超聲波在石油濃度測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

安然然， 王新秀

(沈陽(yáng)化工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110142)

當(dāng)液體石油從油井中開采出來(lái)時(shí)，不同油井中開采出的石油含水量差別很大，因此在判定石油質(zhì)量時(shí)，油體的含水比例是一項(xiàng)重要數(shù)據(jù).由于油井中的石油和水在地心熱能的作用下已經(jīng)混合成一種液體，因此要想測(cè)量此混合液體中的含水量方法比較繁瑣.目前測(cè)量石油含水量的方法為蒸餾法.其實(shí)現(xiàn)方法為:首先采用過(guò)濾法，先將混合液體放入密閉容器冷卻，使水和石油盡可能分離，再通過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾掉混合液體中的水分，然后通過(guò)蒸餾法把殘存的水蒸發(fā)出去，最后剩余的就是石油，再通過(guò)精確計(jì)算即可得到混合液體含水比例.但這種方法必須經(jīng)過(guò)冷卻、過(guò)濾、蒸餾三大流程，其耗時(shí)長(zhǎng)，效率低下.且由于此方法耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，容易受到不當(dāng)操作而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確.為滿足工業(yè)測(cè)量需要，采用超聲波測(cè)量液體濃度成為一種既精確又快捷的測(cè)量方式，與其他各類測(cè)量方法相比，其優(yōu)勢(shì)在于:安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便;不需要考慮機(jī)械磨損，精度較高;不需要人為參與，可完全智能化.

1 設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)超聲波在不同物質(zhì)中傳播速度不同的特性設(shè)計(jì)采集系統(tǒng).具體方法為:首先將從油井中開采出的混合液體導(dǎo)入某一管型容器，在管形容器兩個(gè)管口處分別安裝一個(gè)超聲波探頭，兩個(gè)超聲波探頭可互為發(fā)射或接收探頭.測(cè)量時(shí)先取A側(cè)探頭進(jìn)行發(fā)射，B側(cè)探頭進(jìn)行接收;然后進(jìn)行對(duì)調(diào)，使B側(cè)探頭進(jìn)行發(fā)射，A側(cè)探頭進(jìn)行接收.最后對(duì)2次取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)從而確保測(cè)試的準(zhǔn)確性.

由于超聲波傳播速度非?？?，而不同濃度的混合液體對(duì)超聲波速度的影響也比較明顯.測(cè)試時(shí)為能更好地細(xì)分出各種不同混合液體的濃度差，采用以下2種方式來(lái)擴(kuò)大對(duì)比效果.第一，延長(zhǎng)測(cè)量管道長(zhǎng)度，當(dāng)超聲波在較長(zhǎng)的液體中傳播時(shí)，其所需時(shí)間與管道長(zhǎng)度成正比，因此適當(dāng)?shù)卦黾庸艿篱L(zhǎng)度可更加精確地區(qū)別濃度對(duì)超聲波的影響.第二，系統(tǒng)采用分辨率極高的數(shù)字化集成器件TDC-GP2，它能分辨出50 ps的時(shí)間差，這為更好地區(qū)分濃度差提供了基礎(chǔ).圖1為超聲波測(cè)濃度原理圖.

圖1 測(cè)量系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of the measure system

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用TI公司16位精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)MSP430F425作為核心芯片，其具有超低功耗、體積更小、性能更好、更易使用的優(yōu)點(diǎn).MSP430F425同步通訊接口SPI可高速地與外圍設(shè)備器件進(jìn)行通信，成批量的讀取外圍設(shè)備芯片中的數(shù)據(jù)，從而高效率地處理外圍芯片中傳輸?shù)臄?shù)據(jù).

TDC-GP2是德國(guó)ACAM公司推出的又一款新的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片，芯片可精確地記下信號(hào)通過(guò)門電路的個(gè)數(shù)從而確定信號(hào)的傳播時(shí)間，因此這種測(cè)量時(shí)間方法的精度要比早期通過(guò)時(shí)鐘分頻來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘計(jì)數(shù)要精確很多［1］.其時(shí)間的測(cè)量精度達(dá)到ps級(jí)，通過(guò)其對(duì)時(shí)間的精確區(qū)分，系統(tǒng)可有效地區(qū)分石油混合液體的濃度.

TDC-GP2在測(cè)量過(guò)程中可采用2種測(cè)量范圍，即測(cè)量范圍1和測(cè)量范圍2.測(cè)量范圍1的最小分辨率可達(dá)50 ps，測(cè)量范圍為0～1.8 μs.測(cè)量范圍2的最小分辨率同樣可達(dá)50 ps，但其測(cè)量范圍為500 ns～4 ms［2］.在此系統(tǒng)中由于要更加有效地區(qū)分出濃度范圍的不同，因此設(shè)計(jì)導(dǎo)入管的長(zhǎng)度為15 cm，而經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量超聲波在混合液體中傳播的速度要比水中傳播的更快，超聲波在水中傳播速度為1 450 m/s，而15 cm的管超聲波穿過(guò)的時(shí)間約是10 μs，因此在測(cè)量中選用測(cè)量范圍2，其量程范圍為500 ns～4 ms，滿足測(cè)量要求.

數(shù)字TDC與傳統(tǒng)時(shí)間計(jì)數(shù)器的區(qū)別是其以測(cè)量信號(hào)穿過(guò)其內(nèi)部門電路的傳播延遲時(shí)間來(lái)進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)的測(cè)量.圖2描述了這種測(cè)量方法的原理與結(jié)構(gòu).在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)首先啟動(dòng)開始引腳確定計(jì)時(shí)開始，然后在芯片內(nèi)部使電流信號(hào)循環(huán)在各個(gè)內(nèi)部門電路中穿梭，由于每個(gè)門電路對(duì)電流的阻礙時(shí)間相等且計(jì)量極其精確，從而確保了測(cè)量的精確度，系統(tǒng)一直記錄著電流通過(guò)門電路的個(gè)數(shù)，直到待檢測(cè)的信號(hào)使停止引腳端有效結(jié)束計(jì)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)其內(nèi)部處理電路統(tǒng)計(jì)出電流通過(guò)門電路的個(gè)數(shù)，從而得到檢測(cè)信號(hào)飛行的時(shí)間.其測(cè)量范圍可達(dá)20位.

在測(cè)量過(guò)程中，需要由外部電路確定測(cè)開始信號(hào)觸發(fā)時(shí)間，通過(guò)接收檢測(cè)信號(hào)來(lái)確定停止信號(hào)停止.GP2外部需要配備高精度的晶振從而確定出通過(guò)每一個(gè)門電路所需要用的時(shí)間，當(dāng)停止信號(hào)有效后，系統(tǒng)將統(tǒng)計(jì)出的通過(guò)門電路的個(gè)數(shù)與晶振分頻出的時(shí)間頻率進(jìn)行相乘，最終得出信號(hào)穿梭時(shí)間.圖3所示為GP2計(jì)算開始引腳和停止引腳采集到的信號(hào)時(shí)間差.

圖2 GP2時(shí)間測(cè)量電路Fig.2 Circuit of the GP2's timing measure system

圖3 GP2測(cè)量原理Fig.3 Schematic diagram of the GP2's measure system

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方法

整個(gè)系統(tǒng)以MSP430F425作為系統(tǒng)核心處理芯片，以GP2作為信號(hào)發(fā)射與采集電路進(jìn)行設(shè)計(jì).MSP430F425主要負(fù)責(zé)對(duì)GP2發(fā)出控制指令并分析顯示GP2采集到的時(shí)間信息，GP2主要負(fù)責(zé)采集超聲波在石油混合液體中傳播的時(shí)間差，且GP2也是整個(gè)石油濃度測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心.該系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)理念，由于系統(tǒng)對(duì)石油混合液體的檢測(cè)無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)檢測(cè)，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)用電池為設(shè)計(jì)系統(tǒng)供電，充分利用MSP430F425的低功耗特點(diǎn)，系統(tǒng)每間隔一段時(shí)間對(duì)管內(nèi)的石油混合液體進(jìn)行一次檢測(cè)，并將檢測(cè)的結(jié)果存儲(chǔ)到靜態(tài)存儲(chǔ)器中.當(dāng)為測(cè)量系統(tǒng)供電并復(fù)位后，存儲(chǔ)在MSP430F425內(nèi)部flash中的設(shè)計(jì)程序開始運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中MSP430F425完成對(duì)通信系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等多個(gè)功能模塊的初始化設(shè)置，然后檢測(cè)程序開始運(yùn)行，首先 MSP430F425給模擬開關(guān)(TS5A23157)一個(gè)高電平信號(hào)，使模擬開關(guān)處于A側(cè)到B側(cè)導(dǎo)通，但B側(cè)到A側(cè)截止?fàn)顟B(tài)，這樣就使測(cè)量管內(nèi)油體濃度的超聲波信號(hào)只能探頭A進(jìn)行發(fā)送，而探頭 B只能接收.然后MSP430F425通過(guò)SPI總線向GP2發(fā)送控制命令，啟動(dòng)GP2內(nèi)部的振蕩器，在內(nèi)部振蕩器作用下GP2的FIRE引腳可向超聲波探頭發(fā)出震蕩信號(hào)，在FIRE引腳有效的同時(shí)，MSP430425通過(guò)I/O引腳輸出高電平使GP2的START引腳有效，從而確定信號(hào)發(fā)射的時(shí)間;而超聲波探頭B接收到檢測(cè)信號(hào)后先通過(guò)兩極放大電路進(jìn)行放大，然后通過(guò)比較器濾除干擾信號(hào)，最終保留下的信號(hào)送到GP2的STOP引腳作為測(cè)量結(jié)束信號(hào)，這樣 GP2通過(guò)計(jì)算出 START引腳與STOP引腳2次信號(hào)有效的時(shí)間差就可求得超聲波穿過(guò)石油混合液體所用的時(shí)間.然后MSP430F425再通過(guò)I/O引腳輸出低電平，切換模擬開關(guān)的導(dǎo)通方向，即使超聲波B探頭作為發(fā)射探頭，使超聲波A探頭作為接收探頭再進(jìn)行一次測(cè)量，又可以得到一個(gè)傳播時(shí)間［3］.根據(jù)這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)，利用平均算法就可以計(jì)算出超聲波在石油混合液體中傳播的準(zhǔn)確時(shí)間，而通過(guò)這種切換收發(fā)信號(hào)的方法可更好地去除由于石油液體混合不均而對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成誤差的影響.由于MSP430F425內(nèi)部存儲(chǔ)器容量不大，不適合大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)出外部存儲(chǔ)電路，當(dāng)測(cè)量結(jié)束后MSP430F425把處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部寄存器中，當(dāng)接收到上位PC機(jī)傳送的通信指令后，再批量將結(jié)果送到上位PC機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)分析.

當(dāng)上位PC機(jī)向MSP430F425發(fā)出控制命令要求其將所測(cè)結(jié)果上傳時(shí)，MSP430F425再將一段時(shí)間內(nèi)測(cè)得的結(jié)果成批上傳，如圖4所示.在檢測(cè)過(guò)程中GP2根據(jù)MSP430425發(fā)出的控制命令進(jìn)行速度、溫度等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與測(cè)量，并存于GP2內(nèi)部寄存器中，最后根據(jù)同步通信協(xié)議將檢測(cè)結(jié)果送到MSP430F425進(jìn)行處理與存儲(chǔ).測(cè)量系統(tǒng)與上位PC機(jī)的通訊通過(guò)通訊接口芯片MAX3232來(lái)實(shí)現(xiàn)［4］，如圖5所示.

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總框圖Fig.4 Diagram of the system's hardware

圖5 采集系統(tǒng)與上位機(jī)通信框圖Fig.5 Diagram of communication with PC

2.2 芯片間通信模塊電路設(shè)計(jì)

TDC-GP2是一款集成了同步串行通信協(xié)議(SPI)的智能芯片，因此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)核心處理芯片與GP2的通信過(guò)程中要簡(jiǎn)便很多，只需要將低功耗芯片MSP430F425的SPI串行通信引腳直接和GP2的通信引腳相連即可實(shí)現(xiàn)高速通信，由于SPI通信協(xié)議中必須設(shè)置通信雙方的主從關(guān)系，因此在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)將MSP430F425的I/O口引腳P2.2連接到GP2的SSN引腳上，當(dāng)P2.2引腳有效時(shí)，GP2就可作為SPI通信的從屬端，并根據(jù)MSP430F425中設(shè)置的通信頻率向MSP430F425發(fā)送數(shù)據(jù).系統(tǒng)采用 P2.4對(duì)GP2進(jìn)行硬件復(fù)位，當(dāng)GP2受到干擾而無(wú)法正常進(jìn)行工作時(shí)，無(wú)需通過(guò)系統(tǒng)斷電而只需要使P2.4有效即可使GP2復(fù)位，從而保證程序的正確運(yùn)行.系統(tǒng)采用MSP430F425的另一個(gè)I/O引腳P2.0來(lái)采集GP2芯片的中斷請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)GP2采集到檢測(cè)信號(hào)的飛行時(shí)間后，會(huì)將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)到其結(jié)果寄存器中，同時(shí)通過(guò)INTN引腳通知MSP430F425來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，而系統(tǒng)中的P2.0引腳一旦發(fā)現(xiàn)INTN引腳電平發(fā)生變化就啟動(dòng)通信程序，使MSP430F425通過(guò)SPI總線從GP2的結(jié)果寄存器中讀取數(shù)據(jù)［5］.MSP430F425上的 P2.4和 P2.5分別連接 GP2的"EN-START"和"ENSTOP"，可以通過(guò)程序控制GP2的啟動(dòng)與結(jié)束時(shí)間，其具體的通信電路如圖6所示.通信的數(shù)據(jù)速率可根據(jù)GP2的讀寫操作時(shí)序圖用軟件來(lái)確定.

圖6 MSP430F425與GP2的通信電路Fig.6 Communication diagram of MSP430F425 and GP2

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)的供電方式采用干電池進(jìn)行供電，因此為系統(tǒng)配備的電源電池必須選擇耐高溫、體積小、功耗小、能量大的電池.在應(yīng)用過(guò)程中為保證系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間有效地正常工作，在對(duì)核心處理芯片MSP430F425及智能時(shí)間芯片GP2的設(shè)置中都采取了低功耗的設(shè)計(jì)方法，使MSP430F425和GP2只有在進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)才處于激活狀態(tài)，而不檢測(cè)時(shí)都處于休眠狀態(tài)，這種設(shè)置方法使系統(tǒng)的能耗大大降低，從而極大地延長(zhǎng)電池的使用壽命.為了能準(zhǔn)確地了解當(dāng)前電池的儲(chǔ)能狀態(tài)，避免因?yàn)殡姵氐碾妷旱投斐蓴?shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，從而造成誤判，系統(tǒng)在電路中設(shè)計(jì)了欠壓比較器，當(dāng)電池的電壓低于欠壓比較器的設(shè)置值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)不再進(jìn)行測(cè)量工作，從而避免因?yàn)殡娏坎蛔愣斐傻恼`判，提高了系統(tǒng)的可靠性.

3 總結(jié)

本系統(tǒng)依據(jù)了超聲波在不同物質(zhì)中傳播速度不同的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用低功耗高效率的MSP430F425作為系統(tǒng)核心處理芯片，大大地減少了能量的損耗，延長(zhǎng)了電池的壽命，理論上系統(tǒng)上的電池可以可靠供電4 a.在檢測(cè)過(guò)程中充分利用了同步串行通信協(xié)議SPI的優(yōu)點(diǎn)，使芯片間的板間通信速度快，準(zhǔn)確度高.而通過(guò)MAX3232實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)通訊模塊為更深一步的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ).經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)有效地分辨出20%，30%，50%等不同混合濃度油體的成分差，因此可以應(yīng)用到工控業(yè)等領(lǐng)域，其測(cè)量方法對(duì)其他超聲波測(cè)量領(lǐng)域具有借鑒意義.

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