摘 要： 潛油電泵機組是具有超細長轉軸的復雜旋轉機械，有復雜的生產及安裝工藝，且采用了多級離心泵，在生產過程中會產生強大的振動源，測量并分析機組振動狀況，是評估潛油電泵機組的運行狀況、提高可靠性的重要手段。本文采用MMA3201振動加速度計監測振動狀況，并采用4 mA~20 mA電流環將信號傳輸到井上MCU進行分析處理，根據監測和處理結果，適時提泵檢修，采取合理的減振措施，延長潛油電泵的使用壽命。
0 引言
目前，潛油電泵已經成為采油工業中的主導設備，其系統組成如圖1[1]所示。
潛油電泵機組屬于細長結構，各部分之間靠裝配組合在一起，其主要部分為多級離心泵，而每節離心泵本身又有許多級，每級均由一百多個葉輪和導輪組成。將多級離心泵裝配在一起之后，再將其整體固定在一根細長的軸上。由于整個潛油電泵上裝配的零件很多，因此整個潛油電泵裝置的剛性比較差，加之其細長的柱形結構，一旦零件的重心偏離軸心，其在潛油電機的驅動下高速旋轉時慣性將會很大。因此，多級離心泵的結構是造成潛油電泵振動的主要因素。此外，井下的環境因素如液面深度、泥沙沉積等也會增加零件的振動[2]。產生振動的原因，除去系統本身不可避免的因素之外，電機選型與油井不匹配、安裝過程不規范、潛油電機運行過程中三相電壓不平衡等均可能造成強烈的振動。這些都將直接導致潛油電泵使用壽命大幅度降低，因此對潛油電泵機組振動測試及狀態分析有助于企業完善產品質量和提高經濟效益。
1 振動傳感器的選擇
與振動相關的物理量有位移、速度、加速度等，因此測振就是對這些振動量的檢測。加速度、速度、位移之間是積分微分關系，實際測振系統只需對其中的一個物理量進行測量，即可通過這種關系得出其他兩個物理量。目前在測振行業中用的較多的是加速度傳感器。常見的加速度計有壓電式加速度計、集成電路式壓電加速度計、變電容式加速度計和壓阻式加速度計。
本文選用MMA3201KEG加速度計，這是一種基于微機電系統（MEMS）的芯片化電容式兩軸加速度傳感器。由于電容極板之間的慣性，當有加速度存在時，極板間距的變化會導致電容參數C的變化，通過這一原理使兩個軸上的加速度轉變為電壓信號輸出。該芯片具有如下特點 ：
⑴ 表面安裝。適合安裝于印刷電路板上；
⑵ 電源電壓范圍是4.75 V~5.25 V；
⑶ 測量范圍是-40 g~+40 g，0 g對應的輸出電壓為2.5 V；
⑷ 工作溫度范圍為-40℃ ~ +125℃；
⑸ 具有自檢和自校準功能；
⑹ CMOS信號調理器；
⑺ 4階貝塞爾濾波器脈沖形狀完整保留；
⑻ 低電壓檢測、時鐘監視器和EPROM奇偶校驗狀態。
加速度傳感器的物理模型與等效電路如圖2所示。加速度傳感器采用硅半導體材料制成的電容傳感器，有3個極板，上下兩個極板是固定的，分別接A、B端；中心極板是可動的，接O端,這樣就構成了兩只背靠背電容。
眾所周知，電容的計算公式為：
其中，ε0是真空介電常數，εr是電容極板之間的相對介電常數，A是極板重疊面積，d是兩極板之間的距離。當受到振動或者沖擊時，中心極板就會發生移位，由式（1）可知，CAO和CBO的電容量C1、C2隨極板之間距離的變化而改變。當受到向上的加速度時，中心極板在慣性力的作用下產生了一定的位移，使得CAO和CBO的電容量發生變化，從中可獲取加速度信號。該信號經過積分器和放大器，送至貝塞爾濾波器。貝塞爾濾波器能提供一個平坦的延時響應，可保證脈沖波形的完整性。
由MMA3201KEG構成的加速度傳感器來測量潛油電泵的振動應用電路如圖3所示。其中C3為電源去耦電容；引腳端6輸出X軸加速度電壓，由R1和C1構成低通濾波器濾波后輸出；引腳端11輸出Y軸加速度電壓，由R2和C2構成低通濾波器濾波后輸出；引腳端5連接到高電平時，在上升沿時刻可使芯片初始化（復位）；引腳7檢測到故障時，輸出高電平信號。
2 振動信號的測量與傳輸設計
在工業現場進行數據采集與監控時通常選用儀表放大器來完成信號的調理，但其在進行長線傳輸時會產生以下問題：⑴由于傳輸信號是電壓信號，在傳輸過程中會受到噪聲的干擾而不純潔；⑵傳輸線的電阻會產生電壓降，那么接收端的信號就會產生誤差；⑶在現場如何提供儀表放大器所需要的不同工作電壓也帶來一定問題。
為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，本文借鑒工業上常用的兩線制4 mA~20 mA模擬電流環傳輸機制，其數據傳輸方式在井下具有較強的抗干擾能力，能夠有效解決可靠性問題。4 mA表示零信號，20 mA表示信號的滿刻度，20 mA電流通斷所引起的電火花不足以引燃瓦斯，因此取20 mA為上限來防爆，下限不取0 mA是為了能夠檢測斷線。
本文選用美國BB公司生產的兩線制V/I變換器XTR115[3]，通過電壓信號控制輸出電流來傳輸振動信號。
XTR115具有如下性能特點：
⑴ XTR115屬于二線制電流變送器，可將傳感器產生的40 μA~200 μA弱電流信號放大100倍，獲得 4 mA~20 mA的標準輸出。當環路電流接近32 mA時能自動限流。
⑵ 芯片中增加了+2.5 V、+5 V精密穩壓器，其輸出電壓精度為±0.05%，可給外部電路單獨供電，從而簡化了外部電源的設計。
⑶ 精度高，非線性，誤差小。轉換精度可達±0.05%，非線性誤差僅為±0.003%。
⑷ 專門設計了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內部輸出晶體管并聯后可降低芯片功耗。
⑸ XTR115由環路電源供電，其允許范圍為7.5 V~36 V。
其傳輸電路如圖4所示。
圖4中， U1的8腳為振動芯片U2提供+5 V的電壓，這樣既可以節省井下電路有限的空間，又減少了經過功能器件后信號的損耗，同時也減少了電流的損耗，使傳輸到井上的信號更加準確。U1和U3的4腳輸出的是轉換后的振動電流信號，該信號將隨著電纜傳回到地面系統進行處理。
3 振動測試系統的調試
潛油電泵監測系統采用三相交流電機作為實驗室條件來測試該測振系統能否正常工作[5]。采集到的X軸的振動信號輸出波形如圖5所示。
通過觀察上面采集的振動波形的時域波形圖可知電機運轉正常，從其波動范圍可看出這個頻率與電機的頻率基本一致。上述波形的頻譜圖如圖6所示。
由振動頻譜圖可看出電機的X軸振動數據在頻域中的主要頻率成分都表現在50 Hz 附近，取一尖峰值46.5 Hz，根據該值可求得電機轉速為：46.5×60/2=1 395 r/min，這與電機的額定轉速基本一致，表明本文所設計的振動測試系統所采集的數據就是電機在正常運行時的振動數據，從而說明該測試系統用于電機振動信號的采集是有效可行的。
4 結論
本文主要測量在電機運行情況下潛油電泵機組的振動情況。首先通過采用MMA3201KEG變電容式加速度傳感器測得電潛泵機組的振動模擬電壓信號；隨后通過XTR115電流發生器將測得的振動電壓信號轉換成易于傳輸的電流信號，電流信號通過潛油電泵三相動力電纜傳輸到地面系統，由地面系統來完成對信號的采集、處理；最后根據采集得到的振動信號評估此時電潛泵機組的振動情況，以此來完成對機組振動情況的監測。本系統在設計時充分考慮了井下裝置的安裝空間和器件的干擾性，巧妙地利用XTR115的+5 V穩壓電源對井下裝置進行供電，并采用二線制4 mA~20 mA模擬電流環傳輸信號，將所測得的信號排除井下復雜環境的干擾而準確傳輸到地面系統并進行分析。多次試驗最終驗證了本測試系統能夠準確、可靠地實現對潛油電泵機組振動信號的采集和測量。
參考文獻
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[2] 張玉斌,于海春. 潛油電泵機組可靠性研究[J]. 石油學報, 2003,24(4):103-107.
[3] 昝勇，羅永紅，王沛瑩. XTR電流環電路原理及應用[J]. 中國設計工程, 2011,19(8):190-192.
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[5] 杜鵬. 井下多狀態參數監測系統的研究[D]. 沈陽:沈陽工業大學, 2013.