2.2 Проектування давача положення шгну на основі інтегральних акселерометрів

При автоматизації роботи установок ШГН необхідно вимірювати параметри руху точки підвісу насосних штанг. Ця інформація потрібна для побудови динамограм і ватметрограм (відповідно графіків зміни зусилля і споживаної електродвигуном активної потужності у функції переміщення штока), що в свою чергу необхідно для діагностики стану обладнання, режиму її функціонування, а також регулювання продуктивності установки ШГН.

Параметри руху установки ШГН включають в себе довжину ходу, частоту і період хитань, моменти проходження штоком нижньої і верхньої мертвих точок.

Для вимірювання параметрів руху штока використовуються різні засоби: давачі кута нахилу, маятники з потенціометрами, кінцеві вимикачі, безконтактні давачі положення, що встановлюються на вихідному валу редуктора і лінійні акселерометри.

На даний час на балансирних верстатах-гойдалках широко використовуються безконтактні давачі положення. Вони встановлюються, як правило, на вихідному валу редуктора і являють собою геркони або давачі Холла, що спрацьовують при проходженні поруч з ними постійних магнітів. Так як один оборот валу редуктора відповідає одному повному циклу гойдання, це дозволяє з необхідною точністю фіксувати моменти проходження штоком однієї (нижньої) або двох - (нижньої і верхньої) мертвих точок. Недоліки такого способу визначення параметрів руху штока наступні:

1. Давачі положення розташований окремо від інших елементів системи автоматизації (наприклад, давача зусилля в системах динамометруванні), що викликає додаткові проблеми зі з'єднувальними кабелями.

2. Давач вимагає дуже точної установки (суміщення давача Холла з магнітами має відбуватися точно в мертвих точках, також потрібне забезпечення малого зазору між ними). Природно, після проведення будь-яких ремонтних робіт на свердловині ці налаштування збиваються, і потрібно виїзд спеціальної бригади для відновлення працездатності давача.

3. Давач непридатний для установок ШГН з ланцюговим приводом, у яких немає однозначної залежності між кутом повороту вихідного валу редуктора і положенням точки підвісу штанг.

Виходом з даної ситуації могли б стати аналогічні давачі, що встановлюються на гирлі свердловини і реагують на магніти, закріплені безпосередньо на штоку. Однак на практиці такі системи не прижилися в силу ряду причин:

1. Давач знаходиться у вибухонебезпечній зоні, потрібно його спеціальне виконання, що відбивається на ціні.

2. При проведенні будь-яких ремонтних робіт на свердловині будуть зміщуватися налаштування елементів давача і буде потрібно їх подальше регулювання.

3. Після зміни довжини ходу штока знову потрібна настройка елементів давача.

Найбільш оптимальним, з цієї точки зору способом визначення параметрів руху штока, є використання лінійного акселерометра для вимірювання прискорення, що виникає при зворотно-поступальному русі штока насосної установки, і наступному інтегруванні цього сигналу спочатку у швидкість, а потім в переміщення.

2.2.1 Аналіз інтегральних акселерометрів

Застосування акселерометрів для визначення параметрів руху штока є дуже зручним і практичним рішенням: малогабаритний інтегральний акселерометр може бути поєднаний в одному корпусі з давачем навантаження, що зменшує кількість кабельних з'єднань, значно спрощує монтаж, знижує металоємність і вартість системи динамометрування.

Однак такі давачі працюють в діапазоні дуже низьких рівні прискорень, що виникають при русі точки підвісу штанг і наявності паразитних вібрацій.

При цьому механічні збурення, створювані ударами і вібраціями механічних вузлів обладнання будуть створювати перешкоди, що мають значно більшу амплітуду прискорень. Використання фільтрів, в свою чергу, вносить в сигнал фазові спотворення, через що відповідні моменти ходу штока будуть фіксуватися з деяким тимчасовим запізненням.

Важливим чинником є ​​широкий діапазон зміни температури навколишнього середовища від мінус 40 до + 60 ° С, тоді як всі інтегральні акселерометри мають значні температурні похибки.

Тому практично всі динамографи з давачами переміщення на основі акселерометрів за паспортом мають похибку не менше 5%. Така похибка не може забезпечити достовірність отриманих динамограм і, відповідно, адекватне прийняття рішень за результатами їх аналізу. Тому була зроблена спроба розробки давача параметрів руху штока установки ШГН, який забезпечує, перш за все, фіксацію моментів проходження штоком нижньої і верхньої мертвих точок з похибкою не більше 0,5 ... 1,0%, а також проаналізувати можливість вимірювання за допомогою акселерометра довжини ходу штока.

Розглядалося кілька видів інтегральних акселерометрів: плівкові п'єзоелектричні, об'ємні і поверхневі.

Плівкові п'єзоелектричні інтегральні акселерометри випускає компанія Atochem Sensors - акселерометри серії ACH.

Об'ємні інтегральні акселерометри виробляє компанії Lucas NovaSensor - акселерометри серії NAC.

Поверхневі інтегральні акселерометри випускає компанія Analog Devices - акселерометри серії ADXL, а також компанія Motorola - акселерометри серії XMMA.

Для розроблювального давача переміщення найбільш доцільно з точки зору ціни, доступності, якості та габаритів, виявилося використовувати інтегральні акселерометри фірми Analog Devices [4].

У таблиці 2.2 наведені основні технічні характеристики інтегральних акселерометрів фірми Analog Devices.

Таблиця 2.2 -Технічні характеристики акселерометрів, які випускаються фірмою Analog Devices

Модель акселерометра	ADXL103	ADXL204	ADXL213	ADXL322	ADXL202
Кількість осей	1	2	2	2	2
Діапазон вимірювань, g	±1,7	±1,7	±1,2	±2	±2
Тип выходного сигнала	Аналог.	Аналог.	ШІМ	Аналог.	ШІМ
Чутливість	1000 mV/g	620 mV/g	30 %/g	420 mV/g	12.5 %/g
Нелінійність шкали, %	0,5 - 2,5	0,5 - 2,5	0,5	0,2	0,2
Поперечна чутливість, %	2 - 5	2 - 5	2	2	2
Температурний дрейф нуля, mg/0C	0,1	0,2	0,25	0,5	2
Температурний дрейф чутливості, % від величини вимірювання	0,2	0,3	0,3	0,4	0,5
Густина шумів, mg/VГц	110	170	160	220	200
Споживаний струм, мА	0,7	0,5	0,7	0,5	0,6
Діапазон робочих температур, °С	- 40 - 125	- 40 - 125	- 40 - 85	- 20 - 70	- 40 - 85

З таблиці 2.2 видно, що найбільшою чутливістю і мінімальної сумарної похибкою володіє інтегральний акселерометр ADXL103.

Акселерометр ADXL213 має дещо більшу чутливість, але поступається ADXL103 за такими параметрами як нелінійність, температурний дрейф нуля і щільність шумів. Широтно-імпульсний тип вихідного сигналу менш зручний, ніж аналоговий. Крім того, для даної задачі потрібно вимірювати прискорення тільки по одній осі, тоді як ADXL213 має дві осі вимірювання прискорення і, відповідно, є надлишковим. Як видно з таблиці 2.2, найбільший внесок у загальну величину похибки акселерометра ADXL103 вносять зсув нуля і чутливості - по 10% і 6%, відповідно, потім йде похибка поперечної чутливості (2 ... 5%) і нелінійність акселерометра (0,5. ..2,5%) і зовсім невеликий внесок вносять температурний дрейф нуля і чутливості акселерометра - по 0,265% і 0,2%, відповідно.