細長結構，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，每級均由一百多個葉輪和導輪組成。將多級離心泵裝配在一起之后，再將其整體固定在一根細長的軸上。由于整個潛油電泵上裝配的零件很多，因此整個潛油電泵裝置的剛性比較差，加之其細長的柱形結構，一旦零件的重心偏離軸心，其在潛油電機的驅動下高速旋轉時慣性將會很大。因此，多級離心泵的結構是造成潛油電泵振動的主要因素。此外，井下的環(huán)境因素如液面深度、泥沙沉積等也會增加零件的振動[2]。產生振動的原因，除去系統(tǒng)本身不可避免的因素之外，電機選型與油井不匹配、安裝過程不規(guī)范、潛油電機運行過程中三相電壓不平衡等均可能造成強烈的振動。這些都將直接導致潛油電泵使用壽命大幅度降低，因此對潛油電泵機組振動測試及狀態(tài)分析有助于企業(yè)完善產品質量和提高經濟效益。

1 振動傳感器的選擇

　　與振動相關的物理量有位移、速度、加速度等，因此測振就是對這些振動量的檢測。加速度、速度、位移之間是積分微分關系，實際測振系統(tǒng)只需對其中的一個物理量進行測量，即可通過這種關系得出其他兩個物理量。目前在測振行業(yè)中用的較多的是加速度傳感器。常見的加速度計有壓電式加速度計、集成電路式壓電加速度計、變電容式加速度計和壓阻式加速度計。

　　本文選用MMA3201KEG加速度計，這是一種基于微機電系統(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，當有加速度存在時，極板間距的變化會導致電容參數(shù)C的變化，通過這一原理使兩個軸上的加速度轉變?yōu)殡妷盒盘栞敵?。該芯片具有如下特點 ：

　　⑴ 表面安裝。適合安裝于印刷電路板上；

　?、?電源電壓范圍是4.75 V~5.25 V；

　?、?測量范圍是-40 g~+40 g，0 g對應的輸出電壓為2.5 V；

　?、?工作溫度范圍為-40℃ ~ +125℃；

　?、?具有自檢和自校準功能；

　?、?CMOS信號調理器；

　?、?4階貝塞爾濾波器脈沖形狀完整保留；

　?、?低電壓檢測、時鐘監(jiān)視器和EPROM奇偶校驗狀態(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體材料制成的電容傳感器，有3個極板，上下兩個極板是固定的，分別接A、B端；中心極板是可動的，接O端,這樣就構成了兩只背靠背電容。

　　眾所周知，電容的計算公式為：

　　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。當受到振動或者沖擊時，中心極板就會發(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。當受到向上的加速度時，中心極板在慣性力的作用下產生了一定的位移，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平坦的延時響應，可保證脈沖波形的完整性。

　　由MMA3201KEG構成的加速度傳感器來測量潛油電泵的振動應用電路如圖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構成低通濾波器濾波后輸出；引腳端5連接到高電平時，在上升沿時刻可使芯片初始化（復位）；引腳7檢測到故障時，輸出高電平信號。

2 振動信號的測量與傳輸設計

　　在工業(yè)現(xiàn)場進行數(shù)據采集與監(jiān)控時通常選用儀表放大器來完成信號的調理，但其在進行長線傳輸時會產生以下問題：⑴由于傳輸信號是電壓信號，在傳輸過程中會受到噪聲的干擾而不純潔；⑵傳輸線的電阻會產生電壓降，那么接收端的信號就會產生誤差；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)傳輸機制，其數(shù)據傳輸方式在井下具有較強的抗干擾能力，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信號。

　　XTR115具有如下性能特點：

　?、?XTR115屬于二線制電流變送器，可將傳感器產生的40 μA~200 μA弱電流信號放大100倍，獲得 4 mA~20 mA的標準輸出。當環(huán)路電流接近32 mA時能自動限流。

　?、?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%，可給外部電路單獨供電，從而簡化了外部電源的設計。

　?、?精度高，非線性，誤差小。轉換精度可達±0.05%，非線性誤差僅為±0.003%。

　?、?專門設計了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片功耗。

　?、?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，又減少了經過功能器件后信號的損耗，同時也減少了電流的損耗，使傳輸?shù)骄系男盘柛訙蚀_。U1和U3的4腳輸出的是轉換后的振動電流信號，該信號將隨著電纜傳回到地面系統(tǒng)進行處理。

3 振動測試系統(tǒng)的調試

　　潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)采用三相交流電機作為實驗室條件來測試該測振系統(tǒng)能否正常工作[5]。采集到的X軸的振動信號輸出波形如圖5所示。

　　通過觀察上面采集的振動波形的時域波形圖可知電機運轉正常，從其波動范圍可看出這個頻率與電機的頻率基本一致。上述波形的頻譜圖如圖6所示。

　　由振動頻譜圖可看出電機的X軸振動數(shù)據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，根據該值可求得電機轉速為：46.5×60/2=1 395 r/min，這與電機的額定轉速基本一致，表明本文所設計的振動測試系統(tǒng)所采集的數(shù)據就是電機在正常運行時的振動數(shù)據，從而說明該測試系統(tǒng)用于電機振動信號的采集是有效可行的。

4 結論

　　本文主要測量在電機運行情況下潛油電泵機組的振動情況。首先通過采用MMA3201KEG變電容式加速度傳感器測得電潛泵機組的振動模擬電壓信號；隨后通過XTR115電流發(fā)生器將測得的振動電壓信號轉換成易于傳輸?shù)碾娏餍盘?，電流信號通過潛油電泵三相動力電纜傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，由地面系統(tǒng)來完成對信號的采集、處理；最后根據采集得到的振動信號評估此時電潛泵機組的振動情況，以此來完成對機組振動情況的監(jiān)測。本系統(tǒng)在設計時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雜環(huán)境的干擾而準確傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)并進行分析。多次試驗最終驗證了本測試系統(tǒng)能夠準確、可靠地實現(xiàn)對潛油電泵機組振動信號的采集和測量。

參考文獻

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　　[2] 張玉斌,于海春. 潛油電泵機組可靠性研究[J]. 石油學報, 2003,24(4):103-107.

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　　[5] 杜鵬. 井下多狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D]. 沈陽:沈陽工業(yè)大學, 2013.