Устройство диагностирования скважинных штанговых насосов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК ЯО 12244 9 4 Е 04 В 47 00 1 В 4 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТВ(71) Азербайджанский институт нефти ихимии им. М. Азизбекова(54) (57) УСТРОЙСТВО ДИАГНОСВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ШТАНГНАСОСОВ, содержащее датчикии хода, выходы которых подключеньветственно к входам двух преобразовнапряжения, формирователь тактовойты, выход которого подключен к однвходов блока управления, имеющего всоединенные с входами блока памятисчетчиков импульсов, причем другиепервого и второго счетчиков импульсключены соответственно к выходам АВТОРСКОМУ СВИДЕТ ТИРООВЫХ усилиясоотателей частоому из ыходы, и трех входы ов под- преобразователеи напряжения, один выход второго счетчика импульсов подключен к другому входу третьего счетчика импульсов, а другой выход второго и выход третьего счетчиков импульсов соединены с двумя входами схемы сравнения, выход которой подключен к другому входу блока управления, и блок индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности диагностирования, оно дополнительно снабжено цифровым анализатором спектра и решающим блоком, входы цифрового анализатора спектра подключены соответственно к выходам первого счетчика импульсов, формирователя тактовой частоты и блока управления, выходы - к входу решающего блока и третьему входу блока управления, а выход решающего блока связан с входом блока индикации, ас причем цифровой анализатор спектра и блок памяти, а также решающий блок и блок управления соответственно взаимосвязаны между собой и решающий блок связан с бло- С ком памяти.Изобретение касается нефтедобычи, в частности устройств диагностирования скважинных штанговых насосов, и может быть использовано в информационно-измерительных системах для объектов нефтяной промышленности,Цель изобретения - повышение точности диагностирования,На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема устройства диагностирования скважинных штанговых насосов; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы; на фиг. 3 - функциональная схема блока управления; на фиг, 4 - то же, цифрового анализатора спектра; на фиг. 5 - то же, решающего блока.Устройство диагностирования скважинных штанговых насосов (фиг. 1) содержит датчики усилия 1 и хода 2, выходы которых подключены соответственно к входам двух преобразователей 3 и 4 напряжения, формирователь 5 тактовой частоты, выход которого подключен к одному из входов блока 6 управления, имеющего выходы, соединенные с входами блока 7 памяти и трех счетчиков 8, 9 и 10 импульсов, причем другие входы первого и второго счетчиков 8 и 9 импульсов подключены соответственно к выходам преобразователей 4 и 3. Один выход второго счетчика 9 импульсов подключен к другому входу третьего счетчика 10 импульсов, а другой выход второго 9 и выход третьего 10 счетчиков импульсов соединены с двумя входами схемы1 сравнения, выход которой подключен к другому входу блока 6 управления, и блок 12 индикации.Устройство диагностирования скважинных штанговых насосов дополнительно снабжено цифровым анализатором 13 спектра и решающим блоком 14. Входы цифрового анализатора 13 спектра подключены соответственно к выходам первого счетчика 8 импульсов, формирователя 5 тактовой частоты блока 6 управления, выходы - к входу решающего блока 14 и третьему входу блока 6 управления, а выход решающего блока 14 связан с входом блока индикации, причем цифровой анализатор 13 спектра и блок 7 памяти, а также решающий блок 4 и блок 6 управления соответственно взаимосвязаны между собой и решающий блок 14 связан с блоком 7 памяти,На фиг. 2 приняты следующие обозначения: Р - усилие; Я - перемещение;- время; Р; -- значение сигнала усилия в 1; момент времени; 8; - значение сигнала хода в 1; момент времени; Л 1, - шаг дискретизации сигнала хода; Л - пгаг дискретизации сигнала усилия; п - число дискретных значений сигнала хода за один период качания станка-качалки скважинного штангового насоса, Т - период качания станка- качалки.Блок 5 управления (фиг. 3) имеет схему 15 ИЛИ, два входа которой подключены 5 О 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 соответственно к выходу решающего бло. ка 14 и тумблеру Начальная установка, а выход - к входу триггера 16, второй вход которого подключен к выходу делителя 17 частоты, связанного с выходом схемы 11 сравнения, а выход - с входом схемы8 И, на второй вход которой подается сигнал выхода формирователя 5 тактовой частоты. Сигнал с выхода схемы 18 И через счетчик 19 импульсов и триггер 20 связан с входом счетчика 9 импульсов и через делитель частоты 21 - с входом третьего счетчика 10 импульсов. Входы триггеров 22 и 23 связаны с выходом цифрового анализатора 13 спектра, причем вторые их входы связаны соответственно с выходами делителя 17 частоты и схемы 15 ИЛИ, а выходы - с входами схем 24 и 25 И, вторые входы которых связаны с выходом формирователя 5 тактовой частоты, а выходы подключены соответственно к входу реверсивного счетчика 26 и объединенному входу блока 7 памяти и решающего блока 14; Второй вход реверсивного счетчика 26 связан с выходом счетчика 27 числа отсчетов, вход которого связан с выходом триггера 20, Сигнал с выхода реверсивного счетчика 26 через триггер 28 поступает на вход первого счетчика 8 импульсов, причем выход реверсивного счетчика 26 связан также с входом схемы 29 ИЛИ, второй вход которой подключен к выходу делителя 17 частоты, а выход - к входу реверсивного счетчика 26. Сигнал с выхода реверсивного счетчика 26 поступает также через схему 30 И, связанную с выходом триггера 22, и делитель 31 частоты на вход цифрового анализатора 13 спектра,Цифровой анализатор 13 спектра (фиг. 4) имеет счетчик 32 импульсов и триггер 33, входы которых подключены к выходу блока 6 управления, а выходы - соответственно к входам сумматора 34 и схемы 35 И, причем выход счетчика 32 импульсов через схему 36 сравнения связан с входом блока 6 управления. Второй вход сумматора 34 связан с выходом схемы 35 И, второй вход которой связан с выходом формирователя 5 тактовой частоты, а выход его - с адресным входом блока 7 памяти. Выход схемы 35 И связан также с входом делителя 37 частоты, выход которого соединен с входами триггера 33, сумматора 34 и триггера 38, второй вход которого подключен через формирователь 39 коротких импульсов к выходу формирователя 5 тактовой частоты, Выход схемы 35 И через элемент 40 задержки связан с синхровходом блока 7 памяти, а через элемент 41 задержки - с входом схемы 42 И, второй вход которой подключен к выходу триггера 38. Кроме того, цифровой анализатор 13 спектра содержит умножители 43 и 44, два выхода которых подключены соответственно к выходу первого счетчика 8 импульсов и блока памяти 12, а выходы - к входам сумматоров 45 и 46, взаимосвязанных с пазо 50 55 раллельными сдвигающими регистрами 47 и 48, вторые входы которых подключены к выходу элемента 40 задержки. Выходы сумматоров 45 и 46 через умножители 49 и 50 подключены также к входам сумматора 51, выход которого связан с входами регистров 52 и 53, вторые входы которых подключены соответственно к выходам элемента 41 задержки и схемы 42 И, а выходы - к входам делителя 54, связанного через схему 55 И с входом решающего блока 14.Решающий блок 14 (фиг. 5) имеет параллельный сдвигающий регистр 56, два входа которого подключены соответственно к выходам цифрового анализатора 13 спектра и блока 6 управления, а выход - к первому входу вычитания 57, второй вход которого связан с выходом блока 7 памяти, а выход через умножитель 58 и сумматор 59 подключен к входам регистра 60 и схемы 61 сравнения, взаимосвязанных между собой. При этом выход блока 6 управления подключен также через делитель 62 частоты к входам сумматора 59 и счетчика 63 номера класса, выход которого через схему 64 сравнения подключен к входу блока 6 управления, а через регистр 65, связанный со схемой 61 сравнения, подключен к входу блока 12 индикации. Используемые в цифровом анализаторе 13 спектра и решающем блоке4 сумматоры, умножители и делитель могут быть выполнены на основе микросхем К 155 ИМЗ и известных схем И и ИЛИ.Предложенное устройство работает следующим образом.Сигнал с выхода датчика 2 хода (фиг. 1) поступает на вход преобразователя 4 напряжения в частоту, а затем пропорциональная перемещению штанг частота поступает на вход второго счетчика 9 импульсов. На управляющий вход второго счетчика 8 импульсов поступают стробирующие импульсы с выхода блока 6 управления, сформированные из тактовой частоты формирователя 5, При этом в блоке 6 управления триггер 16 (фиг. 3) разрешает проход импульсов с формирователя 5 тактовой частоты через схему 18 И на вход счетчика 19 импульсов, который подсчитывает импульсы, следующие с частотой 1 до момента переполнения. Короткие импульсы с выхода счетчика 19 поступают на счетный вход Р-триггера 20 и преобразуются им в меандр. Таким образом, стробирующие сигналы на входе второго счетчика 9 импульсов следуют с частотой 1 8,Й, 2 гп,- = - , где т, - число состояний счетчика 19. Каждый второй импульс с выхода триггера 20, пройдя через делитель 21 частоты, поступает на вход третьего счетчика 10 импульсов, где записывается значение сигнала хода, измеренное вторым счетчиком 9 импульса на предыдущем шаге дискретизации. Общее число измеренных значений сиг 1 о 15 25 35 40 45 нала хода фиксируется в счетчике 27 числа отсчетов. Схемой 11 сравнения производится сравнение последнего числа во втором счетчике 9 импульсов и предыдущего числа в третьем счетчике 10 импульсов. При равенстве этих чисел с выхода схемы 11 сравнения на вход блока 6 управления поступает сигнал, свидетельствующий о смене направления хода штанг (фиг. 2), При поступлении третьего сигнала с выхода схемы 11 сравнения (окончание первого периода Т качания станка-качалки) на выходе делителя 17 частоты появляется сигнал, перебрасывающий триггер 16, который запрещает поступление импульсов на входы второго и третьего счетчиков 9 и 10 импульсов. С этого момента блоком 6 управления начинают формироваться стробирующие импульсы, следующие с частотой= - -, которые разрешают счет1Мпервому счетчику 8 импульсов. При этом сигнал с выхода датчика 1 усилия поступает на вход преобразователя 3 напряжения в частоту и затем пропорциональная усилию частота поступает на вход первого счетчика 8 импульсов. Частотастробирующих импульсов устанавливается таким образом, чтобы за один период качания станка-качалки было получено Я отсчетов значений сигнала усилия. С этой целью в блоке 6 управления по сигналу с выхода делителя 17 частоты в реверсивный счетчик 26 записывается число Х, измеренных значений сигнала хода с выхода счетчика 27 числа отсчетов, а триггер 22 разрешает прохождение тактовых импульсов с выхода формирователя 5 тактовой частоты через схему 24 И на вычитающий вход реверсивного счетчика 26. В моменты обнуления счетчика 26 короткие импульсы с его выхода поступают на вход триггера 28 и, преобразованные в меандр, следуют на стробирующий вход первого счетчика 8 импульсов. Эти же импульсы, пройдя через схему 29 ИЛИ, вновь записывают число Х, в реверсивный счетчик 26, и цикл отсчета повторяется снова. При этом период следования стробирующих импульсов на входе первого счетчика 8 импульсов со 2 М, Тставляет М = - = - , число отсчетовт сигнала усилия равногп 5ТМрТаким образом, задавая число т, = И состояний счетчика 19 импульсов, можно получить требуемое число М отсчетов сигнала усилия при любом периоде Т качания станка- качалки. Измеренное значение сигнала усилия на каждом шаге дискретизации поступает с выхода первого счетчика 9 импульсов на вход цифрового анализатора 13 спектра, управляемого стробирующими импульсами+ (ХР;яп - Ы), м 1 Ч 45 50 55 5с блока 6 управления, в котором триггер 22 разрешает их прохождение через схему 30 И и делитель 31 частоты. Определение спектральных составляющих исследуемого сигнала усилия основано на реализации следующего соотношения Ск= Ак+ Вк= (ХР; сов - Ы) + где А и В - соответственно косинусные исинусные составляющие 1-й гармоники спектра сигнала усилия;Р, - числовое значение дискретногоотсчета сигнала усилия;1 - порядковый номер дискретного отсчета;1 в порядковый номер гармоники.Классификационные признаки х, для распознавания состояния скважинного штангового насоса по сигналу усилия определяются соотношением х,= - +, где г=1,2,3.Коды дискретных отсчетов сигнала Р(1) с выхода первого счетчика 8 импульсов подаются на объединенные входы умножителей 43 и 44 (фиг. 4), формирующих частные произведенияРгсоз( - Ы) и Р; з 1 п( - Ы).2 л . . 2 лИ Цифровые значения синуса и косинуса поступают на вторые входы умножителей 43 и 44 с выхода блока памяти. При этом номер дискретного значения, зафиксированный в счетчике 32, суммируется 1 раз тактовыми импульсами с выхода формирователя 5 тактовой частоты через открытую схему 35 И в сумматоре 34. Код аргумента с выхода сумматора 34 поступает на адресный вход блока 7 памяти. При поступлении на вход блока 7 памяти стробирующего импульса с выхода схемы 35 И через элемент 40 задержки на выходах блока 7 памяти появляется цифровое значение синуса и косинуса.Цифровые значения частных произведений с выходов умножителей 43 и 44 поступают на входы сумматоров 45 и 46, каждый из которых связан прямой и обратной связью с соответствующими параллельными сдвигающими регистрами 47 и 48, что позволяет осуществлять циклическое движение сумм частотных произведений, соответствующих 1 = 1, 2, 3 и 4 внутри сдвигающих регистров с возвращением в сумматоры сумм для 1 = = 1 ко времени очередного (1+ 1)-го дискретного отсчета сигнала усилия.Параллельно сдвигающий регистр выполнен в виде параллельно соединенных разрядных цепочек, образующих четыре уровня,10 15 20 25 30 35 40 соответствующих числу определяемых гар. моник (1 =- 4). Сдвиг слов в регистре происходит с тактовой частотой формировате. ля 5 импульсами с выхода элемента 40 задержки. Значения сумм частных произведений возводятся в квадрат в умножителях 49 и 50, а затем суммируются в сумматоре 51, Полученные на каждом шаге дискретизации значения квадратов гармоник С сигнала усилия с выхода сумматора 51 подаются на объединенные входы регистров 52 и 53. При этом каждое значение С записывается в регистр 52 тактовыми импульсами с выхода элемента 41 задержки. а в регистр 53 записывается только цифровое значение квадрата первой гармоники, причем стробирующий импульс на вход регистра 53 поступает с выхода схемы 42 И, открывающейся триггером 38. Цифровые значения величин С и С 1 поступают на входы делителя 54, который определяет классификационные при 2знаки х, = - , - . Очевидно, что за времяС,+,выдачи всех М отсчетов на выходе схемы 55 И, связанной с делителем 54, последовательно появляются значения трех классификационных признаков х, х, хз, поступающих на вход решающего блока 14. При этом с выхода схемы 36 сравнения на вход блока 6 управления поступает сигнал окончания обработки сигнала усилия. Блок 6 управления запрещает прохождение стробирующих импульсов на вход цифрового анализатора 13 спектра и начинает работу решающего блока 4. При этом значения классификационных признаков х 1, х и хз записываются в параллельный сдвигающий регистр 56 решающего блока 14 (фиг. 5). Найденные значения классификационных признаков в силу свойств коэффициентов Фурье оказываются инвариантными к положению нулевой линии сигнала усилия, началу отсчета сигнала усилия, коэффициенту передачи в тракте преобразования сигнала усилия и периоду качания станка-качалки. Независимость классификационных признаков от начала отсчета сигнала усилия обеспечивает инвариантность результатов распознавания состояния скважинного штангового насоса от искажающего сдвига фаз между сигналами усилия и хода. Указанные свойства классификационных признаков значительно сокращают объем памяти, необходимой для хранения уставок, характеризующих центр каждого из шести классов состояния скважинного штангового насоса; нормальная работа, утечка в приемном или нагнетательном клапане, высокая или низкая посадка плунжера, незаполнение насоса. При этом заключение о состоянии работы скважинного штангового насоса принимается на основе алгоритма минимума евклидового расстояния между исследуемым образом х(х х 2, хз и центром соответствующего класса г;(к 1;, г;, гз;) определяетсязулп 5= (Хг Хг 1) =ггеыГ:1где х хх - значения классификационныхпризнаков для исследуемого образа-динамограммы;г, к гз; - значения уставок для центра1-го класса состояния скважинного штангового насоса;М = 6 - число классов состояния скважинного штангового насоса. С этой целью в вычитателе 57 определяются разности между найденными значениями классификационных признаков х и уставками соответствующих классов. После возведения в квадрат в умножителе 58 полученные разности суммируются в сумматоре 59. За три периода стробирующих импульсов, поступающих с выхода блока 6 управления в сумматоре 59 образуется цифровое значение евклидового расстояния Ь; между исследуемым образом Х и центром соответствующего класса к;. При этом стробирующие импульсы поступают на вход счетчика 63 классов через делитель 62 частоты и на выходе счетчика 63 фиксируется номер очередного класса состояР пдп понт лигпл пра слгнлтра Уеиод Блана Б упрпбления Вгод Бюорого счетчинаБимлулесобВемодблонобупрпбления Вяодтреюеего счептииногб имлулесоб Внтод сгемтг 77 сробнгния Вяад БлопоБ упрааления бтаод Бпрна б упроблемиг бюдпергога счеатчима Булрабления бетяод б тают Б упраблгм ияВтаб аифеобпго амолигаюора тг еле,татра бтттодфррфиробплтгля УлтонтлпапйВгпдцифробпго аналига лепра /З елен лтра Веггод иифробого онолиг пюра тб спел птра Втод Блана б упрпбленияВелод блана б упродле. л ия ЕгоР Блана 7 ламяю решоюиг его блана ям бетгод решамтгуега Блан/ФЕтаод Блана Б упрабления 1224444ния скважинного штангового насоса. Найденное значение евклидового расстояния Ь; сравнивается схемой 61 сравнения с предыдущим значением 5;В случае, если Ь; ( Ь; 1, с выхода схемы 61 сравнения на вход регистра 60 поступает сигнал, который записывает новое наименьшее значение евклидового расстояния в регистр 60. По этому же сигналу в регистре 65 с выхода счетчика 63 классов запи 1 О сывается код очередного номера класса состояния скважинного штангового насоса.В случае, если код номера класса состояния скважинного штангового насоса равен шести с выхода схемы 64 сравнения на вход блока управления поступает сигнал конца цикла обработки динамограммы, который приводит устройство в исходное состояние. В этот момент с выхода решающего блока 14 на вход блока 12 индикации поступает код номера распознанного класса состояния скважинного штангового насоса и блок 12 индикации сигнализирует о соответствующем состоянии глубинного насоса.Предложенное устройство позволяет диагностировать шесть классов состояния скважинного штангового насоса.1224444 7 ламяювlоУлеюр ул Вмю Ры еел Ение СостТехредТиражГосударсам изова, Ж -Патент,едактор М. Келемешаказ 1902/30ВНИИПИпо дел113035, МосФилиал ППП. Бутяга БекеБ Ьгрлт Б угроАгели витель Э. ГинзбургИ. Верес Корректор В586 Подписноевенного комитета СССРретений и открытий35, Раушская наб., д. 4/5г. Ужгород, ул. Проектная,