石油温度与压力智能测试仪设计.pdf

昂4 奁弟b 期 2 0 1 2年 1 2 月 臼 化上 曰 明化 AUT0Ⅳ T1 0N I N P ETR _ CHEM I C AL I NDUS TRY V O1 ．4 ， I NO．b De c e mb e r ，2 0 1 2 石油温度与压力智能测试仪设计 王乐毅 青岛科技大学 自动化与 电子工程学院 ， 山东 青岛 2 6 6 0 4 2 摘要 石油温度与压力智能测试仪适用于测量石油、 化工生产中的压力和温度参数， 主要 由密封式外壳、 压力传感器、 温度传 感器、 数据采集存储 电路 、 低功耗 电池等组成 。能 自动完成定时数据采集与存储 ， 并 能 自动通断数据存储 电路 中的各部分 电源 ； 可连续存储记 录多组采集数据并通过与上位机的通信完成数据的上传 、 显示 、 打印以及 校验和参数设定 ； 具有操作简单 、 测量精 度高、 工作 时间长 、 低功耗 、 抗干扰等特点 。下位机采用高性价 比单 片机 P I C 1 6 F 8 8为核心 ， 实现现场 数据 的 自动采集 ， 存储 以 及 与上位 机进行通信 。上位机完成采样时间设定 、 参数设定 、 实时校验、 数据 处理。由于热 电阻本身具有非线性 ， 在上位机软件 设计 中实现了线性化矫正 。 关键词 参数设定数据采集数据上传低功耗线性化矫正抗干扰 中图分类号 T P 2 1 6 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 2 0 6 0 0 7 1 0 4 De s i g n o f I n t e l l e c t i v e Te s t i n g Ap pa r a t us f o r Fo s s i l Oi l Te m p e r a t u r e a nd Pr e s s ur e W a ng Le y i Co l l e g e o f Au t o ma t i o n a n d El e c t r o n i c En g i n e e r i n g，Qi n g d a o Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Qi n g d a o，2 6 6 0 4 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e f o s s i l o i l t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e t e s t i n g a p p a r a t u s c a n b e u s e d t o me a s u r e t h e i mp o r t a n t p a r a me t e r o f p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e i n o i l a n d c h e mi c a l i n d u s t r y ．Th e a p p a r a t u s c o n s i s t o f s e a l e d c r u s t ， p r e s s u r e s e n s o r ， t e mp e r a t u r e s e n s o r ， d a t a a c q u i s i t i o n a n d r e s t o r e c i r c u i t ，l o w- e n e r g y c o n s u mp t i o n b a t t e r y ． An d i t c a n a u t o ma t i c a l l y c o mp l e t e t i me - l a p s e d a t a a c q ui s i t i on a n d s t o r a ge，a n d t u r n on - of f t he p o we r of da t a s t o r a g e c i r c ui t ，a nd r e c o r d gr o u ps o f a c q u i r e d d a t a ，a n d c o mp l e t e t h e d a t a u p l o a d i n g ，d i s p l a y i n g ，p r i n t i n g ，v e r i f y i n g a n d p a r a me t e r s s e t t i n g t h r o u g h t h e c o mmu n i c a t i o n wi t h u p p e r - l e v e l c o mp u t e r ．I t i s o f t h e f e a t u r e s o f s i mp l e o p e r a t i o n ，h i g h a c c u r a c y ，l o n g - t i me wo r k i n g ， l o w e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d a n t i - j a mmi n g e t c ． Th e Do wn - Le v e l c o mp u t e r a d o p t s s i n g l e - c h i p o f P I C1 6 F8 8 a s c o r e c o mp o n e n t wi t h h i g h p e r f o r ma n c e c o s t r a t i o t o r e a l i z e a u t o ma t i c d a t a a c q u i s i t i o n，d a t a s t o r a g e a n d c o mmu n i c a t i n g wi t h Up p e r - L e v e l c o mp u t e r ． Th e Up p e r - L e v e l c o mp u t e r a c c o mp l i s h e s s a mp l e t a k i n g t i me s e t t i n g， p a r a me t e r s s e t t i n g ，r e a l t i me v e r i f y i n g，d a t a p r o c e s s i n g ．Be c a u s e o f t h e n o n l i n e a r o f t h e r ma l r e s i s t a n c e ， t h e l i n e a r r e c t i f i c a t i o n i s r e a l i z e d i n t h e s o f t wa r e d e s i g n o f t h e Up p e r - L e v e l c om pu t e r ． Ke y wo r d s p a r a me t e r s s e t t i n g；d a t a a c q u i s i t i o n；d a t a u p l o a d i n g；l o w e n e r g y c o n s u mp t i o n l i n e a r r e c t i f i c a t i o n；a n t i - j a mmi n g 石油温度与压力智能测试仪在石油开采工业 中是必不可少 的， 主要用来监测采油管道的运行状 况、 采集 生 产井 正 常生 产 时 的井 下 流温 流压 数 据l 1 吒 ] 。经过一段时间完成采集任务后 ， 采集 的数 据与上位机通信进行数据回放、 校验、 初始化 、 处理 并显示等操作 。它独立工作于 2 ～3 k m 的井下 ， 仪器在 地下一 次工作 时间较长 一 般为 1 ～2个 月 _ 3 ] 且工作环境较为恶劣 ， 要求系统具有较强的 低功耗 、 高抗干扰能力l 4 ] 。 1 系统组 成原 理 智能测试仪是基于 P I C单 片机设计的数 据采 集系统， 通过传感器将流体的温度、 压力信号放大 转换成 0 ～5 V的模拟电信号， 再通过 A ／ D转换器 稿件收到 日期 2 0 1 2 0 7 3 1 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 2 0 8 2 7 。 作者简介 王乐毅 1 9 6 2 一 ， 男 ， 副教 授 ， 获硕 士学位 ， 研 究方 向 为集 成电路 与嵌入 式 系统 、 智 能 系 统 、 E DA技术 与 电子 系统 设 计等 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 石油化工 自动化 第 4 8 卷 将模拟信号转换成数字信号 ， 单片机对采集的数据 进行滤波、 采集、 存储并通过 US AR T接 口将数据 上传给上位机做进一步的处理。系统组成如 图 1 所 示 。 l l 转 U S B H接 上 位 机l l 桥 多 路 采 栏 开 关 I I C l l P I C1 6 F 8 8 信 号 调 理 模 块 压力传感器 T - 温度传感 器 T 温度传 感器 图 1 智能测试仪组成 2工作状态及功能 基于现场的要求 ， 系统有两种工作状态 与上 位 机联 机状 态；脱离 上位 机进行 独立 数据采 集 状 态 。 2 ． 1 联机状态的功能 a 实时校验。使用仪器前应在实验室完成仪 器的校准 ， 之后输入零点和满量程的温度和压力信 号。在单片机存储器 中存入温度和压力 的校正 系 数， 这些系数由采集的数据分别计算得出。这样用 软件方法既确保了仪器的精度 ， 又免除了设置零点 和量程电位器的必要 。 b 数据 回放 。采 集任务完成后 ， 取 回仪表通 过 US B接 口将采集的数据上传到上位机 ， 上位机 对采集数据进行处理后得到实际的温度 、 压力值 ， 然后进行显示 、 存储 。 c 初始化。上位机对下位机进行采集任务设 定 ， 其 中包括采集 的时间间隔、 采集组数 、 延 时时 间等。 2 ． 2 脱机采集状态的功能 在与上位机完成采集任务设定后 ， 测试仪装入 电池送人井下 ， 在经过设定的延时时间后开始按预 定的时间间隔 自动进行数据采集 、 存储 。 3 主硬件电路 主硬件 电路如图 2所示 ， 以 P I C1 6 F 8 8 单片机 为核心组成 。 3 ． 1 电源模块 在数据采集工作状态时， 测试仪的电源由 2块 3 ． 6 V的锂离子 电池 串联供 电， 采用具有低压差、 低功耗、 低温漂特性 的低 压差 L Do 线性稳压 电 路进行稳压 ， 在提高电源精度的同时又降低了系统 功耗 。而且 ， 将输入输出压差 降到 1 0 0 mV左右 ， 在负载 电 流为 0 ～2 5 0 mA 时， 静 态 电流最 大为 3 0 0 ／ x A 。 V C T- C U4 2 4LC2 5 6 l U5 RX TX x- - l, 图 2 P I C 1 6 F 8 8单片机硬件 电路 示意 3 ． 2 时钟模块 a 系统时钟 。采用 内部 R C振荡 器 I NT RC 作 为系统时钟 ， 既可以简化外 部 电路又有利 于降 低功耗 。受温度影响 ， I NTR C产生 的误差对该系 统影 响并不大， 而且 I NT RC起振快 约 为数 百纳 秒 ， 更 适 用 于 频 繁 工 作 在 唤 醒一休 眠状 态 的 系统 。 b 实时时钟 R T C 模块 。定时／ 计数器 T MR 1 在 T 1 O S I 脚和 T1 0S 0脚外 接一个3 2 ． 7 6 8 MHz 的 低功耗晶体振荡器组成实时时钟， 用于采集时间间 隔定时， 单片机休眠时 R T C仍然工作。 3 ． 3 存储 模 块 外接一个 2 5 6 KB的 E e p r o m存储器 2 4 L C 2 5 6 ， 以存储采集数据 ， 单片机通过 I I C接 口与其交换数 据 ， 数据传输可靠方便 ， 其在 电压 5 ． 5 V下最大 写 电流为 3 mA， 最大读电流为 4 0 0 A。 3 ． 4串口通信模块 通过单片机 内部的 US ART模块 的全双工异 步模式 ， 通过 R S一 2 3 2 一US B的转接桥接到上位机 的 US B接 口来实现与上位机的串口通信 。 3 ． 5 A ／ D转换模块 使用单 片机内部的 A／ D转换 器 ， 利用 RA1 ， RA2 ， RA3 3路模拟输入 ， 参考电压选择 AVDD和 AVS S 。进行 A／ D转换 时， 为提高转换精度 ， 要使 单片机工作在休眠状态 。 一 一 县～ 转 换 器 目 鐾 莹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 王乐毅．石 油温度 与压力 智能测试仪设计 3 ． 6 传感器及信号调理模块 a 传感器模块。压力检测采用压阻传感器来 检测流体压力 ； 温度检测 T 路采用 P t l 0 0热电阻 来检测流体的温度 ， T 。路采用 L M3 5精确集成 温 度传感器来检测仪器的工作温度。 b 信号调理模块。选择高精度 、 低功耗 、 温漂 小的运算放大器对传感器的输出信号进行放大， 输 出 0 ～5 V模拟信号。 3 ． 7 联机识别及前级电源控 制模块 a 联机识别。通过判断 R B 3脚的电平来判断 单片机的工作状态 。联机状态将单片机电池取下 ， R B 3引脚通过通信电缆接地 ， 被下拉为低电平 ， 独立 数据采集状态 R B 3 被 VC C上拉为高电平。 b 前级运放及传感器电源控制。由 R A 0脚 来控制 MOS F E T导通 和关 断来控制前级运 放及 传感器 的电源 。 4 数据的线性化处理 在上位机通过查表和分段线性化来实现对温 度传感器的线性化处理 。在实际非 电量的检测中， 利用各类传感器把许多物理量转化为电量时， 大多 数传感器的输出电量与被测物理量之 间不是线性 关系。为使测量仪表 的输出量与输入量之问具有 线性关系 ， 不仅对传感器本身的设计和工艺采取措 施 ， 还利用上位机 的线性插值程序来对输 出量的非 线性进行补偿 。 设 X为被测变量 ， y为输出变量 ， 它们呈非线 性关系。根据精度要求 ， 把曲线分成 段 ， 用 实验 或计算的方法得到各分段点输 出和输入的对应值 坐标值 ， 将这些对应 的值 X ， Y1 ⋯ X ， 编制成表格存储起来 。实际的传感器输出值 一 定落在某个区间 x ， 之 内， 即 ， 插值法就是用一段简单 的曲线 ， 近似代替这段区间 里实际的曲线 ， 随后 ， 由简单 曲线 的表达式计算 出 被测量 X 。线性插值法则是用 X ， 和 X川 ， 两点间的直线近似代替两点 间的函数 曲线 ， 此时被测量的计算公式 V V X。 一 Xk 4 - x k - t- 1 n Ale Yi y 一 』 蚪I j K Yk 该 系统在 上位机程序 中建立一个数 据库 ， 以 1℃为单位来存储 热电阻的温度一 电压对应 表格 ， 得到采集 电压值后 ， 再通过查表和线性插值来确定 实际采集的温度 。 5 软件组成及功能 下位机单片机软件主要有主程序模块、 定时模 块、 A／ D转换模块 、 外挂 E e p r o m模块 、 同步串行端 口 MS S P模块 、 串 口通信模块 、 US AR T 串行通信 模块 、 中断模块和联机模块 。为了保证系统的稳定 运行 ， 还 进 行 了看 门狗 的设 置 和程 序 的抗 干 扰 设计 。 上位工控机软件使用 Vi s u a l B a s i c 编写 ， 主要 完成与下位机的通信 ， 包括时间设定 ， 实时校验 ， 上 传数据、 对数据存储 ， 通过表格 、 曲线查看上传 的数 据并显示 所有 数据 库 的数据 表等 。软件功 能如 图 3 所 示 。 图 3 软 件功 能 5 ． 1 串行 口的 自动识 别 检测 串口通过调用 A P I 函数返 回注册表 中串 行 口 的 信 息 实 现 。注 册 表 HKE YL OC AL M-AC H E， H E， 陇 、 ， 】I 口 P， S 噩 三 ] R I A 1 0 0 f 、 ， I 下为计算机串口信息， 此键下有 N个键值说明有 N 个 串口。 查询数 据表数 据使 用 了用 于操作 注 册表 的 AP I函数 R e g Op e n Ke y ， R e g C l o s e Ke y ， Re g E n u m Va l u e As An y ， Re g E n u mVa l u e As An y 2 。 自动检 测 串口由两部分组成， 注册表串行口信息的读取和处 理， 通过串行通信得到反馈信息从而得到测试仪连 接的串 口号。 5 ． 2 MS O O MM 控 件 程序中使用此控件可以方便地实现串行通信 ， 如时间参数设定 、 实时显示 、 数据上传、 系数校验 。 5 ． 3 实时校验软件 单片机接收 的经过线性放 大的信 号 ， 经 A／ D 转换和中值 滤波后保存 在 2 4 L C 2 5 6中， 再上传到 上位机 ， 而这些数据是没有经过处理的 。零点校正 和标量转换等数据处理工作 ， 由上位机完成 ， 这也 是实时校验 的核心。 5 ． 4 上传数据软件 采用数据包的形式传递数据以保证数据高效 正确地传送， 每个包 6 o 个数据， 若传递有误则要求 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 石油化工 自动化 第 4 8卷 单 片机重新上传。单片机 中存放着所有参数信息 和数据 ， 可 以只传递数 据， 但这样上位机不仅要能 够取得下位机的各种参数还要能和数据一一对应 关联 ， 这样会增大上位机和下位机的开发难度 ， 因 而这里采用上传时间设定、 系数 、 数据指针 。 5 。 5 曲线查看 绘制曲线首先要把数据从数据库中读取出来 ， 处理后存放到数组 Da t a To d i s p l a y 4*i 中， 每 4 个为一组分别为压力 、 油温 、 仪温 、 时间间隔。 5 ． 6 表格查 看 对从数据库中得到的数据进行处理后存放到 数组 D a t a T o d is p l a y ， 然后使用文件读写函数写 入 文 件 中，格 式 为．h t m，使 用AP I 函 数 S h e l l E x e c u t e 调用 I n t e r n e t E x p l o r e r 打开该文件。 也可以使用数据库中的报表控件来完成 。 6结束语 系统采 用 P I C 1 6 F 8 8单 片机 ， 满 足 了系统 的 低功耗、 高性能和稳定性要求 ， 并依靠软件完成 数据上传 、 实 时校验 、 上位 机对数 据 的处理 及显 示等工作 。经反复调试 试验 ， 该测试 仪达到 0 ． 5 级 精 度 。 由于应用环境恶劣、 复杂， 现场安装和调试要 反复进行多次 ， 并精心设计调试运行方案 ， 否则不 能保证系统 的可靠性 。 参考文献 [ 1 ] 赵玲． 基于 P I C单片机的分布式数据采集系统[ J ] ． 工业控 制计算机 ， 2 O l l O 1 8 2 8 3 ． [ 2 ] 杜金枝， 王文贤， 何友国． 基于 P I C单片机的无线温度采集 系统 的设计 _ J ] ．网络与信息 ， 2 0 1 1 ， 2 5 1 0 6 06 0 ． [3] 王海 峰． 基于 P I C单 片机的温湿度监 控系统设 计口] ．现代 电子技术 ， 2 0 1 1 ， 3 4 2 3 2 0 1 2 0 7 ． [4] 丁跃 军， 吴清 荣． P I C单 片机抗 干扰 设计 技术 [ J ] ．机 电技 术 ， 2 0 1 1 ， 3 4 0 2 4 4 4 5 ． [ 5 ] 夏汝华， 吴杉． 基于低功耗 P I C单片机中断技术的液位开关 设计_ J ] ．自 动化与仪器仪表， 2 0 1 1 0 4 5 7 5 9 ． [ 6] 刘笃仁． P I C软硬 件系统设 计一 基于 P I C 1 6 F 8 7 X系列 E M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 7 ] 谢晶石． P I C单片机 U S B 接 口 应用设计E J ] ． 数字技术与应 用 ， 2 0 1 1 O 8 1 5 5 1 5 6 ． [ 8] 王昊天． P I C单 片机原 理与 应用专业 技能 人门 与精通 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 9 ] 阎广明． P I C单片机常用模块与典型实例[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 1 O ] 李荣 正， 刘启 中， 陈学军． P I C单片 机原 理及应 用 [ M] ．北 京 北京航天航空大学出版社 ， 2 0 1 0 ． 上 接 第 6 7页 顺磁式氧分析仪可选择满足 防爆要求 的隔爆型仪 表 。分析仪应设置保护接地和工作接地， 在室外安 装的分析仪还应根据当地 的雷暴强度 确定是否需 要增设浪涌保护器 S P D ， 保护设备不受雷电影响 而损坏 。热导式氢分析仪 与顺磁式氧分析仪使用 时需要外供 电源， 分析仪的工作用电宜使用安全可 靠的UP S电源， 以保证分析仪的稳定运行。 4 结束语 在线分析仪 的应用提升 了蒽醌法制备双氧水 的 自动化水平。笔者认为在线分析仪应用首先要 根据具体工艺特点及分 析要求 ， 选 择测量原理合 理、 性能稳定、 性价 比优异 的产品 ； 其次要做好分析 仪的安装 、 调试 、 维护工作 ， 在使用过程中不断积累 总结经验 ， 使分析仪为生产装置的安全稳定运行提 供保障 。 参考文献 [1] 胥 稳军． 蒽 醌法 生产 过 氧化 氢 中氢 化 反应 影 响 因素分 析 r J _ ．中氮肥 ， 2 0 1 0 0 4 4 6 4 7 ． [2] [3] [4] [ 5 ] [ 6 ] [ 7] [ 8] [9 ] [ 1 O ] [ u] 徐希 武． 工作液对双氧水生产 的影 响和控制方法 [ J ] ．中国 氯碱， 2 0 1 1 1 1 4 5 4 6 ． 陆德民， 张振基 ， 黄步余． 石油化工 自动控制设计 手册 [ M] ． 3版 ， 北 京化学工业出版社 ， 2 0 0 0 ． 王森， 董镇 ， 郭肇新 ， 等． 在线 分析仪 器手册 [ M] ．北京 化 学工业出版社， 2 0 0 8 ． 罗伯特 E， 谢尔曼． 过程 分析仪样 品处理系统 技术 [ M] ．北 京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 刘庆华． 在线分 析仪表在 工程应 用 中存 在的 问题及解 决方 案 [ J ] ．石油化工 自动化 ， 2 0 0 9 ，4 5 O 6 6 3～6 5 ． 冯德清． 仪表工程施工应 注意的几 个问题 [ J ] ．石 油化工 自 动化 ， 2 0 0 3 ，3 9 0 2 7 8 8 0 ． 孙莉 ， 夏江 ， 徐善军， 等． 工业 p H计在生产 中的应用 _ J ] ．中 国氯碱 ， 2 0 0 9 0 5 4 14 3 ． 方原柏． p H计应 用技术 的最新进 展 [ J ] ．自动化 博览 ， 2 0 0 9 增刊 1 4 5 4 8 ． 王仁旺． 在线氧含量分析仪 的选 型与使用 [ J ] ．化 工 自动化 及仪表 ， 2 0 0 4 ， 3 1 0 2 7 37 5 ． 翁小平． 磁力机械式氧分析仪预 处理系统 的改进 [ J ] ． 自动 化仪表 ， 2 0 0 6 ， 2 7 1 2 4 64 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m