超聲波在石油濃度測量系統中的應用

安然然， 王新秀

(沈陽化工大學計算機科學與技術學院，遼寧沈陽110142)

當液體石油從油井中開采出來時，不同油井中開采出的石油含水量差別很大，因此在判定石油質量時，油體的含水比例是一項重要數據.由于油井中的石油和水在地心熱能的作用下已經混合成一種液體，因此要想測量此混合液體中的含水量方法比較繁瑣.目前測量石油含水量的方法為蒸餾法.其實現方法為:首先采用過濾法，先將混合液體放入密閉容器冷卻，使水和石油盡可能分離，再通過濾網過濾掉混合液體中的水分，然后通過蒸餾法把殘存的水蒸發出去，最后剩余的就是石油，再通過精確計算即可得到混合液體含水比例.但這種方法必須經過冷卻、過濾、蒸餾三大流程，其耗時長，效率低下.且由于此方法耗時過長，容易受到不當操作而導致測量不準確.為滿足工業測量需要，采用超聲波測量液體濃度成為一種既精確又快捷的測量方式，與其他各類測量方法相比，其優勢在于:安裝簡單，維護方便;不需要考慮機械磨損，精度較高;不需要人為參與，可完全智能化.

1 設計原理與實現方法

根據超聲波在不同物質中傳播速度不同的特性設計采集系統.具體方法為:首先將從油井中開采出的混合液體導入某一管型容器，在管形容器兩個管口處分別安裝一個超聲波探頭，兩個超聲波探頭可互為發射或接收探頭.測量時先取A側探頭進行發射，B側探頭進行接收;然后進行對調，使B側探頭進行發射，A側探頭進行接收.最后對2次取得的數據進行比對從而確保測試的準確性.

由于超聲波傳播速度非常快，而不同濃度的混合液體對超聲波速度的影響也比較明顯.測試時為能更好地細分出各種不同混合液體的濃度差，采用以下2種方式來擴大對比效果.第一，延長測量管道長度，當超聲波在較長的液體中傳播時，其所需時間與管道長度成正比，因此適當地增加管道長度可更加精確地區別濃度對超聲波的影響.第二，系統采用分辨率極高的數字化集成器件TDC-GP2，它能分辨出50 ps的時間差，這為更好地區分濃度差提供了基礎.圖1為超聲波測濃度原理圖.

圖1 測量系統原理Fig.1 Schematic diagram of the measure system

2 系統的整體設計方案

系統采用TI公司16位精簡指令集單片機MSP430F425作為核心芯片，其具有超低功耗、體積更小、性能更好、更易使用的優點.MSP430F425同步通訊接口SPI可高速地與外圍設備器件進行通信，成批量的讀取外圍設備芯片中的數據，從而高效率地處理外圍芯片中傳輸的數據.

TDC-GP2是德國ACAM公司推出的又一款新的時間數字轉化芯片，芯片可精確地記下信號通過門電路的個數從而確定信號的傳播時間，因此這種測量時間方法的精度要比早期通過時鐘分頻來進行時鐘計數要精確很多［1］.其時間的測量精度達到ps級，通過其對時間的精確區分，系統可有效地區分石油混合液體的濃度.

TDC-GP2在測量過程中可采用2種測量范圍，即測量范圍1和測量范圍2.測量范圍1的最小分辨率可達50 ps，測量范圍為0～1.8 μs.測量范圍2的最小分辨率同樣可達50 ps，但其測量范圍為500 ns～4 ms［2］.在此系統中由于要更加有效地區分出濃度范圍的不同，因此設計導入管的長度為15 cm，而經過實際測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的管超聲波穿過的時間約是10 μs，因此在測量中選用測量范圍2，其量程范圍為500 ns～4 ms，滿足測量要求.

數字TDC與傳統時間計數器的區別是其以測量信號穿過其內部門電路的傳播延遲時間來進行時間計數的測量.圖2描述了這種測量方法的原理與結構.在進行測量時，系統首先啟動開始引腳確定計時開始，然后在芯片內部使電流信號循環在各個內部門電路中穿梭，由于每個門電路對電流的阻礙時間相等且計量極其精確，從而確保了測量的精確度，系統一直記錄著電流通過門電路的個數，直到待檢測的信號使停止引腳端有效結束計時，此時系統通過其內部處理電路統計出電流通過門電路的個數，從而得到檢測信號飛行的時間.其測量范圍可達20位.

在測量過程中，需要由外部電路確定測開始信號觸發時間，通過接收檢測信號來確定停止信號停止.GP2外部需要配備高精度的晶振從而確定出通過每一個門電路所需要用的時間，當停止信號有效后，系統將統計出的通過門電路的個數與晶振分頻出的時間頻率進行相乘，最終得出信號穿梭時間.圖3所示為GP2計算開始引腳和停止引腳采集到的信號時間差.

圖2 GP2時間測量電路Fig.2 Circuit of the GP2's timing measure system

圖3 GP2測量原理Fig.3 Schematic diagram of the GP2's measure system

2.1 系統硬件電路設計方法

整個系統以MSP430F425作為系統核心處理芯片，以GP2作為信號發射與采集電路進行設計.MSP430F425主要負責對GP2發出控制指令并分析顯示GP2采集到的時間信息，GP2主要負責采集超聲波在石油混合液體中傳播的時間差，且GP2也是整個石油濃度測量系統數據采集的核心.該系統采用低功耗設計理念，由于系統對石油混合液體的檢測無需長時間連續檢測，因此在設計電路時用電池為設計系統供電，充分利用MSP430F425的低功耗特點，系統每間隔一段時間對管內的石油混合液體進行一次檢測，并將檢測的結果存儲到靜態存儲器中.當為測量系統供電并復位后，存儲在MSP430F425內部flash中的設計程序開始運行，在運行過程中MSP430F425完成對通信系統、發射系統、采集系統等多個功能模塊的初始化設置，然后檢測程序開始運行，首先 MSP430F425給模擬開關(TS5A23157)一個高電平信號，使模擬開關處于A側到B側導通，但B側到A側截止狀態，這樣就使測量管內油體濃度的超聲波信號只能探頭A進行發送，而探頭 B只能接收.然后MSP430F425通過SPI總線向GP2發送控制命令，啟動GP2內部的振蕩器，在內部振蕩器作用下GP2的FIRE引腳可向超聲波探頭發出震蕩信號，在FIRE引腳有效的同時，MSP430425通過I/O引腳輸出高電平使GP2的START引腳有效，從而確定信號發射的時間;而超聲波探頭B接收到檢測信號后先通過兩極放大電路進行放大，然后通過比較器濾除干擾信號，最終保留下的信號送到GP2的STOP引腳作為測量結束信號，這樣 GP2通過計算出 START引腳與STOP引腳2次信號有效的時間差就可求得超聲波穿過石油混合液體所用的時間.然后MSP430F425再通過I/O引腳輸出低電平，切換模擬開關的導通方向，即使超聲波B探頭作為發射探頭，使超聲波A探頭作為接收探頭再進行一次測量，又可以得到一個傳播時間［3］.根據這兩個時間參數，利用平均算法就可以計算出超聲波在石油混合液體中傳播的準確時間，而通過這種切換收發信號的方法可更好地去除由于石油液體混合不均而對檢測結果造成誤差的影響.由于MSP430F425內部存儲器容量不大，不適合大規模數據的存儲，因此系統設計出外部存儲電路，當測量結束后MSP430F425把處理后的數據存儲到外部寄存器中，當接收到上位PC機傳送的通信指令后，再批量將結果送到上位PC機中進行存儲分析.

當上位PC機向MSP430F425發出控制命令要求其將所測結果上傳時，MSP430F425再將一段時間內測得的結果成批上傳，如圖4所示.在檢測過程中GP2根據MSP430425發出的控制命令進行速度、溫度等相關參數的設置與測量，并存于GP2內部寄存器中，最后根據同步通信協議將檢測結果送到MSP430F425進行處理與存儲.測量系統與上位PC機的通訊通過通訊接口芯片MAX3232來實現［4］，如圖5所示.

圖4 系統硬件設計總框圖Fig.4 Diagram of the system's hardware

圖5 采集系統與上位機通信框圖Fig.5 Diagram of communication with PC

2.2 芯片間通信模塊電路設計

TDC-GP2是一款集成了同步串行通信協議(SPI)的智能芯片，因此系統在設計核心處理芯片與GP2的通信過程中要簡便很多，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現高速通信，由于SPI通信協議中必須設置通信雙方的主從關系，因此在硬件電路設計時將MSP430F425的I/O口引腳P2.2連接到GP2的SSN引腳上，當P2.2引腳有效時，GP2就可作為SPI通信的從屬端，并根據MSP430F425中設置的通信頻率向MSP430F425發送數據.系統采用 P2.4對GP2進行硬件復位，當GP2受到干擾而無法正常進行工作時，無需通過系統斷電而只需要使P2.4有效即可使GP2復位，從而保證程序的正確運行.系統采用MSP430F425的另一個I/O引腳P2.0來采集GP2芯片的中斷請求信號，當GP2采集到檢測信號的飛行時間后，會將測量結果存儲到其結果寄存器中，同時通過INTN引腳通知MSP430F425來進行數據提取，而系統中的P2.0引腳一旦發現INTN引腳電平發生變化就啟動通信程序，使MSP430F425通過SPI總線從GP2的結果寄存器中讀取數據［5］.MSP430F425上的 P2.4和 P2.5分別連接 GP2的"EN-START"和"ENSTOP"，可以通過程序控制GP2的啟動與結束時間，其具體的通信電路如圖6所示.通信的數據速率可根據GP2的讀寫操作時序圖用軟件來確定.

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

2.3 電源模塊設計

在設計過程中，系統的供電方式采用干電池進行供電，因此為系統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.在應用過程中為保證系統能長時間有效地正常工作，在對核心處理芯片MSP430F425及智能時間芯片GP2的設置中都采取了低功耗的設計方法，使MSP430F425和GP2只有在進行系統檢測時才處于激活狀態，而不檢測時都處于休眠狀態，這種設置方法使系統的能耗大大降低，從而極大地延長電池的使用壽命.為了能準確地了解當前電池的儲能狀態，避免因為電池的電壓低而造成數據的不準確，從而造成誤判，系統在電路中設計了欠壓比較器，當電池的電壓低于欠壓比較器的設置值時，系統會自動關機不再進行測量工作，從而避免因為電量不足而造成的誤判，提高了系統的可靠性.

3 總結

本系統依據了超聲波在不同物質中傳播速度不同的原理進行設計，并采用低功耗高效率的MSP430F425作為系統核心處理芯片，大大地減少了能量的損耗，延長了電池的壽命，理論上系統上的電池可以可靠供電4 a.在檢測過程中充分利用了同步串行通信協議SPI的優點，使芯片間的板間通信速度快，準確度高.而通過MAX3232實現的上位機通訊模塊為更深一步的存儲數據和處理數據提供了基礎.經過試驗檢測本系統在實驗室中已經有效地分辨出20%，30%，50%等不同混合濃度油體的成分差，因此可以應用到工控業等領域，其測量方法對其他超聲波測量領域具有借鑒意義.

［1］ 王文川，韓焱，張丕狀.基于時間數字轉換的精密時差測量系統設計［J］.現代電子技術，2009(4): 20－25.

［2］ 邢燕.高精度時間間隔測量系統［J］.電子測量技術，2010(5):23－24.

［3］ 張萬江，侯靜，韓大鵬.TDC-GP1在超聲波流量計中的應用［J］.儀表技術與傳感器，2008(3):83－84.

［4］ 朱常青.用RS-232串口實現數據的遠距離通信［J］.石油儀器，2003(1):33－34.

［5］ 王明偉，姚展，李秦君.基于ARM的超聲波流量測量儀的設計與實現［J］.儀表技術與傳感器，2008(12):86－87.