一种基于ARM的恒功率式热式质量流量计的系统设计

冀佩佳，邓璐，刘萌

（西安石油大学教育部光电油气测井与检测重点实验室，陕西 西安 710065）

0 引言

部分油田开采进入后期，对于低产井的流量的实时监控也得到了相应的需求，如何完成在低产井中流量有关流动参数实时、准确、简便的测量，便成了低产井工程领域研究中有待解决的问题。本文设计了ARM嵌入式系统构成的流量测量系统，具有极好的稳定性，运算、测量速度快，操作界面直观，可直接在本地外界的显示屏上读取每分钟的公升数，大大提升了井场工作人员的效率[1]。

1 恒功率式流量计测量原理

恒功率热式质量流量计测量原理是在需要被测的流体中布置热源以及传感器，可根据所需要精度不同选择不同的精度的传感器，但布置在流体中的两个传感器必须一致，并且固定在热源两侧，使用恒压源对热源进行加热，由于对流换热以及流速的影响，会使得两个温度传感器的阻值不同，即温度不同。温度传感器通过惠斯通电桥进行差分放大，由于两个温度传感器的阻值不同会导致电桥不平衡，继而通过测量电桥的电压来反映流体流量。

在测量装置测量流量时，我们通过提供恒定电压进行外部加热，根据热量传递关系，可以将该系统的热平衡关系表示为：

式中：W表示加热装置的功率；h表示对流换热系数；A0表示传感器的表面积，通常传感器的形状为圆柱体，即A0=Πld，其中d表示传感器的直径；l表示传感器的长度；Td表示流速传感器加热后的温度；Tu为流体环境温度。

由式（1）可知，确定加热棒和流体之间的热平衡关系的前提是确定加热棒的对流换热系数。根据流体力学以及传热学引入下列参数：

根据Kramers对流换热方程：

将式（2）代入式（1），即：

然后，再令

则加热装置的功率为：

对于已知测量对象，式中P0、Q0可以看作是常数。

在热源两侧布置pt1000温度传感器，可以满足恒功率质量流量计对温度变化的高灵敏要求，加热后传感器的电阻值和加热前的电阻值之差如式（5）所示。由于该流量计用于低产井下，则式（5）中括号内的第二项5.802×10-7×（Td+Tu）可以忽略，则式（5）可化简为式（6）：

而（Td-Tu）可以用电阻来表示为：

式（3）可化简为：

分析式（9）可知，对于恒功率式流量计，I2R为已知值，Tu表示流体温度，其电阻值基本保持不变（在极端情况下，会随着环境温度有相应的变化），则我们只需要测出加热后传感器的电阻值，即可求出被测流量Q。

2 硬件系统设计

恒功率热式流量计检测电路总体框图如图1所示。数据采集模块分为流速的测量以及温度的测量，即测量热源两侧电阻的阻值，分别通过惠斯通电桥测量原理与分压原理测得结果。将数据采集模块得到的数据经放大后利用A/D模块进行数模转换，利用SPI通讯将数据进行传输，即可得到两个温度传感器相应的阻值，并通过DSP内部运算得出此时的质量流量，并通过数据处理模块将其存储、显示以及发送给后台终端。

图1 恒功率热式流量计检测电路总体框图

2.1 惠斯通电路测量电阻原理

图2所示为三线制温度传感器与测量桥臂的电路原理图。本次实验热敏电阻采用三线制接法，是为了消除连接热敏电阻的导线所引起的测量误差，因为铂电阻与测温控制电路板的连接距离较长，所以导线的电阻不可忽略，同时导线电阻的阻值也会随温度变化，所以导线上的电阻不可忽略，我们采用三线制法连接导线以及采用非平衡电桥原理测量铂电阻，来消除连接导线所引起的测量误差，从而测量精确的电阻值[2]。由图2可以看出，由于电桥不平衡，V1和V2两端将存在电位差，我们忽略热敏电阻阴险电阻，已知V1电压和R1、R2、R3电阻阻值，因此只要知道V2电压，就可以将未知电阻R4求得，然后通过查阅pt100分度表就可知道当前温度值。

图2 铂电阻与测量桥臂的电路原理图

2.2 LM358信号放大电路

LM358是双运算放大器。内部包含由两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适用于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。在推荐工作条件下， 电源电流与电源电压无关。它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他可用单电源供电的运放应用环境[3]。如图3所示，为LM358运放差动放大电路，将得到V2的电压从而得到R4的阻值。由于考虑到pt100所要检测环境的最低温度值，R3的电阻值比要检测的环境温度最低值所对应的热敏电阻值略小。同时，在与LM358组成的差动放大电路中，电阻R7、R9、R6、R8的参数选择要满足R6/R7=R9/R8，同时选择合适的电阻值来确定差动放大器的放大倍数。

由电桥引出的两个电压V1和V2会存在电压值，我们使用LM358差动运算放大电路，将V1和V2的差值进行放大，放大电压为V3，则V3=（1+R9/R8）*（V2-V1），然后对放大结果进行A/D转换得到V3电压值，而R9、R8、V1为固定值，因此只要得到V2的值就可以间接计算出R此时的阻值。

图3 LM358运放差动放大电路

3 系统软件设计

系统的软件设计是对电路功能更好的体现，其中包括数据采集模块、网络模块、显示模块等。利用C语言进行编程，Keil为编译环境。待接通电源后，对各个模块进行初始化配置，初始化完成后，首先对按键进行检测，如果未启动测量功能，则系统进入待机模式，避免资源的浪费。启动测量功能，利用A/D转换进行数据采集，利用C语言内部运算功能将数据进行解析[4]。待数据处理完成后将数据分别将数据进行存储，以及发送给显示模块以及网络模块。若测量结束，系统进入待机模式从而实现系统的低功耗。具体实现框图如图4所示。

3.1 数据采集模块

在数据采集模块中，温度传感器采集的电信号，经信号放大器放大，用Linux字符设备驱动框架编写SPI接口的MAX1039驱动程序，采集过程由芯片内部完成，无需人为操作。其中MAX1039的功能将模拟信号转换为数字信号，再根据pt1000分度表查看相应的温度值。利用线程池分别发送给显示模块、数据存储模块记忆网络模块，具体实现如图5所示。在数据存储模块中，利用C语言内部运算功能将数据解析后利用SQlite3数据库进行存储[5]。

图4 软件设计框架

图5 数据采集模块

3.2 显示模块

在显示模块中，在本地外接显示屏利用frambuffer技术显示实时流量、累积流量，实现框图如图6所示。Linux Framebuffer是Linux的一种操作显存最基础的软件规范，其原理是调用Linux提供函数获得显存地址，然后通过对显存中的数值完成修改，达到改变屏幕显示的效果[6]。其原理图如图7所示。

图6 显示模块软件框图

图7 显存原理图

3.3 网络模块

在用户通过内置网页可实现登录、注册、查询等功能。创建socket套接字，利用B/S模型搭建Web服务器，使用多路复用IO实现并发，通过HTTP协议将实时数据绘制成HTML网页发送给远端监控。其中B/S系统架构如图8所示。

图8 B/S系统架构图

4 结论

本文在研究适用于低产井的恒功率质量流量计的基础上，利用ARM硬件平台和Linux操作系统上实现了对流量的测量以及实时监控。在实验中，该方案实施运行良好，扩展性良好，易于维护，有利于系统的后续改进，同时满足了为采油现场工作人员的提供了流量测量的需求。