摘 要：潜油电泵机组是具有超细长转轴的复杂旋转机械，有复杂的生产及安装工艺，且采用了多级离心泵，在生产过程中会产生强大的振动源，测量并分析机组振动状况，是评估潜油电泵机组的运行状况、提高可靠性的重要手段。本文采用MMA3201振动加速度计监测振动状况，并采用4 mA~20 mA电流环将信号传输到井上MCU进行分析处理，根据监测和处理结果，适时提泵检修，采取合理的减振措施，延长潜油电泵的使用寿命。
0 引言
目前，潜油电泵已经成为采油工业中的主导设备，其系统组成如图1[1]所示。
潜油电泵机组属于细长结构，各部分之间靠装配组合在一起，其主要部分为多级离心泵，而每节离心泵本身又有许多级，每级均由一百多个叶轮和导轮组成。将多级离心泵装配在一起之后，再将其整体固定在一根细长的轴上。由于整个潜油电泵上装配的零件很多，因此整个潜油电泵装置的刚性比较差，加之其细长的柱形结构，一旦零件的重心偏离轴心，其在潜油电机的驱动下高速旋转时惯性将会很大。因此，多级离心泵的结构是造成潜油电泵振动的主要因素。此外，井下的环境因素如液面深度、泥沙沉积等也会增加零件的振动[2]。产生振动的原因，除去系统本身不可避免的因素之外，电机选型与油井不匹配、安装过程不规范、潜油电机运行过程中三相电压不平衡等均可能造成强烈的振动。这些都将直接导致潜油电泵使用寿命大幅度降低，因此对潜油电泵机组振动测试及状态分析有助于企业完善产品质量和提高经济效益。
1 振动传感器的选择
与振动相关的物理量有位移、速度、加速度等，因此测振就是对这些振动量的检测。加速度、速度、位移之间是积分微分关系，实际测振系统只需对其中的一个物理量进行测量，即可通过这种关系得出其他两个物理量。目前在测振行业中用的较多的是加速度传感器。常见的加速度计有压电式加速度计、集成电路式压电加速度计、变电容式加速度计和压阻式加速度计。
本文选用MMA3201KEG加速度计，这是一种基于微机电系统（MEMS）的芯片化电容式两轴加速度传感器。由于电容极板之间的惯性，当有加速度存在时，极板间距的变化会导致电容参数C的变化，通过这一原理使两个轴上的加速度转变为电压信号输出。该芯片具有如下特点 ：
⑴ 表面安装。适合安装于印刷电路板上；
⑵ 电源电压范围是4.75 V~5.25 V；
⑶ 测量范围是-40 g~+40 g，0 g对应的输出电压为2.5 V；
⑷ 工作温度范围为-40℃ ~ +125℃；
⑸ 具有自检和自校准功能；
⑹ CMOS信号调理器；
⑺ 4阶贝塞尔滤波器脉冲形状完整保留；
⑻ 低电压检测、时钟监视器和EPROM奇偶校验状态。
加速度传感器的物理模型与等效电路如图2所示。加速度传感器采用硅开云棋牌官网在线客服材料制成的电容传感器，有3个极板，上下两个极板是固定的，分别接A、B端；中心极板是可动的，接O端,这样就构成了两只背靠背电容。
众所周知，电容的计算公式为：
其中，ε0是真空介电常数，εr是电容极板之间的相对介电常数，A是极板重叠面积，d是两极板之间的距离。当受到振动或者冲击时，中心极板就会发生移位，由式（1）可知，CAO和CBO的电容量C1、C2随极板之间距离的变化而改变。当受到向上的加速度时，中心极板在惯性力的作用下产生了一定的位移，使得CAO和CBO的电容量发生变化，从中可获取加速度信号。该信号经过积分器和放大器，送至贝塞尔滤波器。贝塞尔滤波器能提供一个平坦的延时响应，可保证脉冲波形的完整性。
由MMA3201KEG构成的加速度传感器来测量潜油电泵的振动应用电路如图3所示。其中C3为电源去耦电容；引脚端6输出X轴加速度电压，由R1和C1构成低通滤波器滤波后输出；引脚端11输出Y轴加速度电压，由R2和C2构成低通滤波器滤波后输出；引脚端5连接到高电平时，在上升沿时刻可使芯片初始化（复位）；引脚7检测到故障时，输出高电平信号。
2 振动信号的测量与传输设计
在工业现场进行数据采集与监控时通常选用仪表放大器来完成信号的调理，但其在进行长线传输时会产生以下问题：⑴由于传输信号是电压信号，在传输过程中会受到噪声的干扰而不纯洁；⑵传输线的电阻会产生电压降，那么接收端的信号就会产生误差；⑶在现场如何提供仪表放大器所需要的不同工作电压也带来一定问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，本文借鉴工业上常用的两线制4 mA~20 mA模拟电流环传输机制，其数据传输方式在井下具有较强的抗干扰能力，能够有效解决可靠性问题。4 mA表示零信号，20 mA表示信号的满刻度，20 mA电流通断所引起的电火花不足以引燃瓦斯，因此取20 mA为上限来防爆，下限不取0 mA是为了能够检测断线。
本文选用美国BB公司生产的两线制V/I变换器XTR115[3]，通过电压信号控制输出电流来传输振动信号。
XTR115具有如下性能特点：
⑴ XTR115属于二线制电流变送器，可将传感器产生的40 μA~200 μA弱电流信号放大100倍，获得 4 mA~20 mA的标准输出。当环路电流接近32 mA时能自动限流。
⑵ 芯片中增加了+2.5 V、+5 V精密稳压器，其输出电压精度为±0.05%，可给外部电路单独供电，从而简化了外部电源的设计。
⑶ 精度高，非线性，误差小。转换精度可达±0.05%，非线性误差仅为±0.003%。
⑷ 专门设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，它与内部输出晶体管并联后可降低芯片功耗。
⑸ XTR115由环路电源供电，其允许范围为7.5 V~36 V。
其传输电路如图4所示。
图4中， U1的8脚为振动芯片U2提供+5 V的电压，这样既可以节省井下电路有限的空间，又减少了经过功能器件后信号的损耗，同时也减少了电流的损耗，使传输到井上的信号更加准确。U1和U3的4脚输出的是转换后的振动电流信号，该信号将随着电缆传回到地面系统进行处理。
3 振动测试系统的调试
潜油电泵监测系统采用三相交流电机作为实验室条件来测试该测振系统能否正常工作[5]。采集到的X轴的振动信号输出波形如图5所示。
通过观察上面采集的振动波形的时域波形图可知电机运转正常，从其波动范围可看出这个频率与电机的频率基本一致。上述波形的频谱图如图6所示。
由振动频谱图可看出电机的X轴振动数据在频域中的主要频率成分都表现在50 Hz 附近，取一尖峰值46.5 Hz，根据该值可求得电机转速为：46.5×60/2=1 395 r/min，这与电机的额定转速基本一致，表明本文所设计的振动测试系统所采集的数据就是电机在正常运行时的振动数据，从而说明该测试系统用于电机振动信号的采集是有效可行的。
4 结论
本文主要测量在电机运行情况下潜油电泵机组的振动情况。首先通过采用MMA3201KEG变电容式加速度传感器测得电潜泵机组的振动模拟电压信号；随后通过XTR115电流发生器将测得的振动电压信号转换成易于传输的电流信号，电流信号通过潜油电泵三相动力电缆传输到地面系统，由地面系统来完成对信号的采集、处理；最后根据采集得到的振动信号评估此时电潜泵机组的振动情况，以此来完成对机组振动情况的监测。本系统在设计时充分考虑了井下装置的安装空间和器件的干扰性，巧妙地利用XTR115的+5 V稳压电源对井下装置进行供电，并采用二线制4 mA~20 mA模拟电流环传输信号，将所测得的信号排除井下复杂环境的干扰而准确传输到地面系统并进行分析。多次试验最终验证了本测试系统能够准确、可靠地实现对潜油电泵机组振动信号的采集和测量。
参考文献
[1] 梅思杰,邵永实,刘军,等. 潜油电泵技术[M]. 北京:石油工业出版社, 2004.
[2] 张玉斌,于海春. 潜油电泵机组可靠性研究[J]. 石油学报, 2003,24(4):103-107.
[3] 昝勇，罗永红，王沛莹. XTR电流环电路原理及应用[J]. 中国设计工程, 2011,19(8):190-192.
[4] 袁丽丽. 潜油电泵井下参数高精度监测及高效运行研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2011.
[5] 杜鹏. 井下多状态参数监测系统的研究[D]. 沈阳:沈阳工业大学, 2013.