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。[page]
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。
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