示功图剖析能够了解油井实时动态及抽油设备是否合理［1］。一同，示功图是抽油机井设备故障诊断的重要依据之一。因而，示功图丈量的好坏关于整个抽油体系工作效率和自动化水平的进步具有十分重要的含义。
现在，采油现场运用示功仪丈量位移和冲程的办法以拉线式为主，可是以拉线式丈量位移和冲程的办法存在仪器粗笨、断头率高、部分磨损严峻等缺乏，对现场操作形成了许多不方便。为此，针对采油现场的火急需求，提出了小型化和无绳化示功图测验仪的规划计划，以完全防止拉线式所固有的缺点。
硬件电路规划
依据加快度传感器的示功图测验仪的硬件框图如图1所示，首要分为四部分：电源办理体系、载荷信号调度电路、加快度信号调度电路、主控及辅佐设备电路。其间，加快度传感器担任收集油杆上下运动的加快度信号，通过积分算法而得到位移和冲程，是示功图测验仪硬件的规划中心。
加快度信号调度电路
示功图测验仪的位移和冲程是通过加快度两层积分得到的，考虑到油杆上下周期性运动的特色，将一个周期加快度丈量值减去其均匀值，令鸿沟条件为零，对修正后的加快度积分得到速度;令鸿沟条件为零，对修正后的速度积分得到冲程［2］。因为有必要对原始加快度信号进行相应的滤波处理，去除鸿沟的两层积分算法较杂乱，所以本体系选用了单片机程序滤波积分的办法，抛弃了硬件积分器的计划来完成积分算法，电路如图2所示，是选用加快度传感器芯片ADXL203、恰当装备的外围器材和TI的MSP430F1611微控制器组成的。其间，COM引脚是公共地，DNC是悬空引脚，Vs是电源引脚，ST是自测引脚（正常运用时该引脚接低电平），XOUT和YOUT是水平缓笔直方向的加快度丈量信号输出。
ADXL203是一款高精度、低功耗的iMEMS型双轴加快度传感器芯片［3］，具有信号可调的电压输出，既可丈量动态加快度，又能够用来完成比如重力加快度的静态丈量。ADXL203典型丈量规模为±1.7g，接受3500g极限加快度。其下拉电流小于700mA，输出量为一个与加快度成份额的模仿电压信号，灵敏度到达1000mV/g。
ADXL203加快度传感器输出幅值与所测加快度成正比的方波信号。传感器首要由一个运用外表微机械加工的多晶硅组织和一个差动电容器组成，在加快度的作用下，多晶硅结构会产生偏移，拉动差动电容的中心极板滑动，使两个电容值不同，在中心极板产生电压，传感器输出方波，输出方波的幅值与所测的加快度成正比。当供电电压改动时，灵敏度就会产生相应改动，影响丈量精度。例如：5V电压供电，输出电压份额系数1V/g;3V电压供电，输出电压份额系数0.56V/g。本体系在ADXL203的电源端并联0.01mF和10mF两个电容，很好地过滤了低频和高频噪声信号，大大减少了电源纹波对加快度传感器输出电压的影响。
ADXL203答应依据实践需要改动XOUT和YOUT引脚处的滤波电容巨细来规划输出信号带宽。依据实践抽油现场的噪声剖析，XOUT，YOUT引脚处的滤波电容先后挑选了0.01mF，0.1mF和10mF，其间以10mF滤波电容毛刺最少，作用最好，然后完成对信号的最大程度的硬件去锯齿和去噪。
MSP430单片机A/D收集与数据处理
以上加快度水平、笔直信号通过调度后，都要输入MSP430单片机的 A/D进行模数转化。MSP430中ADC12模块［4］能够完成12位精度的模数转化，本体系运用稳压芯片输出电压3V作为A/D参阅电源。
示功图测验仪的笔直加快度改动大，水平加快度改动小。笔直加快度信号规模：1~2V，水平加快度信号规模：0.5~2.5V。通过以上MSP430 A/D功用特色剖析，确认其完全能够满意示功图信号的收集需求。
示功仪加快度在两次去除鸿沟积分后并不能得到精确的冲程，往往关于同一口井会得出两个差异很大的冲程。因为加快衡量的电压信号很小，3V供电体系形成加快度与电压的份额系数很小（0.56V/g），MCU收集加快度电压信号受搅扰严峻。所以有必要对收集的加快度信号进行适宜的滤波后再两层积分得到冲程。
首要，将收集到一个周期的加快度的数据存放在RAM中，对加快度数据进行奇特值的滤除;然后对加快衡量进行3次7点滑润窗滤波，最大极限地将噪声信号滤除;最终，运用周期去鸿沟的两层积分得到各点的位移值，对应各点载荷量，在液晶屏上画出示功图，并将油井信息和示功图信息贮存到外部EEPROM中。
加快度信号的复合滤波办法
示功仪选用加快度信号进行两层积分算法得到位移和冲程，可是，加快度信号因为电源纹波和信号搅扰的影响引起波形的细小畸变，通过两层积分后冲程累积差错增大。针对加快度信号丈量位移和冲程所存在的问题，本文在剖析形状滤波和传统滑润滤波的基础上，提出了一种改善的复合滤波办法。
形状滤波法
形状滤波［6］是一种非线性数字滤波技能，首要运用在人脸辨认范畴。依据加快度信号的特色，形状滤波能够有效地按捺加快度信号的噪声，较好的坚持加快度信号的几许特征［5］。本文选用了腐蚀与分散相结合的办法来到达形状滤波的作用，中心算法界说为：
Y={［（fΘg）⊕g］（n）+［（f⊕g）Θg］（n）}/2
其间，［（fΘg）⊕g］（n）标明形状开运算，［（f⊕g）Θg］（n）标明形状闭运算，g标明结构元素，本文选用{0，7.0711，10，7.0711，0}。
通过抽油现场测验，游梁式抽油机的位移和冲程丈量作用抱负，加快度信号波形如图3所示。
可是，该结构元素g只针对游梁式抽油机规划，对皮带式抽油机没有兼容性，现场测验成果差错很大。因为形状滤波的性能与结构元素有密切关系，当信号的先验波形无法确认时，理论上应选用自适应办法对结构元素尺度最优估量。明显，运用MSP430单片机进行自适应算法是不切合实践的。
改善的滑动滤波法
传统的滑动滑润滤波只采样一次，将这一次采样值与曩昔若干次采样值一同求均匀，若取N个采样值求均匀，RAM中有必要拓荒N个数据的暂存区。
因为冲次（1分钟内抽油机上下往复的次数）通过判别加快度的两个最高点的核算得出（两个最高点之间的点数乘以采样周期50ms得到抽油机运转周期，冲次=60/周期）。运用传统的滑动滤波办法最高点的误判率高，难以得出精确的周期。本文选用了一种改善的滑动滤波办法，很好的处理了以上问题。
选用MSP430F1611（10K RAM）界说1800巨细浮点数数组用来存储90s的加快度原始信号。通过3次滑动滑润滤波，公式如下：
3点滑动块：XK=（XK-1+XK+XK+1）/3 （1≤K≤N-1）
7点滑动块：XK+（XK-3+XK-2+XK-1+XK+XK+1+XK+2+XK+3）/7 （3≤K≤N-3）
式中：XK标明第K次收集的加快度数据;N标明收集数据个数;K标明当时加快度信号的序号。
通过3点滑动块或7点滑动块处理90s收集的一切加快度信号后找到最大值MAX，然后在MAX前后找出附近的最大值MAX1和MAX2（MAX-MAX10.01V，MAX -MAX20.01V），在50ms采样间隔下算出周期和冲次：
式中：T标明抽油机上下周期;nMAX1标明MAX1点的收集序号;nMAX2标明MAX2点的收集序号。
本文比照3点滑动块和7点滑动块的波形，并对核算出的位移和冲程进行比较，发现7点滑动块更能反映实在的加快度信号，同一口井的冲程丈量重复性好，如图4所示。
加快度两层积分算法
示功图测验仪运用加快度信号直接得到位移和冲程信息。得到加快度的丈量值后，要核算抽油杆运动的相对位移还有必要处理两个问题：加快度的零点校正和积分求速度时鸿沟条件的确认。因只需得到抽油杆运动的相对位移，由速度积分求位移时，可将鸿沟条件置为零。
通过理论上的归纳推导，由加快度求位移或冲程的算法可扼要表述为：
（1）将一个周期内加快度的丈量值减去其均匀值，令鸿沟条件为零，对修正后的加快度积分（在MSP430中选用数值积分）得到速度;
（2）将所求的速度减去其均匀值，令鸿沟条件为零，对修正后的速度积分（在MSP430中选用数值积分），即得到相对位移或冲程。
现场实验数据剖析
加快度传感器ADXL203在电路板上实践放置方位的差错能够直接影响其输出信号的巨细，本规划将ADXL203水平放置在电路板上。为验证ADXL203放置方位是否精确，分别在水平缓笔直两种办法下测验了5次。测验成果标明，不管水平放置仍是笔直放置，X，Y两轴的差错均小于0.5%。由此标明，在规划、焊接和装置过程中，ADXL203的方位十分精确，到达了去除鸿沟双积分算法的详细精度要求。
针对游梁式抽油机和皮带式抽油机两种不同类型的抽油机井型，先后进行了屡次现场丈量和数据剖析，以冲程丈量为例的数据与剖析如表1所示。游梁式抽油机归于旋转运动转化为抽油杆上下运动，往复一次的运动规则挨近正弦波改动，且冲程较短;皮带式抽油机直接驱动抽油杆上下运动，运动规则挨近矩形波改动，且冲程较长。
结语
现场实验成果标明，本文研讨的位移或冲程丈量技能适用于冲程从2.1m~5m，冲次从0.8冲~5冲的不同抽油机井型，并且具有较高的丈量精度;可是，关于冲次《0.8冲的稠油井抽油机，丈量差错偏大。
