肖紅翼 羅仁宏 張海龍

（1.長江大學 電子信息學院，荊州 434023；2.武漢商貿職業(yè)學院 現代工業(yè)技術學院，武漢 430000；3.上海科學技術職業(yè)學院 智能制造工程學院，上海 201899）

柱塞氣舉作為重要的人工舉升方式，在油氣田開采中應用十分廣泛[1-2]。柱塞上行速度和到達井口的狀態(tài)與柱塞氣舉工作制度密切相關，直接影響柱塞氣舉的舉升效率?，F有的柱塞氣舉運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)存在功能單一、成本高等問題，且多以地磁檢測手段為主。地磁檢測傳感器的成本高，需要分析不同軸向的地磁變化，數據處理難度大。為了克服現有技術的不足，設計了一種柱塞運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以微型處理器STM32 為核心，基于法拉第電磁感應定律產生柱塞運動與到達信號，經過設計的濾波整形電路后，由STM32 進行采集，并通過Modbus RTU 協(xié)議將柱塞運動狀態(tài)遠程傳輸至上位機。系統(tǒng)簡化了外圍電路，具有功耗極低、運動狀態(tài)便于觀測與記錄、柱塞氣舉的舉升效率高的優(yōu)點。

1 柱塞運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成

當一塊磁鐵從某一高度落下，通過外部繞有線圈的圓柱體時，會使線圈產生感應電動勢，與之相連的電路將獲得磁鐵經過線圈的信號，依據這一原理進行柱塞運動狀態(tài)檢測[3]。通過在油管上纏繞線圈將磁鐵固定在柱塞上，當柱塞經過線圈時，線圈上將產生感應電動勢。利用設計的濾波與放大電路，放大該感應電動勢信號以獲得表征柱塞經過線圈時的開關量信號。該信號經過STM32 微處理器運算處理后，得到柱塞運動速度與到達信號。

柱塞氣舉運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1 所示。將配有磁鐵的柱塞放置在油管底部，油管上纏繞3 個測速線圈和1 個到達線圈。當含有磁鐵的柱塞運動到線圈位置時，線圈上將產生感應電動勢。通過濾波電路濾除干擾信號后，將感應電動勢信號整形與放大，獲得表征柱塞運動到線圈位置的開關量信號。系列開關量信號觸發(fā)STM32 定時器，從而獲得柱塞運動速度與到達狀態(tài)。STM32 通過Modbus RTU 協(xié)議將柱塞運動狀態(tài)參數發(fā)往上位機進行顯示。電源提供5 V 和±3.3 V 電壓。

2 柱塞運動參數檢測原理

將線圈緊貼在鋼管（油管）上，當柱塞運動至線圈位置時，傳感器輸出高電平信號。當柱塞未運動到傳感器位置時，傳感器輸出低電平信號。將4 個柱塞運動參數檢測傳感器安裝在鋼管上，其中下面3 個傳感器用來檢測柱塞運動速度，最上面靠近井口的傳感器用來檢測柱塞到達標志。在已知傳感器安裝距離的基礎上，通過捕獲每2 個傳感器輸出高電平的時間差，由速度v、距離l與時間t關系式v=l/t可求得速度。

3 系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

帶有磁鐵的柱塞經過線圈時將產生感應電動勢，但該電壓很低且?guī)в须s波信號，為了便于微處理器判斷，需要對該感應電勢進行信號處理[4]。濾波電路采用電阻-電容（Resistor-Capacitance，RC）濾波，濾除電壓信號中的低頻干擾信號。硬件電路中設計有二級放大，其中：一級是通過儀表放大器對共模信號進行抑制的同時，將感應電勢放大，所選儀表放大器為INA128，電路設計放大倍數為40；二級是采用運算放大器放大第一級的輸出，選用TI 公司的OPA2350 運算放大器。

該芯片內置有2 個放大器，電路設計中一個用作普通放大，放大倍數設計為8.5。另一個設計為比較器，電路中比較基準電壓為1.66 V，即將柱塞經過線圈產生的感應電勢經濾波放大后與1.66 V 進行比較。當大于該基準電壓時，OPA2350 輸出高電平信號；當低于該基準電壓時，OPA2350 輸出低電平信號，經過硬件電路的處理后將柱塞經過線圈產生的感應電勢通過開關量呈現出來。濾波與整形電路，如圖2 所示。

圖2 濾波與整形電路

將柱塞運動參數檢測傳感器的輸出端與STM32微處理器相連接，由STM32 進行采集與處理。STM32在輸入端的硬件上通過PC7、PC6、PB8 這3 個通用輸入/輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）端口與傳感器輸出相連接，用以捕捉開關量信號。STM32 的串口與232-485 芯片相連接，實現232 V到485 V 的轉換。數據格式上采用Modbus RTU 協(xié)議與工控機進行數據交互。

3.2 軟件設計

通過系統(tǒng)硬件電路實現了感應電動勢到開關量的轉換，軟件部分主要根據柱塞運動參數檢測原理進行柱塞運動速度計算、到達時間計算以及數據的遠程上傳，在工控機端查看柱塞運動參數[5]。當STM32 檢測到1 號線圈輸出的高電平信號時，開啟定時器1。當STM32 檢測到2 號線圈輸出的高電平信號時，關閉定時器1，讀取時間t1，并開啟定時器2。當STM32 檢測到3 號線圈輸出高電平信號時，關閉定時器2，讀取時間t2。STM32 獲取時間序列數據后，計算得到速度，然后將速度值存入Modbus 寄存器下的緩沖區(qū)，實現向工控機的數據轉發(fā)。當執(zhí)行開井操作后，STM32 控制定時器3 開始計時。STM32 檢測到到達線圈輸出高電平時，讀取定時器3 的計數值，并關閉定時器3，即可獲得柱塞到達時間，同時將該值存入Modbus 寄存器。

4 實驗

本實驗在中石油氣舉實驗基地多相流實驗平臺和氣井動態(tài)模擬實驗裝置中進行。實驗平臺能進行油、氣、水等多種流體實驗，在0 ～90°傾角、常溫至90 ℃、常壓至3.5 MPa、液流量0 ～500 m3·d-1、流體黏度0 ～1 000 mPa·s、 氣流量0 ～50 000 m3·d-1的條件下開展多相流動態(tài)研究。為了分析不同柱塞在0 ～90°傾角的運動特性，測試不同傾角條件、不同壓強條件下柱塞的運動速度。

實驗步驟：打開出口閥釋放管內殘余氣體；當油管壓強達到0 MPa、套管壓強達到10 kPa 時，打開入口閥以小氣量進氣，其中氣動閥開度在3%；當套管壓強為30 ～40 kPa 時，關閉出口閥，打開進液閥和入口閥，同時進氣液；當液段達到目標高度時，關閉液泵停止供液，靜置等待壓強穩(wěn)定；待壓強穩(wěn)定后，打開出口閥；當監(jiān)測系統(tǒng)檢測到柱塞到達時，關閉出口閥。該實驗研究了不同井底壓強、不同傾角下柱塞運動狀態(tài)的相關參數采集。柱塞運動狀態(tài)監(jiān)測數據，如表1 所示。

表1 柱塞運動狀態(tài)監(jiān)測數據

表中，速度1 表示柱塞從1 號線圈到達2 號線圈的快慢程度，速度2 表示柱塞從2 號線圈到達3 號線圈的快慢程度。測試結果表明，在不同工況下，本次設計的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能有效檢測柱塞運動狀態(tài)，可精確測量柱塞運動速度，準確捕捉柱塞到達狀態(tài)?；赟TM32 的柱塞氣舉運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為后續(xù)開展柱塞氣舉物理模擬實驗研究，進一步探索柱塞氣舉的舉升效率問題提供了有力支撐。

5 結語

柱塞氣舉研究多采用軟件模擬的方法，缺乏實際柱塞運動數據的支撐。提高柱塞氣舉的舉升效率，良好控制柱塞運行的前提條件是對柱塞運動狀態(tài)進行監(jiān)測。因此，設計了基于STM32 微處理器的柱塞氣舉運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以法拉第電磁感應定律為理論基礎，結合設計的濾波與整形電路實現了感應電勢到開關量的轉換，便于STM32 微處理器進行捕捉。柱塞運動時經過感應線圈產生開關量信號，觸發(fā)STM32外部中斷，從而檢測柱塞運動速度與到達井口的狀態(tài)，并在工控機端顯示柱塞運動參數。實驗模擬了柱塞氣舉工作環(huán)境，完成了柱塞氣舉運動狀態(tài)監(jiān)測，驗證了基于STM32 的柱塞氣舉運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有效性與實時性，為后續(xù)開展柱塞氣舉漏失量、柱塞運動速度與摩擦系數關系研究提供了較好的硬件支持。