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，實現數據的短距離無線傳輸。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。油井生產石油的產量也成為油田領導人重點關注的問題。油井的產油量可用流量表示，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方案、提高油井生產效率有重要的指導意義，也可為市場管理人員調控成品油價格提供一定的參考。傳統玻璃管量液的產液量獲取方式，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。隨著科學技術的發展，市場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、專用性和價格差異的懸殊性。目前投放市場的產品大都存在這樣那樣的不足。如：科里奧利式質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境有限、測量精度低等。所以，各種環境通用、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分別為被加熱物質的比熱容和質量，t1、t2分別為物質加熱前后的溫度。對于特定的物質，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，在一定的時間內提供恒定的熱量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，即可根據擬合的公式計算得到產液量。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，即可根據擬合的溫差一流量關系式計算得到產液量。
現場安裝時，原油由220V交流電為恒功率加熱棒供電產生的熱量加熱。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、存儲參數采集模塊的數據；控制無線通信的啟動與停止，通過串口向無線模塊發送數據，并接收無線模塊的數據；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，可實現程序的仿真調試。
2．3 參數采集模塊
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公司生產的數字式溫度傳感器DS18B20實現溫度采集。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。存儲器以字節為單位，共有8192個地址。與其它非易失性存儲器技術不同，FM3130中存儲器提供了有效的無限制寫入次數。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傳模塊APC240，它是新一代的多通道嵌入式無線數傳模塊，可設置多個頻道，步進為1kHz，發射功率最大10mW，采用了高效的循環交織糾檢錯編碼，其編碼增益高達近3dBm，糾錯能力和編碼效率均達到業內的領先水平，真正實現了透明的連接。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。每次采集完成后，MSP430F2132根據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據管理中心。測量完10min的參數后，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送的命令信息，接收中斷產生后，置工作標記為2。單片機根據不同的命令執行不同的操作。無線模塊接收中斷流程圖如圖8所示。
4 測量數據及分析
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據和容積式流量計測量數據對比如表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，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，實現了油井自動化計量，可以推廣使用。