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　　隨著人們生活水平的提高，汽車使用越來(lái)越普遍，對(duì)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(dǎo)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)程稱為油井計(jì)量。對(duì)油井準(zhǔn)確、及時(shí)的計(jì)量，不僅對(duì)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(dǎo)意義，也可為市場(chǎng)管理人員調(diào)控成品油價(jià)格提供一定的參考。傳統(tǒng)玻璃管量液的產(chǎn)液量獲取方式，不僅人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，且測(cè)量誤差大、實(shí)時(shí)性差、效率低，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足油井計(jì)量實(shí)時(shí)性、可靠性、準(zhǔn)確性的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)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(fù)雜，粘度、比重、含水率等參數(shù)各不相同，造成了如今流量測(cè)量傳感器的多樣性、專用性和價(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)量流量傳感器堪稱當(dāng)前流量測(cè)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(fù)雜、維護(hù)困難;渦街式流量傳感器適用環(huán)境有限、測(cè)量精度低等。所以，各種環(huán)境通用、結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)原理

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jù)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(duì)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(nèi)油水比例幾乎不變。對(duì)油水比例一定的原油的比熱容c可視作固定值。根據(jù)此定律

　　，設(shè)計(jì)恒功率加熱裝置，在一定的時(shí)間內(nèi)提供恒定的熱量Q。原油進(jìn)入加熱裝置后開始恒功率加熱，分別測(cè)量其加熱前的溫度t1和加熱后的溫度t2，即可計(jì)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(cè)量裝置出口處相對(duì)于入口處的原油的溫差“t2-t1”就越小。反之，溫差越大。

　　據(jù)此，建立試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)溫差式流量傳感器，利用高精度的容積式流量計(jì)，進(jìn)行以下標(biāo)定試驗(yàn)，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(cè)量初始溫度，由恒功率的加熱棒加熱后，在出口處測(cè)量加熱后的溫度，由容積式流量計(jì)測(cè)得該溫差下的流速;更換流速，重復(fù)以上試驗(yàn)操作。由此，可得到不同流速下對(duì)應(yīng)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(duì)于該油水比的油井，溫差式流量傳感器只需測(cè)量加熱裝置前后的溫度，即可根據(jù)擬合的公式計(jì)算得到產(chǎn)液量。分別通過(guò)試驗(yàn)擬合出不同油水比的溫差一流量關(guān)系，能夠計(jì)算各種油水比的油井的產(chǎn)液量。從而，對(duì)于各個(gè)油井，溫差式流量傳感器只需測(cè)量加熱裝置前后的溫度，即可根據(jù)擬合的溫差一流量關(guān)系式計(jì)算得到產(chǎn)液量。

　　現(xiàn)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(wěn)壓器，使加熱棒兩端電壓恒定為220V。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 整體方案設(shè)計(jì)

　　溫差式流量傳感器整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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　　溫差式流量傳感器主要由單片機(jī)模塊、參數(shù)采集模塊、存儲(chǔ)器模塊、時(shí)鐘模塊、加熱控制模塊、無(wú)線模塊和電源模塊組成。

　　2.2 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)模塊選用了TI公司的單片機(jī)MSP430F2132作為微處理器。它是一種16位超低功耗單片機(jī)，具有較高的處理速度，它的工作電壓為1.8～3.6V;在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片電流在200～400 μA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1μA;6 μs的啟動(dòng)時(shí)間可以使啟動(dòng)更加迅速;集成了看門狗、低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、多個(gè)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(nèi)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。

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　　單片機(jī)模塊控制讀取、存儲(chǔ)參數(shù)采集模塊的數(shù)據(jù);控制無(wú)線通信的啟動(dòng)與停止，通過(guò)串口向無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收無(wú)線模塊的數(shù)據(jù);控制加熱模塊的啟動(dòng)與停止;通過(guò)I2C總線讀取、設(shè)置時(shí)鐘模塊。利用TI公司提供的標(biāo)準(zhǔn)JTAG仿真接口，可實(shí)現(xiàn)程序的仿真調(diào)試。

　　2.3 參數(shù)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(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度采集。它與單片機(jī)通信的接口簡(jiǎn)單，只需一根線相連，且測(cè)量精度較高。入口溫度采集電路如圖3所示。出口處溫度測(cè)量電路與入口處電路相同，三路出口溫度傳感器與單片機(jī)接口分別為TEM01、TEMO2和TEMO3。

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