基于MSP43OF2132的温差式原油流量传感器设计

　　摘要：设计了基于热力学吸热定律的温差式流量传感器。通过标定试验确定流量与温差的关系后，现场只需测量加热装置前后的温度，即可由单片机MSP430F2132计算得到流量。利用无线模块，实现数据的短距离无线传输。在保证测量精度的同时，降低了流量传感器的成本。
　　
　　引言
　　
　　随着人们生活水平的提高，汽车使用越来越普遍，对能源的需求量越来越多。石油是重要的能源之一。油井生产石油的产量也成为油田领导人重点关注的问题。油井的产油量可用流量表示，获取油井流量的过程称为油井计量。对油井准确、及时的计量，不仅对油田管理人员制定油井生产方案、提高油井生产效率有重要的指导意义，也可为市场管理人员调控成品油价格提供一定的参考。传统玻璃管量液的产液量获取方式，不仅人工劳动强度大，且测量误差大、实时性差、效率低，已远远不能满足油井计量实时性、可靠性、准确性的要求。随着科学技术的发展，市场上出现了多种原油流量传感器，如科里奥利式、超声式、涡轮式、浮子式、涡街式、容积式、核式等。但由于原油的物性比较复杂，粘度、比重、含水率等参数各不相同，造成了如今流量测量传感器的多样性、性和价格差异的悬殊性。目前投放市场的产品大都存在这样那样的不足。如：科里奥利式质量流量传感器堪称当前流量测量精度zui高的流量传感器，但其价格昂贵，不宜推广；超声式传感器安装复杂、维护困难；涡街式流量传感器适用环境有限、测量精度低等。所以，各种环境通用、结构简单、成本低、可靠性高的原油流量传感器将会备受青睐。
　　
　　1、设计原理
　　
　　本系统设计了一种基于热力学基本定律的温差式流量传感器。其原理依据是热力学吸热定律，即：
　　
　　Q=c*m*（t2-t1）
　　
　　Q为加热装置提供的热量，c、m分别为被加热物质的比热容和质量，t1、t2分别为物质加热前后的温度。对于特定的物质，c是固定值，若Q一定，则m越大，“t2-t1”越小。每口井在一段时间内油水比例几乎不变。对油水比例一定的原油的比热容c可视作固定值。根据此定律，设计恒功率加热装置，在一定的时间内提供恒定的热量Q。原油进入加热装置后开始恒功率加热，分别测量其加热前的温度t1和加热后的温度t2，即可计算加热前后的温度的变化“t2-t1”。由于装置所供热量Q也固定，则原油的流速越快，m就越大，测量装置出口处相对于入口处的原油的温差“t2-t1”就越小。反之，温差越大。
　　
　　据此，建立试验装置，设计温差式流量传感器，利用高精度的容积式流量计，进行以下标定试验，得到温差和流量的具体关系：固定原油某*速，由温差式流量传感器在加热装置入口处测量初始温度，由恒功率的加热棒加热后，在出口处测量加热后的温度，由容积式流量计测得该温差下的流速；更换流速，重复以上试验操作。由此，可得到不同流速下对应的出口与入口的温差。从而，可用Matlab拟合出温差*量曲线。对于该油水比的油井，温差式流量传感器只需测量加热装置前后的温度，即可根据拟合的公式计算得到产液量。分别通过试验拟合出不同油水比的温差*量关系，能够计算各种油水比的油井的产液量。从而，对于各个油井，温差式流量传感器只需测量加热装置前后的温度，即可根据拟合的温差*量关系式计算得到产液量。
　　
　　现场安装时，原油由220V交流电为恒功率加热棒供电产生的热量加热。为保证加热装置能够提供恒功率的热量，在加热装置前使用稳压器，使加热棒两端电压恒定为220V。
　　
　　2、系统硬件设计
　　
　　2．1整体方案设计
　　
　　温差式流量传感器整体结构图如图1所示。　　
　　温差式流量传感器主要由单片机模块、参数采集模块、存储器模块、时钟模块、加热控制模块、无线模块和电源模块组成。
　　
　　2．2单片机模块设计
　　
　　单片机模块选用了TI公司的单片机MSP430F2132作为微处理器。它是一种16位超低功耗单片机，具有较高的处理速度，它的工作电压为1．8～3．6V；在1MHz的时钟条件下运行时，芯片电流在200～400μA左右，时钟关断模式的zui低功耗只有0．1μA；6μs的启动时间可以使启动更加迅速；集成了看门狗、低功耗实时时钟（RTC）、多个串行输入接口，包括UART、IIC总线和SPI总线；具备5种省电模式，且可以由RTC和外部中断等唤醒。其丰富的内部资源不仅减小了电路板的面积，又减小了传感器的成本。MSP430F2132接口电路如图2所示。　　
　　单片机模块控制读取、存储参数采集模块的数据；控制无线通信的启动与停止，通过串口向无线模块发送数据，并接收无线模块的数据；控制加热模块的启动与停止；通过I2C总线读取、设置时钟模块。利用TI公司提供的标准JTAG仿真接口，可实现程序的仿真调试。
　　
　　2．3参数采集模块
　　
　　温度采集模块主要由温度传感器采集加热装置入口温度和出口温度。选用DALLAS公司生产的数字式温度传感器DS18B20实现温度采集。它与单片机通信的接口简单，只需一根线相连，且测量精度较高。入口温度采集电路如图3所示。出口处温度测量电路与入口处电路相同，三路出口温度传感器与单片机接口分别为TEM01、TEMO2和TEMO3。　　
　　2．4加热控制模块设计
　　
　　加热装置只在流量测量时开启，其他时间关闭。加热控制模块用于加热装置的启动和关闭，单片机通过控制信号PCT的高、低电平，控制MOSP管通、断，从而实现加热装置的交流电的开和关。电路图如图4所示。　　
　　为避免220V交流电强电的电器干扰信号影响加热装置的控制信号，采用光电耦合器进行弱电与强电的隔离。光电耦合器带负载能力有限，可利用可控硅控制交流负载的通断。
　　
　　2．5其它模块设计
　　
　　实时时钟模块和存储器模块电路如图5所示。　　
　　实时时钟模块和存储器模块选用高度集成的FM3130，它将64kb铁电非易失性RAM和实时时钟集于一体，在一个封装中共用一个通用接口，通过独立的双线器件，可对实时时钟和存储器进行访问。存储器以字节为单位，共有8192个地址。与其它非易失性存储器技术不同，FM3130中存储器提供了有效的无限制写入次数。RTC是一个计时器件，它由电池或电容*供电，可软件校准以提供更高的度。并可提供每秒、每分、每小时或每天等各种不同类型的报警中断功能。FM3130通过I2C总线与单片机通信。
　　
　　当电路板上有直流电源时，由电路板上的电源对时钟单元供电，当电路板电源无法供电时，由后备电池BT-bak供电。由于FM3130的中断引脚开漏，且中断信号低电平有效，所以对中断引脚加上拉，使其在无中断信号时处于高电平。
　　
　　无线传输选用超低功耗微功率无线数传模块APC240，它是新一代的多通道嵌入式无线数传模块，可设置多个频道，步进为1kHz，发射功率zui大10mW，采用了的循环交织纠检错编码，其编码增益高达近3dBm，纠错能力和编码效率均达到业内的水平，真正实现了透明的连接。无线模块接口电路如图6所示。　　
　　3、软件设计
　　
　　主程序流程图如图7所示。　　
　　初始化包括I／O初始化、串口初始、中断初始化、FM3130初始化和看门狗初始化。完成MSP430F2132各个端口的初始状态设定，串口通信的波特率、以及FM3130的中断时间设置和存储器初始存储地址查找。
　　
　　主程序中设置FM3130每小时整点中断，中断后设工作标记为3。主程序检测工作标记为3后启动加热装置加热，并读取实时时钟的时间，置工作标记为1。检测到工作标记置1后，测量加热装置入口和出口的温度。并开启MSP430F2132的定时器，定时10s中断，每10s采集一次流量参数。每次采集完成后，MSP430F2132根据拟合的公式计算得到流量。zui后，将测量结果和本测量时段的初始时间存储到FM3130的存储器中，并通过无线模块将其传输至各油田的远程测控终端，利用其它装置将测量结果传输至数据管理中心。测量完10min的参数后，关闭加热装置，置工作标记为4，等待下一次实时时钟整点中断，启动测量。无线模块也可接收远程测控终端发送的命令信息，接收中断产生后，置工作标记为2。单片机根据不同的命令执行不同的操作。无线模块接收中断流程图如图8所示。
　　
　　4、测量数据及分析
　　
　　将温差式流量传感器安装到大庆油田某采油队的油井上试用，得到的温差式流量计测量数据和容积式流量计测量数据对比如表1所示。　　
　　其中，S为容积式流量计测得的标准流量，C为温差式流量传感器测得的流量，d为测量误差。由表1可以看出，温差式流量传感器的测量误差均在10％以内，能够满足油田测量要求。实践证明温差式流量传感器成本低、精度高，实现了油井自动化计量，可以推广使用。