1 、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油的需求量越來(lái)越大，因此我國(guó)許多油田紛紛采用多種辦法來(lái)提高油氣產(chǎn)量。例如：各大油田都成立了自己的研究機(jī)構(gòu)，充分利用油田自身的人才和資金的優(yōu)勢(shì)，研制油田鉆井、測(cè)井所急需的儀器。許多油田特別是東部和東北地區(qū)的開采時(shí)間較長(zhǎng)的油田，對(duì)油井進(jìn)行二次開采，以提高油氣產(chǎn)量等等。而對(duì)于油井的二次開采，往井下注水是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛，且效率較高的一種方法。現(xiàn)在油田對(duì)注水技術(shù)的要求越來(lái)越高，近幾年又提出井下分層注水。對(duì)井下分層注水參數(shù)的監(jiān)測(cè)，越來(lái)越引起油田相關(guān)部門的重視。因此現(xiàn)在急需井下分層注水參數(shù)監(jiān)測(cè)的儀器，基于這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)流量、溫度的電路。

2 、設(shè)計(jì)思想的提出

目前油田上使用的流量計(jì)都是存儲(chǔ)式的，其種類很多，包括浮子流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超生波流量計(jì)等。由于設(shè)計(jì)的原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，這些流量計(jì)都有自身的一些缺點(diǎn)，且其精度不是很高，相比較而言，超聲波流量計(jì)有比較顯著的優(yōu)點(diǎn)，它有較高的測(cè)量精度，一般在2%~5%之間，而其他流量計(jì)的精度一般都在5%之上，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞率也比超聲波流量計(jì)要高很多。另外，現(xiàn)在集成芯片的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以說(shuō)已經(jīng)滲透到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著材料工業(yè)和集成電路的發(fā)展，單片機(jī)的性價(jià)比越來(lái)越高，選擇MSP430F2274作為流量數(shù)據(jù)的處理芯片可以說(shuō)既經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠。2274的處理速度和數(shù)據(jù)處理格式完全滿足參數(shù)測(cè)量的技術(shù)要求。設(shè)計(jì)所選擇的GP2是超聲波原理流量計(jì)專用的測(cè)量芯片，芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是基于超聲波時(shí)差法測(cè)量流量的原理設(shè)計(jì)的，此芯片有極高的測(cè)量精度，從而可以保證最終測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。把這兩種芯片應(yīng)用到一個(gè)電路，加上少量的外圍電路，就可以實(shí)現(xiàn)流量的監(jiān)測(cè)功能。

3 、系統(tǒng)電路總體設(shè)計(jì)

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(jià)較高的16位單片機(jī)芯片，MSP430F2274繼承了TI單片機(jī)的傳統(tǒng)特點(diǎn)：超低功耗、體積更小、性能更好、更易使用。將MSP430F2274內(nèi)部的16位精簡(jiǎn)指令集CPU通過(guò)馮o諾依曼結(jié)構(gòu)的地址總線和數(shù)據(jù)總線，連接到外圍設(shè)備和可編程時(shí)鐘系統(tǒng)，另外，由于有一個(gè)先進(jìn)的CPU配合具有標(biāo)準(zhǔn)組件存儲(chǔ)印象的模擬和數(shù)字的外圍設(shè)備，使得MSP430 可以用于處理混合信號(hào)。具有眾多的內(nèi)部資源，從而可為系統(tǒng)的構(gòu)造提供很大的便利。TDC-GP2是德國(guó)ACAM公司即TDC-GP1后推出的又一款新的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片，它的高精度和小型封裝使其成為低成本工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的理想器件，GP2具有高速脈沖發(fā)生器，停止信號(hào)使能，溫度測(cè)量和時(shí)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(cè)量方面的應(yīng)用。它有兩個(gè)測(cè)量范圍，可以使時(shí)間的測(cè)量精度達(dá)到ps級(jí)。

3.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)是圍繞MSP430F2274和GP2 來(lái)設(shè)計(jì)外圍電路的。2274主要用來(lái)做系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理，GP2主要用來(lái)采集時(shí)間差，也是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心。該電路是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成存儲(chǔ)式，即先把整個(gè)系統(tǒng)裝到骨架上放到被測(cè)量的井中，測(cè)量數(shù)據(jù)暫時(shí)存放到靜態(tài)存儲(chǔ)器中，等測(cè)量完成后再把系統(tǒng)提升到地面進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。在測(cè)量過(guò)程中GP2在2274的控制下實(shí)現(xiàn)與流量、溫度相關(guān)的時(shí)間參數(shù)的測(cè)量，并存于GP2內(nèi)部寄存器中，由2274讀出后進(jìn)行相應(yīng)的處理與存儲(chǔ)。儀器被提升到地面后，系統(tǒng)在接收到計(jì)算機(jī)的命令后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)MAX3232EVE傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)上電后，存儲(chǔ)在2274內(nèi)部的ROM中的程序被引導(dǎo)進(jìn)2274內(nèi)部運(yùn)行。當(dāng)2274完成對(duì)自身和GP2的初始化設(shè)置后，首先給模擬開關(guān)（TS5A23157）一個(gè)確定信號(hào)，使之處于一個(gè)確定狀態(tài)，這樣就可以確定兩個(gè)超聲波傳感器的收發(fā)狀態(tài)，也就是確定是順?biāo)疁y(cè)量還是逆水測(cè)量。之后2274給GP2發(fā)送命令，通過(guò)GP2的FIRE引腳發(fā)射信號(hào)，給超聲波傳感器提供激勵(lì)的同時(shí)，同時(shí)給GP2提供START信號(hào)；而超聲波傳感器接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，這樣GP2就可以計(jì)算出超聲波在流體中的傳播時(shí)間。然后2274改變模擬開關(guān)的通道開關(guān)狀態(tài)，即改變傳感器的收發(fā)狀態(tài)，再進(jìn)行一次測(cè)量，又可以得到一個(gè)傳播時(shí)間。根據(jù)這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)，利用時(shí)差法原理公式就可以計(jì)算出管柱中流體的流量。2274把計(jì)算結(jié)果存入外部的存儲(chǔ)器中。在測(cè)量完成后，把電路提到地面，利用數(shù)據(jù)線和PC機(jī)連接，把測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行注水曲線繪制，并作進(jìn)一步的分層注水剖面分析。

3.3 數(shù)據(jù)回放電路設(shè)計(jì)

因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的測(cè)量是在井下進(jìn)行的，而且在測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)并不上傳。數(shù)據(jù)的后期處理和注水曲線的繪制是測(cè)量完成以后，數(shù)據(jù)回放到PC機(jī)以后進(jìn)行的。所以對(duì)數(shù)據(jù)的回放也必須考慮在內(nèi)。數(shù)據(jù)的回放框圖如圖2所示。

3.4 TDC-GP2與2274通信電路的設(shè)計(jì)

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(gè)I/O引腳P4.2作為GP2的復(fù)位腳，而用2274的I/O引腳P2.0來(lái)響應(yīng)GP2的中斷。利用2274的P2.4和P2.5分別作為GP2的“開始”和“結(jié)束”的使能信號(hào) 。其具體的通信電路如圖3所示。通信的數(shù)據(jù)速率可以根據(jù)GP2的讀寫操作時(shí)序圖用軟件來(lái)確定。

3.5 電源電路的設(shè)計(jì)

因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)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(yán)格的。在整個(gè)電路中所用的芯片都是3.3V供電，這樣就減少了以往系統(tǒng)中電平轉(zhuǎn)換芯片使用過(guò)程中能量的損失。受供電方式的限制，對(duì)電源電路的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，必須選擇耐高溫、體積小、功耗小、能量大的電池。另外，對(duì)如何提高電池的利用率也作了考慮。除此之外，在本系統(tǒng)中，采用雙電源的供電方式，即一個(gè)主電源一個(gè)備用電源，整個(gè)電源部分的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。主電源在剛開始通過(guò)二極管網(wǎng)絡(luò)（二極管網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)確定門限電壓的）給系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)處于主電源供電模式，同時(shí)2274使模擬開關(guān)選通主電源供電模式，通過(guò)檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)主電源的電壓幅度，當(dāng)電壓幅度小于預(yù)設(shè)的門限電壓時(shí)，2274通過(guò)模擬開關(guān)選通備用電源，使用備用電源給系統(tǒng)供電。這樣就使得系統(tǒng)的工作時(shí)間更長(zhǎng)、更可靠。

3.6 流量測(cè)量預(yù)處理電路的設(shè)計(jì)

由于從超聲波傳感器接收到的信號(hào)是非常微弱的超聲波信號(hào)，而GP2的STOP通道對(duì)信號(hào)的識(shí)別是有要求的，所以必須對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。具體電路如圖5所示：通過(guò)模擬開關(guān)選通的接收信號(hào)經(jīng)一級(jí)運(yùn)放電路進(jìn)行放大，放大幅度約為20dB，之后對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，濾波后對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)經(jīng)比較器整形后送到GP2作為STOP信號(hào)。由于GP2 測(cè)量的是開始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)之間的時(shí)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

GP2的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示：系統(tǒng)上電后通過(guò)2274選通GP2，并對(duì)GP2的寄存器進(jìn)行配置，接著初始化GP2，在TDC單元接收到START通道上的第一個(gè)脈沖信號(hào)后開始工作，直到達(dá)到預(yù)先設(shè)置的采樣數(shù)或者遇到測(cè)量溢出后停止工作。然后，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)（可以不校準(zhǔn)）后計(jì)算得到測(cè)量值，這樣就完成了一次測(cè)量。一次測(cè)量完成后觸發(fā)中斷，2274讀取測(cè)量到的數(shù)據(jù)。下次測(cè)量前再進(jìn)行一次初始化后就可以開始第二次測(cè)量。

5 、總結(jié)

該系統(tǒng)電路經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，取得了良好的測(cè)量效果，系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性都達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。從而充分說(shuō)明了該系統(tǒng)的可行性，為其應(yīng)用型、產(chǎn)品化儀器的開發(fā)提供了必要的依據(jù)。另外，這套系統(tǒng)還可以應(yīng)用到其它的工業(yè)領(lǐng)域，可以做成工業(yè)自動(dòng)化的控制最前端的測(cè)量流量設(shè)備。此測(cè)量電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于其它流量測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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