TDC-GP2在油田石油流量測量中的應用

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對石油的需求量越來(lái)越大，因此我國許多油田紛紛采用多種辦法來(lái)提高油氣產(chǎn)量。例如：各大油田都成立了自己的研究機構，充分利用油田自身的人才和資金的優(yōu)勢，研制油田鉆井、測井所急需的儀器。許多油田特別是東部和東北地區的開(kāi)采時(shí)間較長(cháng)的油田，對油井進(jìn)行二次開(kāi)采，以提高油氣產(chǎn)量等等。而對于油井的二次開(kāi)采，往井下注水是現在應用廣泛，且效率較高的一種方法?，F在油田對注水技術(shù)的要求越來(lái)越高，近幾年又提出井下分層注水。對井下分層注水參數的監測，越來(lái)越引起油田相關(guān)部門(mén)的重視。因此現在急需井下分層注水參數監測的儀器，基于這種現狀，本文設計了一套檢測流量、溫度的電路。

　　設計思想的提出

　　目前油田上使用的流量計都是存儲式的，其種類(lèi)很多，包括浮子流量計、電磁流量計、渦輪流量計、超生波流量計等。由于設計的原理和機械結構的不同，這些流量計都有自身的一些缺點(diǎn)，且其精度不是很高，相比較而言，超聲波流量計有比較顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，它有較高的測量精度，一般在2%~5%之間，而其他流量計的精度一般都在5%之上，并且機械結構的損壞率也比超聲波流量計要高很多。另外，現在集成芯片的應用越來(lái)越廣泛，可以說(shuō)已經(jīng)滲透到工農業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著(zhù)材料工業(yè)和集成電路的發(fā)展，單片機的性?xún)r(jià)比越來(lái)越高，選擇MSP430F2274作為流量數據的處理芯片可以說(shuō)既經(jīng)濟又實(shí)惠。2274的處理速度和數據處理格式完全滿(mǎn)足參數測量的技術(shù)要求。設計所選擇的GP2是超聲波原理流量計專(zhuān)用的測量芯片，芯片的內部結構就是基于超聲波時(shí)差法測量流量的原理設計的，此芯片有極高的測量精度，從而可以保證最終測量數據的精度。把這兩種芯片應用到一個(gè)電路，加上少量的外圍電路，就可以實(shí)現流量的監測功能。

　　系統電路總體設計

　　芯片介紹

　　MSP430F2274是TI公司2006年推出的一款高性能低功耗、性?xún)r(jià)較高的16位單片機芯片，MSP430F2274繼承了TI單片機的傳統特點(diǎn)：超低功耗、體積更小、性能更好、更易使用。將MSP430F2274內部的16位精簡(jiǎn)指令集CPU通過(guò)馮o諾依曼結構的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，連接到外圍設備和可編程時(shí)鐘系統，另外，由于有一個(gè)先進(jìn)的CPU配合具有標準組件存儲印象的模擬和數字的外圍設備，使得MSP430 可以用于處理混合信號。具有眾多的內部資源，從而可為系統的構造提供很大的便利。TDC-GP2是德國ACAM公司即TDC-GP1后推出的又一款新的時(shí)間數字轉化芯片，它的高精度和小型封裝使其成為低成本工業(yè)應用領(lǐng)域設計的理想器件，GP2具有高速脈沖發(fā)生器，停止信號使能，溫度測量和時(shí)鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量和熱量測量方面的應用。它有兩個(gè)測量范圍，可以使時(shí)間的測量精度達到ps級。

　　系統的總體設計

　　整個(gè)系統是圍繞MSP430F2274和GP2 來(lái)設計外圍電路的。2274主要用來(lái)做系統控制和數據處理，GP2主要用來(lái)采集時(shí)間差，也是整個(gè)系統數據采集的核心。該電路是將系統設計成存儲式，即先把整個(gè)系統裝到骨架上放到被測量的井中，測量數據暫時(shí)存放到靜態(tài)存儲器中，等測量完成后再把系統提升到地面進(jìn)行數據回放。在測量過(guò)程中GP2在2274的控制下實(shí)現與流量、溫度相關(guān)的時(shí)間參數的測量，并存于GP2內部寄存器中，由2274讀出后進(jìn)行相應的處理與存儲。儀器被提升到地面后，系統在接收到計算機的命令后將存儲的數據通過(guò)MAX3232EVE傳送給計算機進(jìn)行處理。系統的總體框圖如圖1所示。系統上電后，存儲在2274內部的ROM中的程序被引導進(jìn)2274內部運行。當2274完成對自身和GP2的初始化設置后，首先給模擬開(kāi)關(guān)(TS5A23157)一個(gè)確定信號，使之處于一個(gè)確定狀態(tài)，這樣就可以確定兩個(gè)超聲波傳感器的收發(fā)狀態(tài)，也就是確定是順水測量還是逆水測量。之后2274給GP2發(fā)送命令，通過(guò)GP2的FIRE引腳發(fā)射信號，給超聲波傳感器提供激勵的同時(shí)，同時(shí)給GP2提供START信號；而超聲波傳感器接收到的信號經(jīng)過(guò)兩極放大電路及濾波電路、波形整形電路后送到GP2作為STOP信號，這樣GP2就可以計算出超聲波在流體中的傳播時(shí)間。然后2274改變模擬開(kāi)關(guān)的通道開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即改變傳感器的收發(fā)狀態(tài)，再進(jìn)行一次測量，又可以得到一個(gè)傳播時(shí)間。根據這兩個(gè)時(shí)間參數，利用時(shí)差法原理公式就可以計算出管柱中流體的流量。2274把計算結果存入外部的存儲器中。在測量完成后，把電路提到地面，利用數據線(xiàn)和PC機連接，把測得的數據傳送到PC機進(jìn)行注水曲線(xiàn)繪制，并作進(jìn)一步的分層注水剖面分析。

　　數據回放電路設計

　　因為整個(gè)系統的測量是在井下進(jìn)行的，而且在測量過(guò)程中數據并不上傳。數據的后期處理和注水曲線(xiàn)的繪制是測量完成以后，數據回放到PC機以后進(jìn)行的。所以對數據的回放也必須考慮在內。數據的回放框圖如圖2所示。

　　TDC-GP2與2274通信電路的設計

　　TDC-GP2的通信格式是四線(xiàn)的串行通信格式 (SPI)，電路中利用2274的串行通信引腳和GP2的通信引腳相連，并利用2274的I/O口引腳P2.2作為GP2的選通腳，利用另一個(gè)I/O引腳P4.2作為GP2的復位腳，而用2274的I/O引腳P2.0來(lái)響應GP2的中斷。利用2274的P2.4和P2.5分別作為GP2的"開(kāi)始"和"結束"的使能信號 。其具體的通信電路如圖3所示。通信的數據速率可以根據GP2的讀寫(xiě)操作時(shí)序圖用軟件來(lái)確定。

　　電源電路的設計

　　因為整個(gè)系統的供電采用干電池供電方式。所以在功耗的要求上是比較嚴格的。在整個(gè)電路中所用的芯片都是3.3V供電，這樣就減少了以往系統中電平轉換芯片使用過(guò)程中能量的損失。受供電方式的限制，對電源電路的設計相當重要，必須選擇耐高溫、體積小、功耗小、能量大的電池。另外，對如何提高電池的利用率也作了考慮。除此之外，在本系統中，采用雙電源的供電方式，即一個(gè)主電源一個(gè)備用電源，整個(gè)電源部分的電路結構如圖4所示。主電源在剛開(kāi)始通過(guò)二極管網(wǎng)絡(luò )(二極管網(wǎng)絡(luò )是用來(lái)確定門(mén)限電壓的)給系統供電，使系統處于主電源供電模式，同時(shí)2274使模擬開(kāi)關(guān)選通主電源供電模式，通過(guò)檢測電路來(lái)檢測主電源的電壓幅度，當電壓幅度小于預設的門(mén)限電壓時(shí)，2274通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選通備用電源，使用備用電源給系統供電。這樣就使得系統的工作時(shí)間更長(cháng)、更可靠。

　　流量測量預處理電路的設計

　　由于從超聲波傳感器接收到的信號是非常微弱的超聲波信號，而GP2的STOP通道對信號的識別是有要求的，所以必須對接收信號進(jìn)行放大、濾波。具體電路如圖5所示：通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選通的接收信號經(jīng)一級運放電路進(jìn)行放大，放大幅度約為20dB，之后對放大后的信號進(jìn)行帶通濾波，濾波后對信號進(jìn)行二次放大，這次放大的幅度也是約20dB，即兩次總的放大增益約為40dB，二次放大后的信號經(jīng)比較器整形后送到GP2作為STOP信號。由于GP2 測量的是開(kāi)始信號和結束信號之間的時(shí)間差，要求上升沿盡量的陡，所以必須使用高速比較器。

　　系統軟件設計

　　GP2的軟件設計流程如圖6所示：系統上電后通過(guò)2274選通GP2，并對GP2的寄存器進(jìn)行配置，接著(zhù)初始化GP2，在TDC單元接收到START通道上的第一個(gè)脈沖信號后開(kāi)始工作，直到達到預先設置的采樣數或者遇到測量溢出后停止工作。然后，對測量值進(jìn)行校準（可以不校準）后計算得到測量值，這樣就完成了一次測量。一次測量完成后觸發(fā)中斷，2274讀取測量到的數據。下次測量前再進(jìn)行一次初始化后就可以開(kāi)始第二次測量。

　　總結

　　該系統電路經(jīng)過(guò)室內試驗，取得了良好的測量效果，系統的測量精度和穩定性都達到了預先的設計要求。從而充分說(shuō)明了該系統的可行性，為其應用型、產(chǎn)品化儀器的開(kāi)發(fā)提供了必要的依據。另外，這套系統還可以應用到其它的工業(yè)領(lǐng)域，可以做成工業(yè)自動(dòng)化的控制最前端的測量流量設備。此測量電路系統的設計對于其它流量測量?jì)x器的設計有一定的參考價(jià)值。