吳宏岐，李超，呂曉峰

(寶雞文理學院，陜西 寶雞 721016)

0 引言

在石油開采中，有些區(qū)域的石油滲透率不高，石油油位形成比較慢，這樣抽油機工作一段時間后，就會空轉(zhuǎn)，從而消耗電能[1]。為降低抽油機能耗，有時需人工觀測油管出油情況，以便控制抽油機的運行。這樣即費時，又費人力，抽油效率又不高。為此，我們將超聲波探頭及回波接收器安裝在抽油機底部，采用超聲波測距方法對油井油位進行測量，以單片機主控制器，設計油井油位測控系統(tǒng)。因超聲波在傳播中衰減較小、反射能力強[2]，故可準確地檢測井下油位。測控系統(tǒng)根據(jù)油位高低自動控制抽油機工作狀態(tài)(運行或停止)，降低了損耗，節(jié)省了人力成本，提高了抽油機的采油效率。

1 測控系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 測控系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用AT89C2051單片機為主控制器，它與超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補償電路、油位顯示器及抽油機驅(qū)動電路構(gòu)成一測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對油井油位測量及控制抽油機工作狀態(tài)的控制，如圖1所示。AT89C2051是低電壓、高性能的微控制器，是油井油位測控系統(tǒng)核心，它根據(jù)油井油位高度來控制抽油機的工作狀態(tài)。

圖1 油井液位測控系統(tǒng)圖

超聲波發(fā)射電路如圖2所示它主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射器T/R40構(gòu)成。工作時，接受單片機 AT89C2051輸出給的方波信號，經(jīng)過反相器輸給發(fā)射器的兩個電極上，使其內(nèi)部共振板振動產(chǎn)生超聲波。超聲波接收電路主要有超聲波接收器T/R40(發(fā)射與接受配對)和檢波接受芯片CX20106A組成，如圖3所示。它接受超聲波遇到油位界面反射回來的回波信號，經(jīng)過濾波、檢波、整形后送入單片機中。采用美國 DALLAS半導體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點;由它構(gòu)成溫度補償電路如圖4所示，系統(tǒng)運行中，溫度補償電路測量系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度，用來減少環(huán)境溫度變化對超聲波速度的影響[3]，提高測量油位精度。油位顯示器采用 LED，實時顯示油井油位的高度，以供操作人員監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在測控系統(tǒng)啟動后，在單片機控制下，超聲波發(fā)射電路接受單片機發(fā)送一定頻率的脈沖信號作，激勵超聲波發(fā)射器產(chǎn)生超生波如圖5所示，于此同時啟動片內(nèi)定時器工作。超聲波在油井中通過空氣介質(zhì)到達原油液面，將形成反射波;反射波再經(jīng)過空氣介質(zhì)傳播返回到超聲波接收器(圖5所示)，通過接受電路把聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，此電信號經(jīng)過放大和整形處理后輸入到單片機中，如圖1所示。由單片機中定時器確定超聲波發(fā)射后到接受回脈沖的時間間隔，再根據(jù)超聲波在傳播介質(zhì)的傳播速度，按下式1可計算出傳播距離[4]。

圖2 超聲波發(fā)射電路

式中S為探頭與石油液面之間的距離，ν為空氣介質(zhì)中聲波的傳播速度，t為從發(fā)射超聲波開始至接收到反射回來超聲波之間所經(jīng)過的時間。

圖3 超聲波接受電路

圖4 溫度補償電路

由S值再經(jīng)過與固定距離比較換算后，即得出油井油位高度H。由于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 v與環(huán)境溫度 有 關[5－6]，在空氣中可表示為:ν(T)=(331.4+

圖5 超聲波油井油位檢測圖

式中T為環(huán)境溫度。

由2式可以看出，溫度每升高1℃，聲速增加約為0.6 m/s，這將使測量產(chǎn)生一定的誤差。為此采用溫度傳感器DS18B2為核心的溫度補償電路，修正聲速，以提高測量精度。當油井油位高度達到一定值時，發(fā)出信號控制抽油機工作，開始抽油;當油位高度很低時，停止抽油機工作，防止抽油機空轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)軟件都由C51系列單片機C語言實現(xiàn)。油井油位值及顯示和抽油機工作控制是在主程序中完成的。整個系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn)可以分為主程序、溫度測試子程序、測距中斷服務子程序、顯示子程序等幾個主要部分。主程序是單片機程序的主體，整個單片機端系統(tǒng)軟件的功能的實現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了各個子程序及中斷服務程序。如圖6所示為系統(tǒng)的主程序流程。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3 結(jié)束語

本文設計的油井油位測控系統(tǒng)，可廣泛應用低滲透率油田和生產(chǎn)后期油層形成比較緩慢區(qū)域。由于采用非接觸的超聲波檢測方式及高性能的單片機AT89C2051，使得系統(tǒng)測量準確、控制穩(wěn)定。有效的解決了大功率抽油機空轉(zhuǎn)問題，節(jié)約能源、提高了抽油機的使用壽命及采油效率。

[1]張軍，韓兵奇，劉宗恩，等.抽油機節(jié)能方案研究[J].機電工程技術，2010，40(8):28 －32.

[2]韋穗林.數(shù)字式超聲波測距儀的研制[J].電子設計工程，2009，17(10):39－41.

[3]楊媛，高勇，李福德，等.提高超聲波檢測系統(tǒng)信噪比的理論研究及檢測控制方案[J].計量學報，2001，22(4):12 －15.

[4]吳賽燕、楊輝.超聲波測距信號處理研究[J].福建電腦，2009，25(3):73.

[5]孫鐘，李全育，刁海波，等.溫度對超聲波檢測缺陷定位定量的影響[J].無損檢測，2011，34(4):26 －29.

[6]胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設計[M].北京:清華大學出版社.2002:45－60.