基于MSP430F2132的溫差式原油流量傳感器設計

0 引言

隨著人們生活水平的提高，汽車使用越來越普遍，對能源的需求量越來越多。石油是重要的能源之一。油井生產(chǎn)石油的產(chǎn)量也成為油田領導人重點關注的問題。油井的產(chǎn)油量可用流量表示，獲取油井流量的過程稱為油井計量。對油井準確、及時的計量，不僅對油田管理人員制定油井生產(chǎn)方案、提高油井生產(chǎn)效率有重要的指導意義，也可為市場管理人員調(diào)控成品油價格提供一定的參考。傳統(tǒng)玻璃管量液的產(chǎn)液量獲取方式，不僅人工勞動強度大，且測量誤差大、實時性差、效率低，已遠遠不能滿足油井計量實時性、可靠性、準確性的要求。隨著科學技術的發(fā)展，市場上出現(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雜，粘度、比重、含水率等參數(shù)各不相同，造成了如今流量測量傳感器的多樣性、專用性和價格差異的懸殊性。目前投放市場的產(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前流量測量精度最高的流量傳感器，但其價格昂貴，不宜推廣；超聲式傳感器安裝復雜、維護困難；渦街式流量傳感器適用環(huán)境有限、測量精度低等。所以，各種環(huán)境通用、結構簡單、成本低、可靠性高的原油流量傳感器將會備受青睞。

1 設計原理

本系統(tǒng)設計了一種基于熱力學基本定律的溫差式流量傳感器。其原理依據(jù)是熱力學吸熱定律，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。每口井在一段時間內(nèi)油水比例幾乎不變。對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，設計恒功率加熱裝置，在一定的時間內(nèi)提供恒定的熱量Q。原油進入加熱裝置后開始恒功率加熱，分別測量其加熱前的溫度t1和加熱后的溫度t2，即可計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，測量裝置出口處相對于入口處的原油的溫差“t2-t1”就越小。反之，溫差越大。

據(jù)此，建立試驗裝置，設計溫差式流量傳感器，利用高精度的容積式流量計，進行以下標定試驗，得到溫差和流量的具體關系：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量初始溫度，由恒功率的加熱棒加熱后，在出口處測量加熱后的溫度，由容積式流量計測得該溫差下的流速；更換流速，重復以上試驗操作。由此，可得到不同流速下對應的出口與入口的溫差。從而，可用Matlab擬合出溫差一流量曲線。對于該油水比的油井，溫差式流量傳感器只需測量加熱裝置前后的溫度，即可根據(jù)擬合的公式計算得到產(chǎn)液量。分別通過試驗擬合出不同油水比的溫差一流量關系，能夠計算各種油水比的油井的產(chǎn)液量。從而，對于各個油井，溫差式流量傳感器只需測量加熱裝置前后的溫度，即可根據(jù)擬合的溫差一流量關系式計算得到產(chǎn)液量。
現(xiàn)場安裝時，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)硬件設計

2．1 整體方案設計

溫差式流量傳感器整體結構圖如圖1所示。

溫差式流量傳感器主要由單片機模塊、參數(shù)采集模塊、存儲器模塊、時鐘模塊、加熱控制模塊、無線模塊和電源模塊組成。

2．2 單片機模塊設計

單片機模塊選用了TI公司的單片機MSP430F2132作為微處理器。它是一種16位超低功耗單片機，具有較高的處理速度，它的工作電壓為1．8～3．6V；在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片電流在200～400 μA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有0．1μA；6 μs的啟動時間可以使啟動更加迅速；集成了看門狗、低功耗實時時鐘(RTC)、多個串行輸入接口，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。

單片機模塊控制讀取、存儲參數(shù)采集模塊的數(shù)據(jù)；控制無線通信的啟動與停止，通過串口向無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收無線模塊的數(shù)據(jù)；控制加熱模塊的啟動與停止；通過I2C總線讀取、設置時鐘模塊。利用TI公司提供的標準JTAG仿真接口，可實現(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實現(xiàn)溫度采集。它與單片機通信的接口簡單，只需一根線相連，且測量精度較高。入口溫度采集電路如圖3所示。出口處溫度測量電路與入口處電路相同，三路出口溫度傳感器與單片機接口分別為TEM01、TEMO2和TEMO3。


2．4 加熱控制模塊設計

加熱裝置只在流量測量時開啟，其他時間關閉。加熱控制模塊用于加熱裝置的啟動和關閉，單片機通過控制信號PCT的高、低電平，控制MOSP管通、斷，從而實現(xiàn)加熱裝置的交流電的開和關。電路圖如圖4所示。

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

2．5 其它模塊設計

實時時鐘模塊和存儲器模塊電路如圖5所示。

實時時鐘模塊和存儲器模塊選用高度集成的FM3130，它將64kb鐵電非易失性RAM和實時時鐘集于一體，在一個封裝中共用一個通用接口，通過獨立的雙線器件，可對實時時鐘和存儲器進行訪問。存儲器以字節(jié)為單位，共有8192個地址。與其它非易失性存儲器技術不同，F(xiàn)M3130中存儲器提供了有效的無限制寫入次數(shù)。RTC是一個計時器件，它由電池或電容永久供電，可軟件校準以提供更高的精確度。并可提供每秒、每分、每小時或每天等各種不同類型的報警中斷功能。FM3130通過I2C總線與單片機通信。

當電路板上有直流電源時，由電路板上的電源對時鐘單元供電，當電路板電源無法供電時，由后備電池BT-bak供電。由于FM3130的中斷引腳開漏，且中斷信號低電平有效，所以對中斷引腳加上拉，使其在無中斷信號時處于高電平。

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


3 軟件設計

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各個端口的初始狀態(tài)設定，串口通信的波特率、以及FM3130的中斷時間設置和存儲器初始存儲地址查找。

主程序中設置FM3130每小時整點中斷，中斷后設工作標記為3。主程序檢測工作標記為3后啟動加熱裝置加熱，并讀取實時時鐘的時間，置工作標記為1。檢測到工作標記置1后，測量加熱裝置入口和出口的溫度。并開啟MSP430F2132的定時器，定時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)擬合的公式計算得到流量。最后，將測量結果和本測量時段的初始時間存儲到FM3130的存儲器中，并通過無線模塊將其傳輸至各油田的遠程測控終端，利用其它裝置將測量結果傳輸至數(shù)據(jù)管理中心。測量完10min的參數(shù)后，關閉加熱裝置，置工作標記為4，等待下一次實時時鐘整點中斷，啟動測量。無線模塊也可接收遠程測控終端發(fā)送的命令信息，接收中斷產(chǎn)生后，置工作標記為2。單片機根據(jù)不同的命令執(zhí)行不同的操作。無線模塊接收中斷流程圖如圖8所示。

4 測量數(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的油井上試用，得到的溫差式流量計測量數(shù)據(jù)和容積式流量計測量數(shù)據(jù)對比如表1所示。

其中，S為容積式流量計測得的標準流量，C為溫差式流量傳感器測得的流量，d為測量誤差。由表1可以看出，溫差式流量傳感器的測量誤差均在10％以內(nèi)，能夠滿足油田測量要求。實踐證明溫差式流量傳感器成本低、精度高，實現(xiàn)了油井自動化計量，可以推廣使用。