原油渦輪流量計量

 1 工作原理

    渦輪流量計是將渦輪傳感器產(chǎn)生的與原油流量成正比的脈動信號轉(zhuǎn)換成流量值，即將傳感器單位時間輸出脈沖數(shù)和輸出脈沖總數(shù)轉(zhuǎn)換成瞬時流量和總流量，并顯示出來。系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示當前瞬時流量、當前累加總流量、當前時間，并具有在線參數(shù)設置功能。同時可將流量、時間等信號轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號，以便于信號遠傳[1]。系統(tǒng)采用LCD顯示及低功耗工作方式，整個電路除通信模塊外，其它部分均可在2.7～3V電壓下工作。在野外無電源場合下可采用2節(jié)1.5V干電池供電，完成流量檢測和顯示功能。單片機選用美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F873。PIC系列8位單片機采用精簡指令集計算機結(jié)構(gòu)（RISCCPU），僅有35條單字指令，可以應用在數(shù)字化儀器儀表、自動測試和控制、智能化家用電器等領域[2]。工作頻率范圍為DC～20MHz；其功耗在工作電壓為5V、晶振頻率為4MHz時典型值小于2mA，3V/32kHz時小于20μA；運行電壓范圍：2.0～5.5V；有3組雙向I/O口，引腳具有很強的負載直接驅(qū)動能力，25mA的吸入/拉出電流；支持中斷處理（13個中斷源）；具有8級深度的硬件堆棧，方便于實現(xiàn)多級子程序調(diào)用；串行通信模式方面可支持USART、SPI及I2C等通信方式[3-4]。

    2 主要功能

    系統(tǒng)硬件電路（如圖1所示）包括渦輪傳感器輸出信號整形放大電路、鍵盤接口電路、液晶顯示電路、D/A和V/I轉(zhuǎn)換電路。各部分電路主要功能介紹如下：

    （1）由渦輪傳感器輸出的脈沖信號，其幅值、波形都是不規(guī)則的，在進入顯示儀表后，先需整形成為有規(guī)則的具有一定幅值的矩形電脈沖信號，整形放大電路正是實現(xiàn)了這一功能[5]。矩形脈沖信號送入單片機的引腳TOCK1，經(jīng)片內(nèi)定時器TIM2ER0對其進行計數(shù)，并計算出瞬時流量、當前累加總流量。PIC16F873采用32.768kHz的標準晶振，利用單片機內(nèi)部的計數(shù)器、預分頻器，可得到一個的時鐘源。
 

    （2）設計了一個6位LCD顯示器用于顯示儀表系數(shù)、時間、瞬時流量、累積流量等。PIC16F873的RA口輸出顯示數(shù)據(jù)的BCD碼，經(jīng)BCD譯碼器譯碼后送LCD的段碼端，RB2～RB7分別控制6位LCD的位選通，以實現(xiàn)顯示功能。

    （3）鍵盤接口電路采用查詢方式工作。電路中共有4個按鍵，其中有2個鍵定義為“加一鍵”和“減一鍵”，用于參數(shù)修訂；另外2個鍵分別為編程鍵、選項鍵，按下編程鍵后，進入編程狀態(tài)，用戶輸入平均儀表系數(shù)。選項鍵用來確定顯示哪種流量方式（如瞬時流量、累積流量等）。

    （4）瞬時流量、累積流量被計算出后，除現(xiàn)場顯示外，在條件允許的情況下還可變?yōu)?～20mA電流信號，進行遠距離傳送。本電路中先用D/A轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字信號變成電壓信號，再使用電壓/電流轉(zhuǎn)換器將其變成適合工業(yè)測控系統(tǒng)遠距離傳送的4～20mA電流信號。D/A轉(zhuǎn)換器的型號為MAX504，是由美信（Maxim）公司生產(chǎn)的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器[6]。以串行方式接收單片機送來的數(shù)據(jù)，進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。MAX504的工作模式有三種：單極性配置、雙極性配置、四象限乘法器等，本電路中采用單極性配置且增益為1，即芯片把10位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成0～2V電壓。

    （5）系統(tǒng)選用AD694作為V/I轉(zhuǎn)換器，AD694是一種4～20mA電壓/電流轉(zhuǎn)換器，它的特點是不接或只接很少的外部元件就能達到0.02%的非線性度，精度高，且抗干擾性強，可廣泛應用于壓力、流量、溫度等信號的參數(shù)傳遞和對閥、調(diào)節(jié)器以及過程控制中一些常用設備的控制。它可與MAX504直接配合使用，將其輸出的0～2V電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號，以進行信號遠傳。

    （6）系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由主程序模塊、鍵盤處理模塊、定時器處理模塊、流量計算存儲模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及串行通信模塊組成，實現(xiàn)流量信號的采集、顯示、遠傳等功能。新型渦輪流量計系統(tǒng)采用PIC16F873單片機，具有測量準確、低成本、低功耗、方便在線修正儀表參數(shù)等優(yōu)點，適用于油田生產(chǎn)現(xiàn)場，已在陜北油田實際應用中取得了良好的效果。