超声波在石油浓度测量系统中的应用

安然然， 王新秀

(沈阳化工大学计算机科学与技术学院，辽宁沈阳110142)

当液体石油从油井中开采出来时，不同油井中开采出的石油含水量差别很大，因此在判定石油质量时，油体的含水比例是一项重要数据.由于油井中的石油和水在地心热能的作用下已经混合成一种液体，因此要想测量此混合液体中的含水量方法比较繁琐.目前测量石油含水量的方法为蒸馏法.其实现方法为:首先采用过滤法，先将混合液体放入密闭容器冷却，使水和石油尽可能分离，再通过滤网过滤掉混合液体中的水分，然后通过蒸馏法把残存的水蒸发出去，最后剩余的就是石油，再通过精确计算即可得到混合液体含水比例.但这种方法必须经过冷却、过滤、蒸馏三大流程，其耗时长，效率低下.且由于此方法耗时过长，容易受到不当操作而导致测量不准确.为满足工业测量需要，采用超声波测量液体浓度成为一种既精确又快捷的测量方式，与其他各类测量方法相比，其优势在于:安装简单，维护方便;不需要考虑机械磨损，精度较高;不需要人为参与，可完全智能化.

1 设计原理与实现方法

根据超声波在不同物质中传播速度不同的特性设计采集系统.具体方法为:首先将从油井中开采出的混合液体导入某一管型容器，在管形容器两个管口处分别安装一个超声波探头，两个超声波探头可互为发射或接收探头.测量时先取A侧探头进行发射，B侧探头进行接收;然后进行对调，使B侧探头进行发射，A侧探头进行接收.最后对2次取得的数据进行比对从而确保测试的准确性.

由于超声波传播速度非常快，而不同浓度的混合液体对超声波速度的影响也比较明显.测试时为能更好地细分出各种不同混合液体的浓度差，采用以下2种方式来扩大对比效果.第一，延长测量管道长度，当超声波在较长的液体中传播时，其所需时间与管道长度成正比，因此适当地增加管道长度可更加精确地区别浓度对超声波的影响.第二，系统采用分辨率极高的数字化集成器件TDC-GP2，它能分辨出50 ps的时间差，这为更好地区分浓度差提供了基础.图1为超声波测浓度原理图.

图1 测量系统原理Fig.1 Schematic diagram of the measure system

2 系统的整体设计方案

系统采用TI公司16位精简指令集单片机MSP430F425作为核心芯片，其具有超低功耗、体积更小、性能更好、更易使用的优点.MSP430F425同步通讯接口SPI可高速地与外围设备器件进行通信，成批量的读取外围设备芯片中的数据，从而高效率地处理外围芯片中传输的数据.

TDC-GP2是德国ACAM公司推出的又一款新的时间数字转化芯片，芯片可精确地记下信号通过门电路的个数从而确定信号的传播时间，因此这种测量时间方法的精度要比早期通过时钟分频来进行时钟计数要精确很多［1］.其时间的测量精度达到ps级，通过其对时间的精确区分，系统可有效地区分石油混合液体的浓度.

TDC-GP2在测量过程中可采用2种测量范围，即测量范围1和测量范围2.测量范围1的最小分辨率可达50 ps，测量范围为0～1.8 μs.测量范围2的最小分辨率同样可达50 ps，但其测量范围为500 ns～4 ms［2］.在此系统中由于要更加有效地区分出浓度范围的不同，因此设计导入管的长度为15 cm，而经过实际测量超声波在混合液体中传播的速度要比水中传播的更快，超声波在水中传播速度为1 450 m/s，而15 cm的管超声波穿过的时间约是10 μs，因此在测量中选用测量范围2，其量程范围为500 ns～4 ms，满足测量要求.

数字TDC与传统时间计数器的区别是其以测量信号穿过其内部门电路的传播延迟时间来进行时间计数的测量.图2描述了这种测量方法的原理与结构.在进行测量时，系统首先启动开始引脚确定计时开始，然后在芯片内部使电流信号循环在各个内部门电路中穿梭，由于每个门电路对电流的阻碍时间相等且计量极其精确，从而确保了测量的精确度，系统一直记录着电流通过门电路的个数，直到待检测的信号使停止引脚端有效结束计时，此时系统通过其内部处理电路统计出电流通过门电路的个数，从而得到检测信号飞行的时间.其测量范围可达20位.

在测量过程中，需要由外部电路确定测开始信号触发时间，通过接收检测信号来确定停止信号停止.GP2外部需要配备高精度的晶振从而确定出通过每一个门电路所需要用的时间，当停止信号有效后，系统将统计出的通过门电路的个数与晶振分频出的时间频率进行相乘，最终得出信号穿梭时间.图3所示为GP2计算开始引脚和停止引脚采集到的信号时间差.

图2 GP2时间测量电路Fig.2 Circuit of the GP2's timing measure system

图3 GP2测量原理Fig.3 Schematic diagram of the GP2's measure system

2.1 系统硬件电路设计方法

整个系统以MSP430F425作为系统核心处理芯片，以GP2作为信号发射与采集电路进行设计.MSP430F425主要负责对GP2发出控制指令并分析显示GP2采集到的时间信息，GP2主要负责采集超声波在石油混合液体中传播的时间差，且GP2也是整个石油浓度测量系统数据采集的核心.该系统采用低功耗设计理念，由于系统对石油混合液体的检测无需长时间连续检测，因此在设计电路时用电池为设计系统供电，充分利用MSP430F425的低功耗特点，系统每间隔一段时间对管内的石油混合液体进行一次检测，并将检测的结果存储到静态存储器中.当为测量系统供电并复位后，存储在MSP430F425内部flash中的设计程序开始运行，在运行过程中MSP430F425完成对通信系统、发射系统、采集系统等多个功能模块的初始化设置，然后检测程序开始运行，首先 MSP430F425给模拟开关(TS5A23157)一个高电平信号，使模拟开关处于A侧到B侧导通，但B侧到A侧截止状态，这样就使测量管内油体浓度的超声波信号只能探头A进行发送，而探头 B只能接收.然后MSP430F425通过SPI总线向GP2发送控制命令，启动GP2内部的振荡器，在内部振荡器作用下GP2的FIRE引脚可向超声波探头发出震荡信号，在FIRE引脚有效的同时，MSP430425通过I/O引脚输出高电平使GP2的START引脚有效，从而确定信号发射的时间;而超声波探头B接收到检测信号后先通过两极放大电路进行放大，然后通过比较器滤除干扰信号，最终保留下的信号送到GP2的STOP引脚作为测量结束信号，这样 GP2通过计算出 START引脚与STOP引脚2次信号有效的时间差就可求得超声波穿过石油混合液体所用的时间.然后MSP430F425再通过I/O引脚输出低电平，切换模拟开关的导通方向，即使超声波B探头作为发射探头，使超声波A探头作为接收探头再进行一次测量，又可以得到一个传播时间［3］.根据这两个时间参数，利用平均算法就可以计算出超声波在石油混合液体中传播的准确时间，而通过这种切换收发信号的方法可更好地去除由于石油液体混合不均而对检测结果造成误差的影响.由于MSP430F425内部存储器容量不大，不适合大规模数据的存储，因此系统设计出外部存储电路，当测量结束后MSP430F425把处理后的数据存储到外部寄存器中，当接收到上位PC机传送的通信指令后，再批量将结果送到上位PC机中进行存储分析.

当上位PC机向MSP430F425发出控制命令要求其将所测结果上传时，MSP430F425再将一段时间内测得的结果成批上传，如图4所示.在检测过程中GP2根据MSP430425发出的控制命令进行速度、温度等相关参数的设置与测量，并存于GP2内部寄存器中，最后根据同步通信协议将检测结果送到MSP430F425进行处理与存储.测量系统与上位PC机的通讯通过通讯接口芯片MAX3232来实现［4］，如图5所示.

图4 系统硬件设计总框图Fig.4 Diagram of the system's hardware

图5 采集系统与上位机通信框图Fig.5 Diagram of communication with PC

2.2 芯片间通信模块电路设计

TDC-GP2是一款集成了同步串行通信协议(SPI)的智能芯片，因此系统在设计核心处理芯片与GP2的通信过程中要简便很多，只需要将低功耗芯片MSP430F425的SPI串行通信引脚直接和GP2的通信引脚相连即可实现高速通信，由于SPI通信协议中必须设置通信双方的主从关系，因此在硬件电路设计时将MSP430F425的I/O口引脚P2.2连接到GP2的SSN引脚上，当P2.2引脚有效时，GP2就可作为SPI通信的从属端，并根据MSP430F425中设置的通信频率向MSP430F425发送数据.系统采用 P2.4对GP2进行硬件复位，当GP2受到干扰而无法正常进行工作时，无需通过系统断电而只需要使P2.4有效即可使GP2复位，从而保证程序的正确运行.系统采用MSP430F425的另一个I/O引脚P2.0来采集GP2芯片的中断请求信号，当GP2采集到检测信号的飞行时间后，会将测量结果存储到其结果寄存器中，同时通过INTN引脚通知MSP430F425来进行数据提取，而系统中的P2.0引脚一旦发现INTN引脚电平发生变化就启动通信程序，使MSP430F425通过SPI总线从GP2的结果寄存器中读取数据［5］.MSP430F425上的 P2.4和 P2.5分别连接 GP2的"EN-START"和"ENSTOP"，可以通过程序控制GP2的启动与结束时间，其具体的通信电路如图6所示.通信的数据速率可根据GP2的读写操作时序图用软件来确定.

图6 MSP430F425与GP2的通信电路Fig.6 Communication diagram of MSP430F425 and GP2

2.3 电源模块设计

在设计过程中，系统的供电方式采用干电池进行供电，因此为系统配备的电源电池必须选择耐高温、体积小、功耗小、能量大的电池.在应用过程中为保证系统能长时间有效地正常工作，在对核心处理芯片MSP430F425及智能时间芯片GP2的设置中都采取了低功耗的设计方法，使MSP430F425和GP2只有在进行系统检测时才处于激活状态，而不检测时都处于休眠状态，这种设置方法使系统的能耗大大降低，从而极大地延长电池的使用寿命.为了能准确地了解当前电池的储能状态，避免因为电池的电压低而造成数据的不准确，从而造成误判，系统在电路中设计了欠压比较器，当电池的电压低于欠压比较器的设置值时，系统会自动关机不再进行测量工作，从而避免因为电量不足而造成的误判，提高了系统的可靠性.

3 总结

本系统依据了超声波在不同物质中传播速度不同的原理进行设计，并采用低功耗高效率的MSP430F425作为系统核心处理芯片，大大地减少了能量的损耗，延长了电池的寿命，理论上系统上的电池可以可靠供电4 a.在检测过程中充分利用了同步串行通信协议SPI的优点，使芯片间的板间通信速度快，准确度高.而通过MAX3232实现的上位机通讯模块为更深一步的存储数据和处理数据提供了基础.经过试验检测本系统在实验室中已经有效地分辨出20%，30%，50%等不同混合浓度油体的成分差，因此可以应用到工控业等领域，其测量方法对其他超声波测量领域具有借鉴意义.

［1］ 王文川，韩焱，张丕状.基于时间数字转换的精密时差测量系统设计［J］.现代电子技术，2009(4): 20－25.

［2］ 邢燕.高精度时间间隔测量系统［J］.电子测量技术，2010(5):23－24.

［3］ 张万江，侯静，韩大鹏.TDC-GP1在超声波流量计中的应用［J］.仪表技术与传感器，2008(3):83－84.

［4］ 朱常青.用RS-232串口实现数据的远距离通信［J］.石油仪器，2003(1):33－34.

［5］ 王明伟，姚展，李秦君.基于ARM的超声波流量测量仪的设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2008(12):86－87.