Устройство диагностирования скважинных штанговых насосов Советский патент 1990 года по МПК F04B51/00 

Фиг.1

Изобретение относится к автоматическому измерению, в частности к устройствам диагностирования скважинных штанговых насосов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг,. - функциональная схема блока управления; на фиг. 3 и 4 - динамо- граммы для десяти классов состояний скважинных штанговых насосов (СЩН).

Устройство диагностирования СШН (фиг.1) содержит датчик 1 усилия, подключенный своим выходом к входу преобразователя 2 напряжения, генератор 3 тактовых импульсов (ГТИ), выход-которого связан с входом блока 4 управления, выход которого подклю- чен к первому входу счетчика 5 импульсов, второй вход которого связан с выходом преобразователя 2 напряжения, а выход - с первым входом блока 6 памяти, второй вход которого под- ключеи к выходу блока 4 управления, а выход - к входу схемы 7 сравнения, связанной своим выходом с входом блока 4 управления, два других выхода которого подключены соответственн к двум входам счетчиков 8 и 9 импульсов, счетные входы которьк связаны с выходом генератора 3 тактовых импульсов. Устройство также содержит делитель 10, схему 11 сравнения,два входа которой связаны соответственно с выходами блока 6 памяти и делителя 10, а выход - с входом 4 управления, счетчик 12 импульсов, два выхода которого связаны соответствен- но с выходами ГТИ 3 и блока 4 управления и блок 13 индикации.

Кроме того, предлагаемой устройство снабжено отметчиком 14 крайних положений, связанного своим выходом с входом блока 4 управления, три буферных регистра 15 - 17, три входа которых связаны с соответствующими выходами блока 4 управления,причем регистр 15 взаимосвязан с первой схемой 7 сравнения и один из входов его подключен к выходу блока 6 памяти, а два входа регистров 16 и 17 связаны соответственно с выходами счетчиков 8 и 9 импульсов, а выходы с двумя входами делителя 10, «ри этом выходы счетчиков 8 и 9 импульсов подключены соответственно к входам схем 18 и 19 сравнения,выходы ко

5 0 5 0 , 0

5

5

торых связаны с двумя входами дешифратора 20, три других входа которого подключены соответственно к двум выходам счетчика, а выход - к входу блока 13 индикации.

Блок управления может быть реализован, например, на базе микросхем 155 серии, его функциональная схема (фиг.2) содержит последовательно соединенные фазовый детектор 2 триггер 22, включенный в счетном режиме, элемент И 23. Причем вход фазового детектора 21 связан с выходом отметчика 14 крайних положений, выход элемента И 23 - с входами счетчика 5 импульсов и блока 6 памяти, а один из входов его - с выходом генератора 3 тактовых импульсов (ГТИ), последовательно включенные делитель 24 частоты, элемент ИЛИ 25, счетчик 26 импульсов, регистр 27, схема 26 сравнения и элемент ИЛИ 29. Причем один из входов делителя 24 частоты связан с выходом ГТИ 3, а выход элемента 20 - с входом буферных регистров 15, при этом управляющие входы счетчика 26, регистра 27 и второй вход элемента ИЛИ 29 подключены к выходу элемента ИЛИ 30, два входа которого связаны соответственно с двумя выходами фазового детектора 21, выход регистра 27 связан с входами схем 18 и 19 сравнения, второй выход схемы 28 сравнения подключен к выходу счетчика 26 импульсов, а второй вход делителя 24 частоты подключен к инверсному выходу триггера 31, два входа которого под- ключены соответственно к выходам схемы 11 сравнения и триггера 22, а прямой выход - к первым входам элементов И 32 - 34, вторые входы которых связаны соответственно с выходом ГТИ 3 и двумя выходами фазового детектора 21 .

Выход элемента И 32 связан с другим входом элемента ИЛИ 25 и входом чтения блока 6 памяти, а выходы элементов И 33 и 34 - соответственно к входам триггеров 35 и 36, входы которых связаны соответственно с входами счетчиков 8 и 9 импульсов, а также счетчик 37 импульсов, дешифратор 38 и триггер 39, причем вход счетчика 37 импульсов связан с выходом схемы 7 сравнения, а выход - с входом дешифратора 38, первый и третий выходы которого подключены соответственно к входам буферных I6 и 17

регистров, а второй и четвертый выходы - к другим входам триггеров 35 и 36, при этом четвертый выход дешифратора 38 подключен также к первому входу триггера 39, второй вход которого связан с выходом схемы 11 сравнения, а два его выхода подключены соответственно к входам счетчика 12 импульсов и дешифратора 20,

На фиг. 3 и 4 приняты следующие обозначения: Р - усилие на полированном штоке; S - перемещение точки подвеса штанг; t - время; 1 - теоретическая динамограмма нормальной работы насоса; 2 - реальная динамограмма; Т - период качания балансира;. А и С - точки начала движения штанг соответственно вверх и вниз; В и D - соответственно точки максимума и минимума функции P(t); Bf и П., - соответственно точки частного максимума и минимума функции P(t) на интервалах 0; Тгр 7и Т/2; Т/2 + Т-грЗ; тf - граничное значение длительности участков экстремальных нагрузок; ТЖО( и Тмин - длительности участков соответственно максимальной и минимальной нагрузок; Tt и Т2 - длительности участков соответственно частного минимума и максимума на интервалах О; тГр и Т/2;

т/2 + тгр 3J р и р««кс максимальные значения усилия соответственно на интервалах О; т j. 1 и О; Р2 и Рмин - минимальные значения усилия соответственно на интервалах Т/2; Т/2 + и Т/2; Т.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с выхода датчика 1 усилия поступает на вход преобразователя 2 напряжения в частоту и затем пропорциональная сигналу усилия частота поступает на счетный вход первого счетчика 5 импульсов, на второй вход которого поступают стробирующие импульсы разрешения счета, сформированные в блоке 4 управления из тактовой последовательности импульсов генератора 3 тактовых импульсов (фиг.1).

Момент начала поступления строби- рующих импульсов на вход счетчика 5 совпадает с моментом прохождения точкой подвеса штанг (ТПИ) своего крайнего нижнего положения, когда с выхода отметчика 14 крайних положений (ОКП) на вход блока 4 управления пос

тупает сигнал, проходящий через фазо- вый детектор 21 (фиг.2). При этом на первом выходе фазового детектора 21 появляется импульс, поступающий на счетный вход триггера 22, который устанавливается в единичное состояние и разрешает прохождение строби- . рующего импульса с ГТК 3 через элемент И 23 на вход счетчика 5 импульсов и вход блока 6 памяти. По этим - сигналам с выхода счетчика 5 импульсов код P(i) текущего значения сигнала усилия записывается в блок 6 памяти с, Запись дискретных отсчетов P(i) сигнала усилия в блок 6 памяти осуществляется в течение первого периода Т качания балансира. Одновременно тактовая частота fT с выхода 0 ГТИ 3, проходя через делитель 24 частоты и элемент ИЛИ 25, поступает на счетный вход счетчика 26, подсчитывающего число отсчетов сигнала усилия, которое может уложиться на интервале

25

т --- хгр 8

(-„-). При поступлении на

вход блока 4 управления сигнала о конце очередного полупериода качания, с выхода ОКП 14, этот сигнал, проходя через фазовый 21 детектор, элемент ИЛИ 30, поступает на управляющие входы счетчика 26 импульсов и регистра 27, При этом содержимое

N

гр

счетчика 26 импульсов записыва

ется в регистр блока 27 памяти, а сам счетчик обнуляется. Причем

Nrp fr/n - Т/2 7Јт Т/16. Следовательно, если на вход записи блока 6 памяти за полпериода качания поступит N fT - Т/2 импульсов, то в регистр 27 запишется код пропорциональный N ... з- - N. 1 г о

При поступлении с выхода ОКП 14 второго сигнала о прохождении ТПП1 нижнего положения (конец первого пе- . риода качания) в блоке 4 управления, триггер 22 сбрасывается в нулевое состояние, запрещая прохождение стробирующих импульсов через элемент И 23 на входы записи блока 6 памяти и счетчика 5 импульсов. На этом этап измерения и записи в память

дискретных отсчетов сигнала усилия заканчивается и во втором периоде качания начинается этап чтения указанных отсчетов из памяти с целью определения экстремальных значений При

этом сигнал с выхода триггера 22 устанавливает в единичное состояние триггер 3|, который запрещает работу делителя 24 частоты и разрешает прохождение тактовых импульсов с частотой fT с выхода ГТИ 3 через элемент И 32 и ИЛИ 25 на счетный вход счетчи ка 26 Импульсов. Текущий код N(i) на выходе счетчика 26 сравнивается с кодом Nrp , записанном на предыдущем этапе в регистр 27 схемой 28 сравнения. В момент равенства N(i) - Nrp этих кодов на выходе схемы 28 сравнения появляется сигнал, который через элемент ИЛИ 29 поступает на . управляющие входы буферных регистров 15. Таким образом формируются два временных интервала TrpJ и Т/2; Т/2 4- ТГр 3 за цикл качания. Кроме того, через элемент ИЛИ 29 с выхода элемента ИЛИ 30 могут проходить импульсы с фазового детектора 2 соответствующие моменты прохождения ТШ крайнего нижнего или верхнего положения, т.е. формируются временные интервалы О; Т/2 и Т/2; TJ. ,

Одновременно с поступлением тактовых импульсов на счетный вход счетчика 26 с выхода элемента И 32, эти же импульсы поступают на вход Чтение блока 6 памяти, С выхода блока 6 памяти на первый вход схемы 7 сравнения поступают текущие P(i) значения сигнала усилия. На второй вход схемы 7 сравнения с выхода буферного регистра 15 поступает текущее Pejet(j экстремальное значение сигнала усилия. За первый полупериод качания определяются два максимальных значения сигнала усилия; Pt на интервале О; Тгр 1 и на интервале Ј0;Т/2. При поиске максимальных значений, в случае если P(i)Pex{(j) по сигналу со схемы 7 сравнения в буферный регистр 15 переписывается текущее значение P(i) усилия с выхода блока 6 памяти. При этом значение P(i) становится текущим экстремальным Рех (j ) значением сигнала усилия. По окончании интервалов 0;TrfJ и С Т/2 с выхода блока 4 управления (выход элемента И 29) на вход буферных регистров 15 поступают два управляющих импульса,по которым максимальные значения Р1 и РМО,ЦС сигнала усилия запоминаются в буферных регистрах0 Во втором полупериоде качания осуществляется поиск мини

5

0

5

0

5

0

5

0

5

мальных значений Р« и Р„,.„ сигнала

ич и п

усилия соответственно на интервалах tT/2; Т/2 + TrrJ и ГТ/2; Т, В этом случае, если P(i) pext(j) то по сигналу со схемы 7 сравнения текущее значение P(i) переписывается с блока 6 памяти в буферный регистр 15 и становится текущим минимальным значением сигнала усилия. По окончании временных интервалов Т/2; Т/2 + + Тгр и Т/2; Т по сигналам с блока 4 управления в буферных регистрах 15 запоминаются соответственно два минимальных значения Рг и Рмин« Таким образом, по окончании второго периода качания в буферных регистрах .15 будут записаны в общем случае два частных Р( и Р и два общих Рммкс и Рмин экстремума сигнала усилия. В зависимости от очертания динамо- граммы значения соответствующих частных и общих экстремумов могут совпадать.

На третьем этапе определяются значения классификационных признаков и распознавание динамограмм..

При поступлении с ОКП 14 на вход блока 4 управления сигнала о начале очередного периода качания, в последнем импульс с первого выхода фазового детектора 21, проходя через элемент И 33 взводит триггер 35,который разрешает работу счетчика 8 импульсов, на вход которого поступает тактовая частота с выхода ГТИ 30 Этот счетчик определяет длительность временных интервалов Т1 до появления частного Р1 максимума и Тмакс - общего РмакС максимума сигнала усилия (фиг. 3 и 4). Это осуществляется следующим образом. При поступлении сигналов Чтение с выхода блока 4 управления на вход блока 6 памяти, с выхода последнего на вход схемы 7 сравнения поступает текущее значение P(i) сигнала усилия, где оно сравнивается с частным Р,, максимумом, значение которого поступает с выхода буферных регистров 15, В случае выполнения равенства P(i) Р1 с выхода схемы 7 сравнения на вход блока 4 управления поступает первый импульс, который подсчитывается счетчиком 37, код с выхода которого дешифруется-;, дешифратором 38. При этом на первом выходе дешифратора 38 появляется сигнал, поступающий на управляющий вход буферного регист-

91

ра 16, куда записывается код N. с выхода счетчика 8, пропорциональный длительности временного интервала Tj . В случае выполнения равенства p(i) р«я«с с выхода схемы 7 сравнения на вход блока 4 управления поступает второй импульс, при этом появляется сигнал на втором выходе дешифратора 38, сбрасывающий триггер 35, который запрещает подсчет импульсов счетчику 8. В этот момент код NMO,KC на выходе этого счетчика пропорционален длительности временного интервала тм«ксПри поступлении с ОКП 14 на вход

блока 4 управления сигнала о начале второго полупериода качания (крайнее верхнее положение ТПШ), импульс с второго выхода фазового детектора 21, проходя через элемент И 34 взводит триггер 36, который разрешает работу счетчика 9 импульсов,перечитывающий тактовые импульсы с выхода ГТИ 3. Этот счетчик определяет дли- тельности временных интервалов т - до появления частного минимума и тмин общего Рми минимума сигнала усилия, аналогично описанному выше случаю. При выполнении равенства P(i) Pj с выхода схемы 7 сравнения на вход блока 4 управления поступает третий импульс, что вызывает появление управляющего сигнала на третьем выходе дешифратора 38, по которому в буферный регистр 17 записывается код N4 с выхода счетчика 9 импульсов, пропорциональный длительности временного интервала тг. в случае выполнения равенства P(i) Рммц с выхода схемы 7 сравнения на вход блока 4 управления поступает четвертый импульс. При этом на четвертом выходе дешифратора 38 появляется сигнал, сбрасывающий триггер 36, который запрещает работу счетчику 9 импульсов. Код NMMH на выходе этого счетчика оказывается пропорциональным длительности временного интервала тмии . Одновременно взво дится триггер 39, разрешая работу счетчика 12, подсчитывающего импульсы с выхода ГГИ З. Коды NMC(KCH NMHH с выходов счетчиков 8 и 9 поступают соответственно на первые входы схем 18 и 19 сравнения и сравниваются с граничным значением длительностей периодов экстремальных нагрузок,поступающим с выхода блока 4 управления

Q

560799 10

(регистр 27), При этом на выходах схем 18 и 19 сравнения формируются значения х, их двух логических классификационных признаков.

1 , при N

гр

О, при N,

NrP

5

0

5 0 д 0

5

0

X4

1, при NM((H Nrp

О, при Ммин Nrp.

Коды Nr и N с выходов буферных 16„и 17 регистров поступают на входы делителя 10, на выходе которого появляется значение d N1/N, количественного классификационного признака. Значение / поступает на первый вход схемы I1 сравнения, на второй вход которой с выхода блока 6 памяти последовательно поступают граничные значения at. этого классификационного признака для трех классов состояний СШН: нормальная работа, утечка в приемном или нагнетательном клапане.

Диапазон, №

0оС 0,2 - область неприятия

решения (ОНР)

10,,7 - утечка в приемном

клапане (УПК)

20,,3 - нормальная работа (HP)

3 1, - утечка в нагнетательном клапане (УНК)

Таким образом, при диапазоне № О 4 : Л - ОНР.

Одновременно с чтением из блока 6 памяти текущего значения oCrp(j) (0,2; 0,8; 1,2; и 4), счетчик 12 импульсов фиксирует номер i анализируемого диапазона. В случае, если оС гр(3 ) с выхода схемы 11 сравнения на вход блока 4 управления поступает сигнал, который сбрасывает триггер 39, запрещая работу счетчика 12 импульсов и разрешая работу дешифратора 20. При этом на выходе счетчика 12 импульсов образуется двухразряд- ный код xt, xг j номера найденного диапазона значений классификационного признака о( .

Значение кода х,, х4 } и логических признаков х3 и х4 поступают на входы дешифратора 20, на одном из выходов которого образуется сигнал низкого уровня, причем номер этоУтечка в приемном клапане (фиг03в)з5 минимУма - меньше:

Период Тмякс меньше периода

/V --.-.--. f- .. -« н

мцн о(о(Гр(1)

f/WdKCТ,i

- ч..- -. 2Г-« .- wd«a««« -

ТТЯ

- мин

Т

микс гр

Р

0,7, что соответствует

мин

Т

ГР

диапазону № 1, т„е х Оба периода тми(сс и тмим

ничного т

т

-М«кс

мин

гр : Т

Т

макс значения

гр

1 j х2 О. 40

меньше гра О

г

гр

х, О

45

Код ВПП-УНК: 1110.

Двойная неиспра (фиг.4в). Период ч меньше периода час соответствует диап х, 1; х 0. П симума больше гран а период общего ми

Код УПК: 1000.

Высокая посадка плунжера (фиг.Зг). Отноиение периодов частных экстреЛ -Ьмумов

т, °.

в«о(гт(2) 1,3, что соответствует диапазону № 2, т.е. х, 0; х2 1. Кроме того,

-гр

7

гр

о.

Код ВПП: 0110.

гр

1

мин

Т

ГР

.х о.

Код ВПП-УНК: 1110.

Двойная неисправность: ВПП-УПК (фиг.4в). Период частного максимума меньше периода частного минимума,что соответствует диапазону № 1, т.е, х, 1; х 0. Период общего максимума больше граничного значения, а период общего минимума меньше:

гр

-гр

Х3 Ч

О.

Код НПП: 1010.

Двойная неисправность: НПП-УНК (фиг.4г). Период частного максимума больше периода частного минимума

-С- 3 ctr,(3)-4,

-t

131

что соответствует диапазону № 3,т.е.

kt

х I. Период общего максимума меньше граничного значения, а период общего минимума больше

Код НПП-УПК: 1001„

Двойная неисправность: НПП-УПК (фиг,4д). Период частного максимума меньше периода частного минимума

Т-1 -

1

(l)

т(

0,7,

что соответствует диапазону № 1,т0е, х 1; х2 0. Период общего максимума тмвкс меньше граничного значения, а период общего минимума больше

Код НПП-УПК: 1001.

Сигналы выхода дешифратора 20 nocg тупают на вход блока 13 индикации, указывающего соответствующее состояние СШН.

Формула изобретения Устройство диагностирования сква- жинных штанговых насосов, содержащее датчик усилия, преобразователь напряжения, генератор тактовых импульсов, блок управления, четыре счетчика импульсов, блок памяти,две схемы сравнения, делитель и блок индикации, причем датчик усилия через преобразователь напряжения связан с первым счетчиком импульсов,другие входы четырех счетчиков импульсов связаны соответственно с выходами блока управления, другой выход кото

10

g56079914

рого подключен к входу блока памяти, второй вход которого связан с выходом первого счетчика импульсов, выход генератора тактовых импульсов связан с входами блока управления, второго, третьего и четвертого счетчика импульсов, выход делителя подключен к первому входу второй схемы сравнения, второй вход которой связан с выходом блока памяти, а выход - с входом блока управления, один из входов первой схемы сравнения связан с выходом блока памяти, а выход - с

)5 вхвдом блока управления, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно дополнительно снабжено отметчиком крайних положе20 ний, двумя дополнительными схемами сравнения, тремя буферными регистрами и дешифратором, причем выход отметчика крайних положений связан с входом блока управления, два входа

25 первого буферного регистра, взаимодействующего с первой схемой сравнения, подключены соответственно к выходу блоков памяти и управления, другой выход которого подключен к первым входам третьей и четвертой схем сравнения, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего счетчиков импульсов, выходы которых связаны также с входами соответственно второго и третьего буферных регистров, вторые входы которых связаны соответственно с выходами блока управления, а выходы - с входами делителя, при этом

дп два выхода третьей и четвертой схемы сравнения подключены соответственно к двум входам дешифратора, три других входа которого связаны соответственно с двумя выходами четвертого

45 счетчика импульсов и выходом блока управления, а выход - с входом блока индикации.

30

35

S) Утечки 8 нагмтотельноп кяанвм S{Sf)

Фиг. 2

Изобретение относится к автоматическому измерению, в частности к устройствам диагностирования скважинных штанговых насосов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Введение в устройство отметчика 14 крайних положений связанного с входом блока 4 управления, трех буферных регистров 15-17, где два входа первого буферного регистра взаимосвязаны с первой схемой 7 сравнения, подключены соответственно к выходам блока 6 памяти и блока 4 управления, и двух дополнительных схем 18, 19 сравнения позволило осуществить работу устройства, основанную на идентификации состояния штангового глубинного насоса по трем признакам, представляющим собой отношение амплитуд старших гармоник к амплитуде первой гармоники дискретного спектра Фурье сигнала усилия. 4 ил.

I) Утечке в приемок к/ianonf Р в,Л ®

If ItKHcef яма/ миючерв

0М

г

if Нмпя avcffttt лфяфв fru.J

LJ

а) Прихват плунжера. Р

S) Высокая посадка паунжера и утечка 6 нагнетательная кмпвне.

- J

р 8) Высокая посадка плунжере и утечка В приеннон к/юпане.

В(В,)

С

р г) Низкая посадка мунжера и утечка t наметательнап клвпчие.

Р 8№)

-S

B(Q

В®