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。