一種基于ARM的恒功率式熱式質量流量計的系統設計

冀佩佳，鄧璐，劉萌

（西安石油大學教育部光電油氣測井與檢測重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

部分油田開采進入后期，對于低產井的流量的實時監控也得到了相應的需求，如何完成在低產井中流量有關流動參數實時、準確、簡便的測量，便成了低產井工程領域研究中有待解決的問題。本文設計了ARM嵌入式系統構成的流量測量系統，具有極好的穩定性，運算、測量速度快，操作界面直觀，可直接在本地外界的顯示屏上讀取每分鐘的公升數，大大提升了井場工作人員的效率[1]。

1 恒功率式流量計測量原理

恒功率熱式質量流量計測量原理是在需要被測的流體中布置熱源以及傳感器，可根據所需要精度不同選擇不同的精度的傳感器，但布置在流體中的兩個傳感器必須一致，并且固定在熱源兩側，使用恒壓源對熱源進行加熱，由于對流換熱以及流速的影響，會使得兩個溫度傳感器的阻值不同，即溫度不同。溫度傳感器通過惠斯通電橋進行差分放大，由于兩個溫度傳感器的阻值不同會導致電橋不平衡，繼而通過測量電橋的電壓來反映流體流量。

在測量裝置測量流量時，我們通過提供恒定電壓進行外部加熱，根據熱量傳遞關系，可以將該系統的熱平衡關系表示為：

式中：W表示加熱裝置的功率；h表示對流換熱系數；A0表示傳感器的表面積，通常傳感器的形狀為圓柱體，即A0=Πld，其中d表示傳感器的直徑；l表示傳感器的長度；Td表示流速傳感器加熱后的溫度；Tu為流體環境溫度。

由式（1）可知，確定加熱棒和流體之間的熱平衡關系的前提是確定加熱棒的對流換熱系數。根據流體力學以及傳熱學引入下列參數：

根據Kramers對流換熱方程：

將式（2）代入式（1），即：

然后，再令

則加熱裝置的功率為：

對于已知測量對象，式中P0、Q0可以看作是常數。

在熱源兩側布置pt1000溫度傳感器，可以滿足恒功率質量流量計對溫度變化的高靈敏要求，加熱后傳感器的電阻值和加熱前的電阻值之差如式（5）所示。由于該流量計用于低產井下，則式（5）中括號內的第二項5.802×10-7×（Td+Tu）可以忽略，則式（5）可化簡為式（6）：

而（Td-Tu）可以用電阻來表示為：

式（3）可化簡為：

分析式（9）可知，對于恒功率式流量計，I2R為已知值，Tu表示流體溫度，其電阻值基本保持不變（在極端情況下，會隨著環境溫度有相應的變化），則我們只需要測出加熱后傳感器的電阻值，即可求出被測流量Q。

2 硬件系統設計

恒功率熱式流量計檢測電路總體框圖如圖1所示。數據采集模塊分為流速的測量以及溫度的測量，即測量熱源兩側電阻的阻值，分別通過惠斯通電橋測量原理與分壓原理測得結果。將數據采集模塊得到的數據經放大后利用A/D模塊進行數模轉換，利用SPI通訊將數據進行傳輸，即可得到兩個溫度傳感器相應的阻值，并通過DSP內部運算得出此時的質量流量，并通過數據處理模塊將其存儲、顯示以及發送給后臺終端。

圖1 恒功率熱式流量計檢測電路總體框圖

2.1 惠斯通電路測量電阻原理

圖2所示為三線制溫度傳感器與測量橋臂的電路原理圖。本次實驗熱敏電阻采用三線制接法，是為了消除連接熱敏電阻的導線所引起的測量誤差，因為鉑電阻與測溫控制電路板的連接距離較長，所以導線的電阻不可忽略，同時導線電阻的阻值也會隨溫度變化，所以導線上的電阻不可忽略，我們采用三線制法連接導線以及采用非平衡電橋原理測量鉑電阻，來消除連接導線所引起的測量誤差，從而測量精確的電阻值[2]。由圖2可以看出，由于電橋不平衡，V1和V2兩端將存在電位差，我們忽略熱敏電阻陰險電阻，已知V1電壓和R1、R2、R3電阻阻值，因此只要知道V2電壓，就可以將未知電阻R4求得，然后通過查閱pt100分度表就可知道當前溫度值。

圖2 鉑電阻與測量橋臂的電路原理圖

2.2 LM358信號放大電路

LM358是雙運算放大器。內部包含由兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。在推薦工作條件下， 電源電流與電源電壓無關。它的應用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他可用單電源供電的運放應用環境[3]。如圖3所示，為LM358運放差動放大電路，將得到V2的電壓從而得到R4的阻值。由于考慮到pt100所要檢測環境的最低溫度值，R3的電阻值比要檢測的環境溫度最低值所對應的熱敏電阻值略小。同時，在與LM358組成的差動放大電路中，電阻R7、R9、R6、R8的參數選擇要滿足R6/R7=R9/R8，同時選擇合適的電阻值來確定差動放大器的放大倍數。

由電橋引出的兩個電壓V1和V2會存在電壓值，我們使用LM358差動運算放大電路，將V1和V2的差值進行放大，放大電壓為V3，則V3=（1+R9/R8）*（V2-V1），然后對放大結果進行A/D轉換得到V3電壓值，而R9、R8、V1為固定值，因此只要得到V2的值就可以間接計算出R此時的阻值。

圖3 LM358運放差動放大電路

3 系統軟件設計

系統的軟件設計是對電路功能更好的體現，其中包括數據采集模塊、網絡模塊、顯示模塊等。利用C語言進行編程，Keil為編譯環境。待接通電源后，對各個模塊進行初始化配置，初始化完成后，首先對按鍵進行檢測，如果未啟動測量功能，則系統進入待機模式，避免資源的浪費。啟動測量功能，利用A/D轉換進行數據采集，利用C語言內部運算功能將數據進行解析[4]。待數據處理完成后將數據分別將數據進行存儲，以及發送給顯示模塊以及網絡模塊。若測量結束，系統進入待機模式從而實現系統的低功耗。具體實現框圖如圖4所示。

3.1 數據采集模塊

在數據采集模塊中，溫度傳感器采集的電信號，經信號放大器放大，用Linux字符設備驅動框架編寫SPI接口的MAX1039驅動程序，采集過程由芯片內部完成，無需人為操作。其中MAX1039的功能將模擬信號轉換為數字信號，再根據pt1000分度表查看相應的溫度值。利用線程池分別發送給顯示模塊、數據存儲模塊記憶網絡模塊，具體實現如圖5所示。在數據存儲模塊中，利用C語言內部運算功能將數據解析后利用SQlite3數據庫進行存儲[5]。

圖4 軟件設計框架

圖5 數據采集模塊

3.2 顯示模塊

在顯示模塊中，在本地外接顯示屏利用frambuffer技術顯示實時流量、累積流量，實現框圖如圖6所示。Linux Framebuffer是Linux的一種操作顯存最基礎的軟件規范，其原理是調用Linux提供函數獲得顯存地址，然后通過對顯存中的數值完成修改，達到改變屏幕顯示的效果[6]。其原理圖如圖7所示。

圖6 顯示模塊軟件框圖

圖7 顯存原理圖

3.3 網絡模塊

在用戶通過內置網頁可實現登錄、注冊、查詢等功能。創建socket套接字，利用B/S模型搭建Web服務器，使用多路復用IO實現并發，通過HTTP協議將實時數據繪制成HTML網頁發送給遠端監控。其中B/S系統架構如圖8所示。

圖8 B/S系統架構圖

4 結論

本文在研究適用于低產井的恒功率質量流量計的基礎上，利用ARM硬件平臺和Linux操作系統上實現了對流量的測量以及實時監控。在實驗中，該方案實施運行良好，擴展性良好，易于維護，有利于系統的后續改進，同時滿足了為采油現場工作人員的提供了流量測量的需求。