基于MSP43OF2132的溫差式原油流量傳感器設計

摘要：設計了基于熱力學(xué)吸熱定律的溫差式流量傳感器。通過(guò)標定試驗確定流量與溫差的關(guān)系后，現場(chǎng)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(wú)線(xiàn)模塊，實(shí)現數據的短距離無(wú)線(xiàn)傳輸。在保證測量精度的同時(shí)，降低了流量傳感器的成本。
關(guān)鍵詞：溫差式流量傳感器；標定；MSP430F2132；無(wú)線(xiàn)傳輸

0 引言
隨著(zhù)人們生活水平的提高，汽車(chē)使用越來(lái)越普遍，對能源的需求量越來(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(chēng)為油井計量。對油井準確、及時(shí)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(chǎng)管理人員調控成品油價(jià)格提供一定的參考。傳統玻璃管量液的產(chǎn)液量獲取方式，不僅人工勞動(dòng)強度大，且測量誤差大、實(shí)時(shí)性差、效率低，已遠遠不能滿(mǎn)足油井計量實(shí)時(shí)性、可靠性、準確性的要求。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現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、含水率等參數各不相同，造成了如今流量測量傳感器的多樣性、專(zhuān)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(chēng)當前流量測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(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 設計原理
本系統設計了一種基于熱力學(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。根據此定律
，設計恒功率加熱裝置，在一定的時(shí)間內提供恒定的熱量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(jìn)行以下標定試驗，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(xiàn)。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，即可根據擬合的公式計算得到產(chǎn)液量。分別通過(guò)試驗擬合出不同油水比的溫差一流量關(guān)系，能夠計算各種油水比的油井的產(chǎn)液量。從而，對于各個(gè)油井，溫差式流量傳感器只需測量加熱裝置前后的溫度，即可根據擬合的溫差一流量關(guān)系式計算得到產(chǎn)液量。
現場(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壓器，使加熱棒兩端電壓恒定為220V。

2 系統硬件設計
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、參數采集模塊、存儲器模塊、時(shí)鐘模塊、加熱控制模塊、無(wú)線(xiàn)模塊和電源模塊組成。