基于MSP430F2132的溫差式原油流量傳感器設(shè)計(jì)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，汽車使用越來(lái)越普遍，對(duì)能源的需求量越來(lái)越多。石油是重要的能源之一。油井生產(chǎn)石油的產(chǎn)量也成為油田領(lǐng)導(dǎo)人重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。油井的產(chǎn)油量可用流量表示，獲取油井流量的過(guò)程稱為油井計(jì)量。對(duì)油井準(zhǔn)確、及時(shí)的計(jì)量，不僅對(duì)油田管理人員制定油井生產(chǎn)方案、提高油井生產(chǎn)效率有重要的指導(dǎo)意義，也可為市場(chǎng)管理人員調(diào)控成品油價(jià)格提供一定的參考。傳統(tǒng)玻璃管量液的產(chǎn)液量獲取方式，不僅人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，且測(cè)量誤差大、實(shí)時(shí)性差、效率低，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足油井計(jì)量實(shí)時(shí)性、可靠性、準(zhǔn)確性的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種原油流量傳感器，如科里奧利式、超聲式、渦輪式、浮子式、渦街式、容積式、核式等。但由于原油的物性比較復(fù)雜，粘度、比重、含水率等參數(shù)各不相同，造成了如今流量測(cè)量傳感器的多樣性、專用性和價(jià)格差異的懸殊性。目前投放市場(chǎng)的產(chǎn)品大都存在這樣那樣的不足。如：科里奧利式質(zhì)量流量傳感器堪稱當(dāng)前流量測(cè)量精度最高的流量傳感器，但其價(jià)格昂貴，不宜推廣；超聲式傳感器安裝復(fù)雜、維護(hù)困難；渦街式流量傳感器適用環(huán)境有限、測(cè)量精度低等。所以，各種環(huán)境通用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高的原油流量傳感器將會(huì)備受青睞。

1 設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于熱力學(xué)基本定律的溫差式流量傳感器。其原理依據(jù)是熱力學(xué)吸熱定律，即：

Q=c*m*(t2-t1)

Q為加熱裝置提供的熱量，c、m分別為被加熱物質(zhì)的比熱容和質(zhì)量，t1、t2分別為物質(zhì)加熱前后的溫度。對(duì)于特定的物質(zhì)，c是固定值，若Q一定，則m越大， “t2-t1”越小。每口井在一段時(shí)間內(nèi)油水比例幾乎不變。對(duì)油水比例一定的原油的比熱容c可視作固定值。根據(jù)此定律，設(shè)計(jì)恒功率加熱裝置，在一定的時(shí)間內(nèi)提供恒定的熱量Q。原油進(jìn)入加熱裝置后開(kāi)始恒功率加熱，分別測(cè)量其加熱前的溫度t1和加熱后的溫度t2，即可計(jì)算加熱前后的溫度的變化“t2-t1”。由于裝置所供熱量Q也固定，則原油的流速越快，m就越大，測(cè)量裝置出口處相對(duì)于入口處的原油的溫差“t2-t1”就越小。反之，溫差越大。

據(jù)此，建立試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)溫差式流量傳感器，利用高精度的容積式流量計(jì)，進(jìn)行以下標(biāo)定試驗(yàn)，得到溫差和流量的具體關(guān)系：固定原油某一流速，由溫差式流量傳感器在加熱裝置入口處測(cè)量初始溫度，由恒功率的加熱棒加熱后，在出口處測(cè)量加熱后的溫度，由容積式流量計(jì)測(cè)得該溫差下的流速；更換流速，重復(fù)以上試驗(yàn)操作。由此，可得到不同流速下對(duì)應(yīng)的出口與入口的溫差。從而，可用Matlab擬合出溫差一流量曲線。對(duì)于該油水比的油井，溫差式流量傳感器只需測(cè)量加熱裝置前后的溫度，即可根據(jù)擬合的公式計(jì)算得到產(chǎn)液量。分別通過(guò)試驗(yàn)擬合出不同油水比的溫差一流量關(guān)系，能夠計(jì)算各種油水比的油井的產(chǎn)液量。從而，對(duì)于各個(gè)油井，溫差式流量傳感器只需測(cè)量加熱裝置前后的溫度，即可根據(jù)擬合的溫差一流量關(guān)系式計(jì)算得到產(chǎn)液量。
現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，原油由220V交流電為恒功率加熱棒供電產(chǎn)生的熱量加熱。為保證加熱裝置能夠提供恒功率的熱量，在加熱裝置前使用穩(wěn)壓器，使加熱棒兩端電壓恒定為220V。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 整體方案設(shè)計(jì)

溫差式流量傳感器整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

溫差式流量傳感器主要由單片機(jī)模塊、參數(shù)采集模塊、存儲(chǔ)器模塊、時(shí)鐘模塊、加熱控制模塊、無(wú)線模塊和電源模塊組成。

2．2 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)模塊選用了TI公司的單片機(jī)MSP430F2132作為微處理器。它是一種16位超低功耗單片機(jī)，具有較高的處理速度，它的工作電壓為1．8～3．6V；在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片電流在200～400 μA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0．1μA；6 μs的啟動(dòng)時(shí)間可以使啟動(dòng)更加迅速；集成了看門狗、低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、多個(gè)串行輸入接口，包括UART、IIC總線和SPI總線；具備5種省電模式，且可以由RTC和外部中斷等喚醒。其豐富的內(nèi)部資源不僅減小了電路板的面積，又減小了傳感器的成本。MSP430F2132接口電路如圖2所示。

單片機(jī)模塊控制讀取、存儲(chǔ)參數(shù)采集模塊的數(shù)據(jù)；控制無(wú)線通信的啟動(dòng)與停止，通過(guò)串口向無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)；控制加熱模塊的啟動(dòng)與停止；通過(guò)I2C總線讀取、設(shè)置時(shí)鐘模塊。利用TI公司提供的標(biāo)準(zhǔn)JTAG仿真接口，可實(shí)現(xiàn)程序的仿真調(diào)試。

2．3 參數(shù)采集模塊

溫度采集模塊主要由溫度傳感器采集加熱裝置入口溫度和出口溫度。選用DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度采集。它與單片機(jī)通信的接口簡(jiǎn)單，只需一根線相連，且測(cè)量精度較高。入口溫度采集電路如圖3所示。出口處溫度測(cè)量電路與入口處電路相同，三路出口溫度傳感器與單片機(jī)接口分別為TEM01、TEMO2和TEMO3。


2．4 加熱控制模塊設(shè)計(jì)

加熱裝置只在流量測(cè)量時(shí)開(kāi)啟，其他時(shí)間關(guān)閉。加熱控制模塊用于加熱裝置的啟動(dòng)和關(guān)閉，單片機(jī)通過(guò)控制信號(hào)PCT的高、低電平，控制MOSP管通、斷，從而實(shí)現(xiàn)加熱裝置的交流電的開(kāi)和關(guān)。電路圖如圖4所示。

為避免220V交流電強(qiáng)電的電器干擾信號(hào)影響加熱裝置的控制信號(hào)，采用光電耦合器進(jìn)行弱電與強(qiáng)電的隔離。光電耦合器帶負(fù)載能力有限，可利用可控硅控制交流負(fù)載的通斷。

2．5 其它模塊設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和存儲(chǔ)器模塊電路如圖5所示。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和存儲(chǔ)器模塊選用高度集成的FM3130，它將64kb鐵電非易失性RAM和實(shí)時(shí)時(shí)鐘集于一體，在一個(gè)封裝中共用一個(gè)通用接口，通過(guò)獨(dú)立的雙線器件，可對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)。存儲(chǔ)器以字節(jié)為單位，共有8192個(gè)地址。與其它非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)不同，F(xiàn)M3130中存儲(chǔ)器提供了有效的無(wú)限制寫入次數(shù)。RTC是一個(gè)計(jì)時(shí)器件，它由電池或電容永久供電，可軟件校準(zhǔn)以提供更高的精確度。并可提供每秒、每分、每小時(shí)或每天等各種不同類型的報(bào)警中斷功能。FM3130通過(guò)I2C總線與單片機(jī)通信。

當(dāng)電路板上有直流電源時(shí)，由電路板上的電源對(duì)時(shí)鐘單元供電，當(dāng)電路板電源無(wú)法供電時(shí)，由后備電池BT-bak供電。由于FM3130的中斷引腳開(kāi)漏，且中斷信號(hào)低電平有效，所以對(duì)中斷引腳加上拉，使其在無(wú)中斷信號(hào)時(shí)處于高電平。

無(wú)線傳輸選用超低功耗微功率無(wú)線數(shù)傳模塊APC240，它是新一代的多通道嵌入式無(wú)線數(shù)傳模塊，可設(shè)置多個(gè)頻道，步進(jìn)為1kHz，發(fā)射功率最大10mW，采用了高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，其編碼增益高達(dá)近3dBm，糾錯(cuò)能力和編碼效率均達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平，真正實(shí)現(xiàn)了透明的連接。無(wú)線模塊接口電路如圖6所示。


3 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖7所示。

初始化包括I／O初始化、串口初始、中斷初始化、FM3130初始化和看門狗初始化。完成MSP430F2132各個(gè)端口的初始狀態(tài)設(shè)定，串口通信的波特率、以及FM3130的中斷時(shí)間設(shè)置和存儲(chǔ)器初始存儲(chǔ)地址查找。

主程序中設(shè)置FM3130每小時(shí)整點(diǎn)中斷，中斷后設(shè)工作標(biāo)記為3。主程序檢測(cè)工作標(biāo)記為3后啟動(dòng)加熱裝置加熱，并讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間，置工作標(biāo)記為1。檢測(cè)到工作標(biāo)記置1后，測(cè)量加熱裝置入口和出口的溫度。并開(kāi)啟MSP430F2132的定時(shí)器，定時(shí)10s中斷，每10s采集一次流量參數(shù)。每次采集完成后，MSP430F2132根據(jù)擬合的公式計(jì)算得到流量。最后，將測(cè)量結(jié)果和本測(cè)量時(shí)段的初始時(shí)間存儲(chǔ)到FM3130的存儲(chǔ)器中，并通過(guò)無(wú)線模塊將其傳輸至各油田的遠(yuǎn)程測(cè)控終端，利用其它裝置將測(cè)量結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)管理中心。測(cè)量完10min的參數(shù)后，關(guān)閉加熱裝置，置工作標(biāo)記為4，等待下一次實(shí)時(shí)時(shí)鐘整點(diǎn)中斷，啟動(dòng)測(cè)量。無(wú)線模塊也可接收遠(yuǎn)程測(cè)控終端發(fā)送的命令信息，接收中斷產(chǎn)生后，置工作標(biāo)記為2。單片機(jī)根據(jù)不同的命令執(zhí)行不同的操作。無(wú)線模塊接收中斷流程圖如圖8所示。

4 測(cè)量數(shù)據(jù)及分析

將溫差式流量傳感器安裝到大慶油田某采油隊(duì)的油井上試用，得到的溫差式流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)和容積式流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

其中，S為容積式流量計(jì)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)流量，C為溫差式流量傳感器測(cè)得的流量，d為測(cè)量誤差。由表1可以看出，溫差式流量傳感器的測(cè)量誤差均在10％以內(nèi)，能夠滿足油田測(cè)量要求。實(shí)踐證明溫差式流量傳感器成本低、精度高，實(shí)現(xiàn)了油井自動(dòng)化計(jì)量，可以推廣使用。