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。
关键词：温差式流量传感器；标定；MSP430F2132；无线传输

0 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、专用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最高的流量传感器，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：固定原油某一流速，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拟合出温差一流量曲线。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一流量关系，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一流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200～400 μA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0．1μA；6 μs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，它由电池或电容永久供电，可软件校准以提供更高的精确度。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，发射功率最大10mW，采用了高效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领先水平，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。最后，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。