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1 引言 隨著我國經濟的快速發展，對石油的需求量越來越大，因此我國許多油田紛紛采用多種辦法來提高油氣產量。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采時間較長的油田，對油井進行二次開采，以提高油氣產量等等。而對于油井的二次開采，往井下注水是現在應用廣泛，且效率較高的一種方法。現在油田對注水技術的要求越來越高，近幾年又提出井下分層注水。對井下分層注水參數的監測，越來越引起油田相關部門的重視。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。 2 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，且其精度不是很高，相比較而言，超聲波流量計有比較顯著的優點，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越廣泛，可以說已經滲透到工農業生產的各個領域。隨著材料工業和集成電路的發展，單片機的性價比越來越高，選擇MSP430F2274作為流量數據的處理芯片可以說既經濟又實惠。2274的處理速度和數據處理格式完全滿足參數測量的技術要求。設計所選擇的GP2是超聲波原理流量計專用的測量芯片，芯片的內部結構就是基于超聲波時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電路，加上少量的外圍電路，就可以實現流量的監測功能。 3 系統電路總體設計 3.1 芯片介紹 MSP430F2274是TI公司2006年推出的一款高性能低功耗、性價較高的16位單片機芯片，MSP430F2274繼承了TI單片機的傳統特點：超低功耗、體積更小、性能更好、更易使用。將MSP430F2274內部的16位精簡指令集CPU通過馮o諾依曼結構的地址總線和數據總線，連接到外圍設備和可編程時鐘系統，另外，由于有一個先進的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應用領域設計的理想器件，GP2具有高速脈沖發生器，停止信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能，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。它有兩個測量范圍，可以使時間的測量精度達到ps級。 3.2 系統的總體設計 整個系統是圍繞MSP430F2274和GP2 來設計外圍電路的。2274主要用來做系統控制和數據處理，GP2主要用來采集時間差，也是整個系統數據采集的核心。該電路是將系統設計成存儲式，即先把整個系統裝到骨架上放到被測量的井中，測量數據暫時存放到靜態存儲器中，等測量完成后再把系統提升到地面進行數據回放。在測量過程中GP2在2274的控制下實現與流量、溫度相關的時間參數的測量，并存于GP2內部寄存器中，由2274讀出后進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MAX3232EVE傳送給計算機進行處理。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，首先給模擬開關(TS5A23157)一個確定信號，使之處于一個確定狀態，這樣就可以確定兩個超聲波傳感器的收發狀態，也就是確定是順水測量還是逆水測量。之后2274給GP2發送命令，通過GP2的FIRE引腳發射信號，給超聲波傳感器提供激勵的同時，同時給GP2提供START信號；而超聲波傳感器接收到的信號經過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間。然后2274改變模擬開關的通道開關狀態，即改變傳感器的收發狀態，再進行一次測量，又可以得到一個傳播時間。根據這兩個時間參數，利用時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，利用數據線和PC機連接，把測得的數據傳送到PC機進行注水曲線繪制，并作進一步的分層注水剖面分析。 3.3 數據回放電路設計 因為整個系統的測量是在井下進行的，而且在測量過程中數據并不上傳。數據的后期處理和注水曲線的繪制是測量完成以后，數據回放到PC機以后進行的。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。 3.4 TDC-GP2與2274通信電路的設計 TDC-GP2的通信格式是四線的串行通信格式 (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I/O引腳P4.2作為GP2的復位腳，而用2274的I/O引腳P2.0來響應GP2的中斷。利用2274的P2.4和P2.5分別作為GP2的"開始"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的讀寫操作時序圖用軟件來確定。 3.5 電源電路的設計 因為整個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，即一個主電源一個備用電源，整個電源部分的電路結構如圖4所示。主電源在剛開始通過二極管網絡(二極管網絡是用來確定門限電壓的)給系統供電，使系統處于主電源供電模式，同時2274使模擬開關選通主電源供電模式，通過檢測電路來檢測主電源的電壓幅度，當電壓幅度小于預設的門限電壓時，2274通過模擬開關選通備用電源，使用備用電源給系統供電。這樣就使得系統的工作時間更長、更可靠。 3.6 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行放大、濾波。具體電路如圖5所示：通過模擬開關選通的接收信號經一級運放電路進行放大，放大幅度約為20dB，之后對放大后的信號進行帶通濾波，濾波后對信號進行二次放大，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比較器整形后送到GP2作為STOP信號。由于GP2 測量的是開始信號和結束信號之間的時間差，要求上升沿盡量的陡，所以必須使用高速比較器。 4 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2274選通GP2，并對GP2的寄存器進行配置，接著初始化GP2，在TDC單元接收到START通道上的第一個脈沖信號后開始工作，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中斷，2274讀取測量到的數據。下次測量前再進行一次初始化后就可以開始第二次測量。 5 總結 該系統電路經過室內試驗，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。從而充分說明了該系統的可行性，為其應用型、產品化儀器的開發提供了必要的依據。另外，這套系統還可以應用到其它的工業領域，可以做成工業自動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儀器的設計有一定的參考價值。 |
