摘要：設計了基于熱力學吸熱定律的溫差式流量傳感器,。通過標定試驗確定流量與溫差的關系后，現(xiàn)場只需測量加熱裝置前后的溫度,，即可由單片機MSP430F2132計算得到流量,。利用無線模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離無線傳輸,。在保證測量精度的同時,，降低了流量傳感器的成本。
關鍵詞：溫差式流量傳感器,；標定,；MSP430F2132；無線傳輸
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。