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油井抽油机示功图位移测量研究

㊀２０１９年㊀第６期

远心扫描透镜仪表技术与传感器

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ

２０１９㊀Ｎｏ．６㊀

基金项目：国家自然科学基金项目（５０９０６０２２）；河南省高等学校重点科研项目（１５Ａ４６００２３）收稿日期：２０１８－０３－２７

油井抽油机示功图位移测量研究

仲志丹，吴进峰，孙勇军

（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳㊀４７１００３）

㊀㊀摘要：为有效地解决抽油机悬点加速度信号计算位移数据时存在漂移误差较大㊁准确度较低的问题，提出了基于经验模态分解（ｅｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＥＭＤ）和相关系数判断相结合的方法㊂根据实测的加速度信号经两次积分后得到的位移信号特点，进行

ＥＭＤ分解，通过引入相关系数，设定阈值，设计了一种漂移分量判定方法㊂即通过计算各固有模态分量与原始信号之间的相关系数，分别与提前设定的阈值进行比较，从而判定分解的固有模态分量是否为漂移分量㊂仿真实验和现场采集的数据测试结果表明了基于ＥＭＤ以及相关系数的判定方法能够得到漂移误差更小㊁效果更好㊁精度更高的位移信号㊂

关键词：抽油机悬点位移；加速度；漂移分量；经验模态分解；相关系数；信号处理中图分类号：ＴＮ９１９㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１９）０６－０１０６－０４

ＳｔｕｄｙｏｎＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＩｎｄｉｃａｔｏｒＤｉａｇｒａｍｏｆＯｉｌＷｅｌｌＰｕｍｐｉｎｇＵｎｉｔ

ＺＨＯＮＧＺｈｉ⁃ｄａｎ，ＷＵＪｉｎ⁃ｆｅｎｇ，ＳＵＮＹｏｎｇ⁃ｊｕｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１００３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ

ｏｆｌａｒｇｅｄｒｉｆｔｅｒｒｏｒａｎｄｌｏｗａｃｃｕｒａｃｙｗｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄａｔａｏｆｐｕｍｐｉｎｇｐｏｉｎｔｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｐｏｉｎｔａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ，ａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＥｍｐｉｒｉｃａｌＭｏｄｅＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＥＭＤ）ａｎｄｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏ⁃ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｊｕｄｇｅｍｅｎｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｉｇｎａｌｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｔｗｏｉｎｔｅｇｒａｌａｆｔｅｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄ，ｔｈｅＥＭＤｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｓｅｔ⁃ｔｉｎｇｔｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ａｄｒｉｆｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｊｕｄｇｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈａｔｉｓ，ｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｎｔｒｉｎｓｉｃｍｏｄｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｓｉｇｎａｌ，ｉｔｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓｅｔｉｎａｄｖａｎｃｅ，ｓｏａｓｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｉｎｔｒｉｎｓｉｃｍｏｄｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｗａｓｔｈｅｄｒｉｆｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｆｉｅｌｄｄａｔａｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ

ｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＥＭＤａｎｄｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃａｎｇｅｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｉｇｎａｌｗｉｔｈｓｍａｌｌｅｒｄｒｉｆｔｅｒｒｏｒ，ｂｅｔｔｅｒｅｆｆｅｃｔａｎｄｈｉｇｈｅｒａｃ⁃ｃｕｒａｃｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｃｅｎｔｅｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｐｕｍｐｉｎｇｕｎｉｔ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ；ｄｒｉｆｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；ｅｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｅｌａ⁃ｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

０㊀引言

绘制油井示功图最简单有效的办法就是选择相应的传感器分别测量出悬点的载荷和运动位移，但由于在使用位移传感器测量悬点的运动位移时存在很多障碍［１］，所以目前油田上主要是通过对悬点的加速度信号进行二次积分，从而间接获得悬点的运动位移㊂

受环境因素的影响，现场采集的加速度信号中通常混有直流分量㊁高频噪声和长周期趋势项等；当直接使用现场采集的加速度信号进行二次积分时，这些因素会使得积分结果存在着较大的漂移误差［２］㊂为

减小漂移误差，李云飞㊁樊大伟和杨尚霖等人根据抽油机做周期性运动的特点，提出了周期去均值的方法［３－５］；去均值法能够消除信号中的直流分量，使得测量精度有了一定程度的提高；但由于去均值法并没有对低频趋势项进行处理，所以积分后信号中仍然存在着较大的漂移误差㊂贾德利等人基于消去原理，设计了一种隔直去漂滤波器［６］；隔直去漂滤波器能够消除信号中的直流分量并抑制信号中的低频趋势项，因而采用滤波后的信号进行积分漂移误差较小；但隔直去漂滤波器的数学模型实质上是一次去均值滤波，去均值滤波并不能够彻底消除信号中的趋势项，因此残余的趋势项会经积分放大后最终累积到位移信号中㊂总体来讲，为了得到精度更高的无漂移位移信号，还需要对位移信号做进一步的处理㊂

㊀㊀㊀㊀㊀第６期仲志丹等：油井抽油机示功图位移测量研究１０７㊀㊀

目前消除漂移分量的常用方法主要有高通滤波㊁多项式法和ＥＭＤ等［７］㊂但高通滤波可能会导致信号的幅值衰减和相位移动，而且在使用前也需要对信号的频谱有一定的了解；同时由于抽油机悬点位移信号的基频较低，因而设置的截止频率会更低，设计这样的一个高通滤波器较为困难㊂多项式法不存在相位问题，但不太适合具有复杂漂移分量信号，而且在使用前也需要对信号中漂移分量的具体类型有所了解㊂ＥＭＤ在使用前不需要待分解信号的任何先验知识，而且对平稳信号和非平稳信号都具有较强的适应性，应用较广泛；但在实际使用中发现，仅仅把ＥＭＤ分解的余项作为漂移分量时可能会导致较大的误差，漂移分量可能是ＥＭＤ分解的若干个低频固有模态分量与余项的和［８］㊂因

此为了较好地消除漂移分量，还需要一种办法能够准确地判定ＥＭＤ分解的固有模态分量是否为漂移分量㊂本文结合抽油机悬点位移信号的特点以及相关系数的性质，提出了一种自动判定漂移分量的方法，并应用于悬点位移信号漂移分量的提取，取得了较好的效果㊂

１㊀ＥＭＤ算法原理

ＥＭＤ是由Ｎ．Ｅ．Ｈｕａｎｇ提出的一种信号处理方法㊂它根据待分解信号的本身特征，将待分解信号分解为一组频率从高到低的固有模态分量；它既不需要待分解信号任何的先验知识，也不需要预先设置任何的基函数，同时不仅可以处理平稳信号，也可以处理非平稳信号，因而在很多领域得到了广泛的应用㊂ＥＭＤ的算法原理如下：

根据定义，ＥＭＤ的每一个固有模态分量均满足以下２个条件：

（１）极值点的个数和过零点的个数相等或者最多相差为１个；

（２）上下包络线的平均值为零㊂

led贴片模组其中ＥＭＤ分解的每一个固有模态分量都是通过筛分获得的，筛分的过程如下：

（１）首先使用三次样条曲线分别拟合信号的极大值点和极小值点，获得上下包络线，并计算上下包

络线的均值；令信号减去该均值后，则可以得到一个新信号；重复上述步骤直至最后得到的新信号满足固有模态分量的２个条件；

（２）将原始信号减去所有获得的固有模态分量，则可以得到一个残余信号，若残余信号为单调函数或者很小时，则停止分解，残余信号既漂移分量；否则令残余信号继续过程（１），可以得到新的固有模态分量㊂２㊀漂移分量的判断方法

积分作用相当于是一个低通滤波器，其具有抑制高频噪声的能力；因而当抽油机悬点加速度信号经过二次积分后，得到的位移信号中基本上只含有低频漂移分量和有效分量㊂本文根据低频漂移分量㊁有效分量与原始信号的相关性差异，从而自动分辨出漂移分量㊂