（物理电子学专业论文）基于虚拟仪器的原油水分检测系统的研究.pdf

；，0蕾zvj营 学位论文的主要创新点 一、设计了基于h t 4 6 r u 2 4 型单片机的前端数据采集卡和相应的信 号测量、放大电路。 二、设计了基于l a b v i e w 的上位机系统，其能够对测量过程进行 监控，对测量数据进行存储、显示等。 三、采用二次曲面拟合法对测量数据进行处理，提高测量数据的 精度。 摘要 1 1 1 1 1 1i i i ii i iqti i i ii tq u l y 18 7 9 4 6 2 本文研究设计了一套原油含水率智能检测系统。该系统具有造价低、精度 高、使用方便，并可以组成网络以实现远程在线监控等优点。在实现系统具体 功能方面，本文主要完成了以下工作： 首先，充分研究了现有的原油含水率的测量方法，存此基础之上，选择射 频电容式传感器检测原油水分。射频电容法测量原油含水率的工作原理是在 1 0m h z 时，水和油的介电常数相差最大，含水率的不同将明显的影响油水混 合物的介电常数大小，从而呈现出不同的射频阻抗。本文设计了电容的测量和 放大电路，以实现对射频阻抗变化的信号采集。在实际测量过程中，电容传感 器输出值对温度存在交叉灵敏度，这样必须配合温度补偿。因此，本文对温度 和水分信号进行数据融合处理，提高了测量精度和系统稳定性。 其次，本文设计了基于h t 4 6 r u 2 4 型单片机的前端数据采集卡，其主要控 制两路模拟信号的输入和a d 转换，将转换结果通过串口输入到上位机系统。 前端数据采集卡的工作主要包括单片机最小系统、l e d 显示、电源模块和 r s 2 3 2 串口电路等硬件电路的设计和实现模拟通道选择、测量结果模，数( a ，d ) 转换、串行接收与发送等功能的软件程序编写两部分。 然后，采用l a b v i e w8 2 0 编写了原油含水率检测系统的客户端程序。程 序采用v i s a 通信模块实现测量结果的采集；利用功能键和图表等控件实现采 集信号的实时监控；利用数据库技术保存测量数据，同时采用曲面拟合法多传 感器融合技术对测量数据进行处理。所设计的系统还具有身份验证、查看历史 数据、打印报表和报错提示等功能。 关键词：原油含水率检测系统射频电容法虚拟仪器 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，ak i n do fi n t e l l i g e n tm e a s u r i n gs y s t e mu s e dt om e a s u r et h ew a t e r c o n t e n ti nc r u d eo i li si n t r o d u c e d ，w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ：l o wc o s t , h i g h p r e c i s i o n ，e a s yt ou s e ，a n da l s ow h i c hc a l lf o r man e t w o r ki no r d e rt oa c h i e v et h e p u r p o s eo fr e m o t eo n l i n em o n i t o r i n g c o m b i n e dw i t hs p e c i f i cf e a t u r e so ft h i ss y s t e m t ob ea c h i e v e d t h e s em a i nt a s k sa r ec o m p l e t e di nt h i sa r t i c l ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ee x i s t i n gm e t h o d so fm e a s u r i n gm o i s t u r e c o n t e n ti nc r u d eo i la r e d i s c u s s e d b a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h o s ei n t r o d u c t i o n s ，t h er a d i o - f r e q u e n c y c a p a c i t i v es e n s o ri sd e t e c t e d i tw o r k sm a i n l yb e c a u s et h a tw h e nt h ef r e q u e n c yi s 10m h z t h e r ei sb i g g e s td i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fw a t e ra n dt h a t o f o i l t h ec o n t e n to f w a t e ri nm i x t u r ew i l ls i g n i f i c a n t l yi m p a c tt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t o fo i l - w a t e rm i x t u r e ，i nr e s u l t ，t h em i x t u r ew i l ls h o wd i f f e r e n tr a d i of r e q u e n c y i m p e d a n c e o nt h i sb a s i s ，t h ec a p a c i t a n c e m e a s u r e m e n ta n da m p l i f i c a t i o nc i r c u i t sa r e d e s i g n e d h o w e v e r ，i np r a c t i c e ，w ef o u n dt h a td u r i n gt e s t i n g ，t h ec a p a c i t a n c es e n s o r o u t p u th a s c e r t a i nc r o s ss e n s i t i v i t ya b o u tt e m p e r a t u r ew h i c ha l s oa f f e c t sp e r f o r m a n c e s t a b i l i t y a n dm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n t h e r e f o r e ，w en e e dt op u tm u l t i - s e n s o rd a t a f u s i o n t e c h n i q u et o d e a lw i t ht h et e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ed a t at oi m p r o v e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n ds y s t e ms t a b i l i t y t h e n ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dw a sd e s i g n e db a s e do nh t 4 6 r u 2 4 ，w h i c h m a i n l yc o n t r o lt w oa n a l o gi n p u t sa n da dc o n v e r s i o n s ，t r a n s f e r st h er e s u l t sf r o m m c ut op cb ys e r i a lp o r t i tm a i n l yi n c l u d e st w op a r t s ：t h em i n i m u ms y s t e mo f m i c r o c o n t r o l l e r , l e dd i s p l a ym o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l ea n dt h er s 2 3 2s e r i a l p o r t ，e t c h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ；i m p l e m e n t a t i o no fa n a l o gc h a n n e ls e l e c t i o n ，a d c o n v e r t e r ，s e r i a lr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e rf u n c t i o n s ，e t c s o f t w a r ep r o g r a m m i n g f i n a l l y , t h ec l i e n tp r o g r a mo f t h i ss y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nl a b v l e w8 2 0 ， 、h i c hu s e sv i s af o rm e a s u r e m e n t ，u s ec h a r t sa n df u n c t i o nk e y st oa c h i e v er e a l t i m e m o n i t o r i n g , u s eo fd a t a b a s et e c h n o l o g y t os a v em e a s u r e dd a t a , a n da l s ou s e m u l t i s e n s o rf u s i o nt e c h n o l o g yt op r o c e s st h em e a s u r e m e n td a t a m e a n w h i l e ，t h e s y s t e mh a ss u c hf u n c t i o n sa sf o l l o w s ：a u t h e n t i c a t i o n ，v i e w i n gh i s t o r i c a ld a t a , p r i n t i n g r e p o r t sa n d e r r o rp r o m p ta n ds oo n k e yw o r d s ：c r u d eo i l w a t e rc o n t e n t d e t e c t i n gs y s t e m r fc a p a c i t a n c e m c uv i r t u a l i n s t r u m e n t 目录 第一章绪论1 1 1 课题提出的意义1 1 2 国内外研究现状及本文研究目的1 1 3 虚拟仪器2 1 3 1 虚拟仪器的概念2 1 3 2 虚拟仪器的构成2 1 3 3 虚拟仪器与传统仪器的比较。4 1 4 本课题的主要工作5 第二章系统总体设计7 2 1 系统硬件组成7 2 1 1 传感器8 2 1 2 模拟信号调理电路9 2 1 3 单片机部分lo 2 1 4p c 机1 1 2 2 系统软件的总体结构和设计l l 2 2 1 软件结构设计l l 2 2 2 上位机软件的功能模块分析l2 第三章原油水分检测原理和数据融合方法1 5 3 1 原油含水率测量方法l5 3 1 1 人工测量方法l5 3 1 2 在线测量方法1 6 3 1 3 测量方案的选择1 7 3 1 4 射频电容法测量原理18 3 2 测量数据处理方法1 9 3 2 1 基于曲面拟合法的多传感器信息融合技术2 0 3 2 2 数据拟合系数获取方法和程序2 1 第四章前端数据采集模块的设计2 5 4 1 前端数据采集部分硬件的设计2 5 4 1 1 传感器2 5 4 1 2 测量信号放大电路2 8 4 1 3 单片机最小系统2 9 4 1 4 模数转换器及转换过程3 4 4 2 前端数据采集部分软件设计3 4 4 2 1 开发环境简介3 5 4 2 2 单片机驱动主程序3 5 4 2 3 温度数据采集程序设计3 6 4 2 4 电容数据采集程序设计3 6 4 2 5u a r t 串行通信程序设计。3 7 第五章上位机软件程序设计3 9 5 1 概述3 9 5 2 虚拟仪器软件开发平台l a b v i e w 3 9 5 2 1l a b v i e w 简介3 9 5 2 2l a b v i e w 开发环境及编程方法4 0 5 3l a b v i e w 中的数据库技术4 2 5 3 1l a b s q l 数据库访问工具包4 2 5 3 2 建立数据源4 4 5 4l a b v i e w 中的通信技术实现方法。4 4 5 5 上位机应用软件设计4 5 5 5 1 系统总体描述4 5 5 5 2 各功能模块设计4 6 第六章结束语5 l 6 1 结论5l 6 2 展望5l 参考文献。5 3 发表( 完成) 论文和参加科研情况5 5 附录5 7 致谢5 8 i i 第一章绪论 1 1 课题提出的意义 第一章绪论 原油含水量是石油化工行业一个重要的参数，其通常用百分比即原油含水率 来表示。对于原油来说，含水量直接影响到原油的开采、脱水、采集、集输计量、 储运销售及使用等环节。原油含水量是计量油井产量，评价油藏的开采价值、采 出程度及制定开采方案的重要指标。准确及时的原油含水率存线检测数据能够反 映出油井的工作状态，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要的指导意义； 对管理部门减少能耗、降低成本，实现油田自动化管理起着重要作用；同时又是 统计产量及生产进度，进行商业结算必不可少的重要数据d - 2 。 因此，针对我国原油生产的特点，研究原油含水率的测量技术，研制新型传 感器，开发高品质的仪表，使我国原油含水率测量技术迈入一个新的台阶，具有 重要的社会意义和现实的经济意义。 1 2 国内外研究现状及本文研究目的 目前，国内外已经研制生产出多个种类的原油含水率测量仪，国内有采用独 特的双能量测水技术的庆仪产品h d y - 5 0 4 2 型原油含水分析仪，河北冀东石油机 械有限责任公司的j d y 系列石油含水含气在线分析仪。国外有美国d e 公司 ( d r e x e lb r o o k ) 利用射频导纳专利技术研制生产的c m 3 型智能含水分析 仪，美国p i 公司( p r e m i e ri n s t r u m e n t s 附c ) 的红眼含水测量仪等掣3 1 。国 外原油含水分析仪的质量好、功能多、适用面广、有较好的在线补偿校准能力， 但缺乏本地化，价格昂贵，在我国的市场竞争力不足。国内原油含水分析仪虽然 测量准确度较进口仪器低，但产品开发针对性强，开发过程与用户现场结合好， 更加切合国内实际需要和操作习惯，现场服务也比较及时。 但是，所有的这些仪器都是单一且孤立的检测仪，缺乏自动化监测及有效地 网络化管理，加之仪器本身处理器的限制，数据的处理也很难得到较高的精确度。 在通常情况下传感器都存在交叉灵敏度，即传感器的输出值不只取决一个参量， 而同时受其他参量变化的影响。温度的交叉灵敏度就会导致含水率测量仪性能不 稳定，测量精度变低。同时，由于计算机技术、自动测量技术、软件技术、网络 技术和仪器仪表技术的飞速发展，原油含水率测量技术有向着高精度、快速化、 天津工业大学硕士学位论文 智能化、仪表化、综合自动化以及远程自动化方向的发展趋势。 因此，迫切需要开发一套在线的原油含水量数据采集与分析系统。此系统要 求能够定时采集到目标信号，可以对采集过程进行控制，并实时对这些数据进行 显示、分析、保存和处理等，同时，将信息融合技术运用于测量数据的处理中， 以便提高对目标量的辨识能力及快速有效获得高精度的测量结果。 1 3 虚拟仪器 1 3 1 虚拟仪器的概念 随着微电子技术、计算机技术、仪器仪表等技术的飞速发展，仪器系统与计 算机技术紧密结合，测试领域的新理论、新方法以及新的仪器结构不断出现，出 现了突破传统仪器概念的全新仪器一虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n v i ) 。 所谓虚拟仪器技术，就是在以计算机为核心的硬件平台上，通过应用程序将计算 机与仪器系统相结合来完成各种测试、测量和自动化应用的一种计算机仪器系 统。它利用高效灵活的虚拟仪器软件平台，充分发挥计算机强大的数据处理、存 储能力和丰富的图像显示功能，能够在计算机上设计出与传统仪器相似的显示面 板，用户通过鼠标、键盘等就可以操作面板上的虚拟开关、旋钮、按键等，去控 制仪器的运行、了解仪器的状态、读取并打印测试结果等，从而大幅度降低仪器 的价格、改变传统的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，使用户可以根据自 己的需要通过编制软件来定义和改进它的功能，用计算机来实现信号的采集与控 制、信号的分析与处理、结果的表达与输出，完成测试 4 1 。 1 3 2 虚拟仪器的构成 任何测试测量系统都可以分为数据的采集、数据的分析和处理、数据的显示 和输出等三部分，它们分别通过不同的硬件和软件实现而构成虚拟仪器系统，即 虚拟仪器包括软件和硬件两部分。 1 3 - 2 1 硬件 电子计算机是虚拟仪器的硬件核心，主要完成数据处理和结果的显示。为计 算机配置的电子测量仪器硬件模块包括各种传感器、信号调理器、模拟数字( a d ) 转换器、数字模拟( d a ) 转换器、数据采集卡( d a q ) 、各种i o 接口、仪器总线 等，主要实现获取和优化测试对象的被测信号、测量数据的a d 转换和输入输 出等功能。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬 2 第一章绪论 件平台的基础。虚拟仪器根据其模块化功能硬件不同，主要可分为如下几种构成 方案，如图1 1 所示。 - 酬信号调理卜_ 纠数据采集卡l 剖r s 2 3 2 l e e e 4 8 8 接口仪器 计 被 制g p i b 总线仪器 _ 剖g p l b 电缆酬g p i b 接口卡 算 传 测 感 机 网络 对刊v 总线仪器 _ 剖v x i 电缆酬日接口卡卜_ 及 象 器 软 刊p x i 总线仪器 _ 刊p 电缆酬p 接口卡 - 件 制 f i e l d b u s 总线仪器 图1 1 虚拟仪器系统构成基本框图 上述6 种形式的虚拟仪器，都是通过应用软件将仪器的模块化功能硬件与各 类计算机相结合的，其中基于g p i b 、v x i 、p x i 的方案丰要适合构成大型高精 度集成测试系统；p c i d a q p c i 、串行口方案主要适合构成普及型的廉价测试系 统；现场总线方案主要适合构成大规模的网络测试系统 5 】。 1 3 2 2 软件 一个完整的测试系统除了硬件外，构造和使用虚拟仪器系统的关键是软件， 因为软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器软件主要包括仪器驱动、数据处理、i o 接口驱动、系统应用等部分，主要是进行测量数据的分析、存储和显示。虚拟仪 器软件以软件开发平台为支撑，从下到 ：分别是输入输出( i 幻) 接口软件、仪 器驱动程序和系统应用软件三部分【6 1 ，如图1 2 所示： j 虚拟仪器应用软件 j 亡 l 仪器驱动程序 j e l幻接【软件 图1 2 虚拟仪器软件体系结构 3 天津工业大学硕士学位论文 i o 接口：存在于仪器与仪器驱动程序之间，直接对仪器进行控制、完成数 据读写，主要处理计算机与仪器硬件间连接的低层通信协议。它是为仪器与仪器 驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基 础与核心。 仪器驱动程序：连接上层应用软件与底层i o ( 输入输出) 软件的钮带和桥 梁。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的；仪器驱 动程序对于仪器的操作与管理，又是通过i o 接口软件所提供的统一基础与格式 的函数库( v i s a 库) 的调用来实现的。 系统应用程序：提供给用户建立一个图形化的虚拟仪器用户界面的开发环 境，主要完成测量系统数据的分析、计算、存储、显示、输出等任务。使用虚拟 仪器应用软件主要可以达到以下几个目的： ( 1 ) 与仪器硬件的高级接口； ( 2 ) 可生成与传统仪器面板相似的用户界面： ( 3 ) 具有集成的开发环境； ( 4 ) 丰富的仪器数据库函数。 1 3 - 3 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器代替的传统的仪器，改变了传统仪器的使用方式，与传统仪器相比， 虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显 优点，具体表现为： l 、智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取 决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、 人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一 个新的层次。 2 、复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造 多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、 逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、 更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共 享，更好地发挥仪器的使用价值。 3 、可操作性强，易用灵活。虚拟仪器最大的优势在于可由用户定义自己的 专用仪器系统，且功能灵活，容易构建。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪 器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通 过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可 操作性大大提高而且易用、灵活。 4 第一章绪论 虚拟仪器技术已经在数据采集、测试测量、工业控制等领域得到了广泛的应 用，同样以其优势在石油行业将有很大的应用前景。在实验室，虚拟仪器可以突 破传统仪器的限制，配合简单的数据采集设备完全可以完成对真实物理信号的采 集、分析，因此本文采用虚拟仪器来设计原油含水率信号采集系统。 1 4 本课题的主要工作 本论文的研究内容及主要工作如下： ( 1 ) 研究射频电容法测量原油含水率的原理。 ( 2 ) 设计多传感器的原油水分、温度信号测量电路。 ( 3 ) 设计基于单片机的数据采集卡，其可以控制接收多路传感器采集的信 号并通过串口与计算机通信，将数据传输给上位计算机。 ( 4 ) 设计基于l a b v i e w 的具有采集、存储、分析和显示等功能的上位机 软件平台。 ( 5 ) 对原油含水率测量的数据处理方法进行研究与探讨，主要是基于二次 曲面拟合法的多传感器信息融合方法的研究 天津工业大学硕士学位论文 6 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 根据系统自身所要实现的功能及其应用特点，本课题的目的是设计出一个基 于虚拟仪器的原油含水率数据采集与分析系统。作为完整的数据采集d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，该系统分为以单片机为核心的下位机信号采集部分、以p c 机 为主的上位机信号分析部分和单片机与主机通信三大部分的设计。 l 、下位机信号采集部分能够将传感器采集到的水分电压信号和温度信号， 经放大和滤波等信号调理，再由单片机实现a d 转化，通过串口实现与上位机 的数据通信，将采集到的数据送入上位机。 2 、上位机部分通过p c 接收数据，利用计算机强大的数据分析和处理能力 对采集数据进行有效分析和处理，并能通过虚拟仪器软件平台对处理数据进行实 时的显示和存储等操作。 3 、通信部分，因为本系统现在还处在实验室阶段，考虑到单片机通信端口、 传输速度和设计复杂度等因素，本系统采用串行口进行数据通信，基本可以满足 要求。 从组成上，本系统又可以分为硬件电路的设计和软件的设计两方面内容。 2 1 系统硬件组成 由射频电容传感器组成的原油水分测量系统如图2 1 所示。测量时将传感器 探头插入样品中，同时检测反映水分含量变化的电容值c x 和温度电压值u t ，c x 经c v 变换后的电压信号u w 与u t 经滤波电路和高精度仪用放大器a d 6 2 0 放大 处理后，送入单片机进行a d 转换，通过串口实现与上位p c 机的数据通信，再 进行数据处理、温度补偿、显示和打印等。 图2 1 系统硬件组成 7 天津工业大学硕士学位论文 2 1 1 传感器 传感器是能够感受规定的被测量，并按一定的规律转换出可用输出信号的器 件或装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，其组成框 图如图2 2 所示： 被测量 中间量电量 电信号 厂 厂 厂 叫敏感元件卜叫转换元件卜叫转换电路卜_ 图2 2 传感器组成原理图 敏感元件能直接感觉被测量，并将被测非电量信号按一定对于关系转换为电 信号的另一种非电量的元件。 转换元件能够将敏感元件的非电信号或直接将被测非电量信号转换成点信 号的元件。 转换电路将转换元件输出地电量信号转换为便于显示、处理、传输的电信号 的电路。 2 1 1 1 传感器选用的一般原则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象 以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结 果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。一般地，传感器的选用 从以下几个方面进行： ( 1 ) 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 ( 2 ) 灵敏度的选择 ( 3 ) 频率响应特性 ( 4 ) 线性范围 ( 5 ) 稳定性 ( 6 ) 精度 根据实际需要，本系统分别选用电容式传感器和热电阻式传感器分别测量水 分和温度信号。它们都是感应测量信息并将其转换为可测量的成比例模拟电信号 数字信号输出。本节只对电容式传感器的工作原理和测量调理电路简要作以介 绍。 8 第二章系统总体设计 2 1 1 2 电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它因 为具有结构简单、体积小和测量精度高等特点而被广泛地应用。 两块平行平板组成一个电容器，忽略其边缘效应，其电容量为： c ：孚 ( 2 1 ) d 式中：占电容极板间介质的介电常数； s 两平行极板覆盖的面积； d - 两平行极板之间的距离。 很明显，当s 、d 、占中任意一个参数方式变化时，电容c 的值发生变化。 由此，电容式传感器可以分为变间隙型、变面积型和变介质型三类。本系统测量 原油的含水率跟混合物的介质的变化有关，所以传感器应属于变介质型。 为满足系统对测量精度及实时性的要求，选用电容式传感器应满足以下几个 主要技术指标： ( 1 ) 测量原油水分范围：0 - - - 6 0 ； ( 2 ) 测量结果误差：0 5 ； ( 3 ) 系统响应时间小于5 秒； ( 4 ) 温度：能够在0 , - - 6 0 的温度下持续测量。 2 1 2 模拟信号调理电路 通过传感器采集并变换后输出的信号一般都很微弱( 例如电容式传感器输出 电容值通常只有十几到几十p f ) ，同时中问夹杂了大量的噪声，不能直接由显示 仪器进行显示、也很难采用记录仪器绘制曲线，更不便于远距离传输和a d 转 换。这样的信号在进入采集卡之前需要经过信号调理进行预处理，然后放大和调 节到适合于后级电路转换的电平范围内，有效抑制传输过程中的干扰，提高信噪 比等，这样才能将其转换为与其有确定关系的电压值，以便进行显示记录，或经 a d 后传输给计算机进行非线性补偿和数据处理。 电容式传感器放人电路很多，常见的有桥式电路、二极管双t 电路、差动脉 冲宽度调制电路、运算放大器电路等。随着半导体技术的发展，目前放大电路几 乎都采用运算放大器。它是集成电路组成的模拟电子器件，其特点是输入阻抗高， 增益大，可靠性高，价格低廉，使用方便。现在大概有测量放大器、可编程放大 器、隔离放大器三种形式的运算放人器可供使用。本系统选用测量放人器，故在 此只对其原理做以讨论。 9 天津工业大学硕士学位论文 测量放大器，亦称为仪用放大器或数据放大器，它广泛用于传感器的信号放 大，特别是具有较大共模干扰的场合，其基本电路结构如图2 3 所剥7 1 。 v t 图2 3 测量放大器原理图 s c 放大器由两级串联，前级由呈对称结构的两个同相放大器组成，输入信号 v 1 和v 2 分别加在放大器a l 和a 2 同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能 力和高输入阻抗。后级是差动放大器，它不仅切断共模干扰的传输，还将双端输 入方式变换为单端输出方式，适应对地负载的需要。当r i = r 2 ，r 4 = r 6 ，r 5 = r 7 时，测量放大器的放大倍数由以下公式计算： 彳，：( 1 + 堡) 堕 ( 2 2 ) 7 屹尺4 式中：心为调节放大倍数用的外接电阻。 目前，国内外已有不少厂家生产了测量放大器单集成芯片，例如美国a d 公 司提供的a d 5 2 1 ，a d 5 2 2 ，a d 6 1 2 ，a d 6 2 0 等。 2 1 3 单片机部分 通过信号调理之后的信号就可以与数据采集设备连接了。本系统采用单片机 作为数据采集控制中心。单片机的i o 口采集模拟数据，通过内部a d 转换器实 现信号的a d ( 模拟数字) 转换，再利用单片机的串口实现与l a b v i e w 的通信， 将转换后的数据传给上位计算机的虚拟仪器系统。单片机部分主要考虑到以下基 本参数的设置： 通道数一本系统采用多传感器采集，因此需要设置单片机相应个数的i o 口为模拟输入。 分辨率模数转换器将模拟信号转换为数字信号的位数。分辨率越高，模 l o 第二章系统总体设计 拟信号被划分的区间数目越多，能感应的电压变量就越小，对输入的模拟信号的 反映就越灵敏。通常单片机提供8 位一1 2 位不等分辨率。 输入输出范围单片机的管脚工作电压最大值5 v 。 转换时间完成一次a d 转换所需要的时间，转换时间越短转换速率越 高即输出信号值的速率越高。 单片机控制程序采用c 语言编写，程序的调试和仿真采用h t - i d e 3 0 0 0 集成 开发环境和配套的h t - 4 6 f 仿真器。 2 1 4p c 机， 上位机部分采用普通p c 机，接收下位机采集到的数据，利用计算机强大的 分析和计算等功能对数据进行有效分析和处理。p c 机的基本配置情况如下： c p u ：i n t e lp e n t i u m ( r ) 42 8 0g h z 内存：5 1 2m b 端口：c o m i 、c o m 2 2 2 系统软件的总体结构和设计 数据采集系统的硬件是基础，软件是核心。软件使p c 与数据采集硬件形成 了一个具有完整的数据采集、分析、显示和存储等功能的系统。软件分为下位机 单片机部分程序和上位机软件设计两部分。 单片机部分主要包括采集控制程序和串口通信程序两部分；上位机软件主要 包括底层硬件驱动程序和上层应用程序。底层软件主要实现与单片机的串口通 信，负责从串口读取数据；上层应用软件主要采用l a b v i e w 开发，完成数据的 分析、显示和存储等功能。 单片机部分采用了c 语言编写；通过比较，选用l a b v i e w8 2 0 为上位机的 虚拟仪器开发工具( 具体开发过程见本文第4 章) 。l a b v i e w8 2 0 是n i 公司2 0 0 6 年为庆祝和纪念l a b v i e w 图形化软件平台正式推出2 0 周年而推出的最新版本。 新增的特性进一步增强了其面向对象的开发方式和数学分析能力。 2 2 1 软件结构设计 从分析系统功能入手，并结合课题实际条件和需要，依据从整体到局部( 自 顶向下) 的设计原则，制定了软件系统的总体结构框图( 如图2 4 ) 。依据该框图 制定软件的详细开发进程。 天津工业大学硕士学位论文 数 据 概 数 预 蛊 据 处 统融 理 计 j 厶 1ll l a b v l e w 数据分析 j l i 初 参 凄数 数 始 数 据 设 磊槊 分 化 置 析 lli l a b v l e w 数据采集与存储 单片机 图2 4 系统结构框图 2 2 2 上位机软件的功能模块分析 系统软件功能包括：登陆界面、系统初始化、采集与串口参数设置、控制采 集、数据显示、数据存储、数据分析、错误处理和在线帮助等功能。 用户登录窗体是在整个程序运行之前，首先呈现在用户面前的界面，必须通 过它验证用户的合法性，即除非用户输入正确的用户名和密码，否则将无法使用 进一步的功能。 在系统运行开始新的一次运行前，数据库的链接、前面板的控件、输入选择 框、图形图表等都必须为初始化为默认值，以免上次运行时选择的数据未被清除 而影响本次操作。 数据采集和存储是实现本系统的基础部分，能否准确及时的从计算机串口采 集从单片机采集得到的数据关系到后续数据处理结果的正确与否。采集程序模块 将采集到的信号通过虚拟仪器在计算机显示器上显示出来，达到快速、直观的效 果。为了存储大量采集到的数据，我们通过数据存储模块创建数据库保存数据， 待回调显示或查询、分析时再通过访问数据库读取历史数据。 数据分析模块是本系统的核心，对采集到的数据做分析便于了解原油的状 态；对温度测量数据和多个水分测量数据进行数据融合，可以有效地减小温度带 来的误差，提高测量数据的精度。 此外，本部分系统实现了错误处理机制，帮助用户处理错误，提高系统的可 1 2 第二章系统总体设计 操作性。 1 3 天津工业大学硕士学位论文 1 4 第j 章原油水分检测原理和数据融合方法 第三章原油水分检测原理和数据融合方法 由绪论中分析可知，原油含水量在石油行业中是一个很重要的性能指标。但 由于在石油生产过程中，从油井中开采出的原油并不是单一的纯质石油，而是包 含有水、气和其它成份的多相流体。因此，含水油一般是一种结构复杂的混合物。 由于流动或者搅拌作用，油和水相互撞击相互渗透，以颗粒状相互混合而呈现两 种状态：当油相体积多于水相体积时，油相为连续相，水相为分散相，水以颗粒 状分散在油相中，常称油包水；当水相体积多于油相体积时，水为连续相，油为 分散相，油以珠状散布在水相中，常称水包油。同时，油的性质( 粘度、蜡质、 胶质) 、流动状态以及外界条件( 温度，压力) 也会影响油水的混合状态。这样，含 水量的测量就会因为受到多种因素的影响而变得尤为困难。因此，针对不同的原 油研究其测量原理、选择合适的测量方法就显得尤为重要。 3 1 原油含水率测量方法 目前，国内外原油含水率检测方法很多，大体上可以分为人工方法和在线测 量方法两种。 3 1 1 人工测量方法 传统的人工测量方法主要是通过人工定时取样，采用蒸馏法和电脱法等进行 油水分离，测定原油含水率。 蒸馏法就是在试样中加入与水不相溶的有机溶剂，并在回流条件下加热蒸 馏。冷凝下来的溶剂和水灾接收器中连续分离，水沉降到接收器中带刻度部分， 溶剂返回到蒸馏烧瓶中。读出接收器中水的体积就可以计算出试样中水的百分含 量。目前，它是我国石油产品水分测定的传统方法，已形成g b 2 6 0 7 7 。蒸馏法 测量精度高、范围广，但由于是离线测量，随机性大，周期长，且操作复杂、费 时费力，已不能满足目前工业自动化的要求。 电脱法是利用高压电场，通过电破乳技术来实现乳化状的油水分离，从而实 现石油含水计量。此法虽然具有分析液量大，速度快，操作简单，但误差较大， 且有电击危险。 传统的人工方法取样的随机性大，取样不及时，不能及时反映原油含水率的 变化，而且在油井较为分散或恶劣的天气情况下，化验的劳动强度更大。更为重 天津工业大学硕士学位论文 要的是，传统的人工测量法无法进行在线精确测量，不能满足油田生产自动化管 理的需要，故在此不再赘述。 3 1 2 在线测量方法 上个世纪9 0 年代，各种在线测置原油含水率方法的研究受到了国内外相关 人员的普遍关注，其不需要人为干预，自动采样，取样频率高，可以实现实时测 量。日前国内外常用的在线检测方法主要有：密度法、射线法、短波吸收法、微 波法、电容法、电导法、射频法等。现主要对以下几种方法进行简单分析： ( 1 ) 射线吸收法【8 9 l 射线吸收法主要采有y 射线和z 射线，它的原理在于射线穿过不同介质时会 发生不同强度的衰减，衰减的大小取决于介质对射线的质量吸收系数、介质密度 和介质厚度。而对于多相介质，射线强度的变化不但与介质种类有关，而且与构 成介质的各种组份所占的比例有关。这样，通过测量穿过原油介质的射线强度的 变化，就可以计算出原油的瞬时含水率。 射线法不接触流体，因此受流体状态的影响较小，用于在线检测稳定性、可 靠性好，可测量范围为0 1 0 0 的含水率，但测量精度不高，且存在射线辐射， 造价高，使用和维修困难等问题。 ( 2 ) 短波法 短波法是根据原油含水率不同吸收短波的能量也不同的原理来工作的。将电 能以电磁波的形式辐射到以乳化状态存在的油水介质中，根据油水对短波的吸收 能力不同来检测油水乳化液中的含水量。设置标准吸收样，当取样器中原油含水 有微量变化时，吸收的短波能量就会发生微小变化。将变化差值经放大计算，线 性校准后直接显示出瞬时含水率，同时根据最小体积脉冲计算出平均含水率。这 种含水率测量仪对高含水的适应性较强。 短波法对原油的温度及含盐量不敏感，因此，温度漂移和水矿化度对测量精 度的影响就非常小。同时短波法还具有测量范围宽的优点，但是采用微波技术， 成本高，使用和维护困难，使其应用受到了一定的影响。 ( 3 ) 微波法 介质在微波电场中，水的储能系数e h 和耗能系数e c 都比较大( e h = 6 4 ，e c - 2 9 ) ； 而油的储能系数e h 和耗能系数e c 都比较小( e h _ 2 ，e c = 0 0 4 ) 。当某一固定频率 的微波经过不同含水体积分数的液相，可以产生不同的幅度衰减，亦即衰减幅度 与含水体积分数有关。微波式含水测试传感器正是利片j 这种差异来测量原油中的 含水量。微波衰减法能够适应很宽的含水体积分数测量范围，在低含水( 含水率 7 5 ) 的工况下，测量精度更高，且可用于在线测量。但 1 6 第三章原油水分检测原理和数据融合方法 微波信号的参数检测复杂，成本高。 ( 4 ) 电导法 也称电阻法，其根据被测物体中的水分变化时，它的直流电阻值随之发生变 化的原理来测含水率，含水量的增加导致电阻值减少。此方法制作简单，但精度 低。其主要用于测量电导率受含水量影响较大的物质，一般用于测量物质的湿度 ( 如木材、纤维、纸张和谷物等) 。 ( 5 ) 电容法 电容法是利用油水混合物中油和水的介电常数相差很大的原理实现含水率 的测量。通常情况下，当电容器的几何尺寸一定时，电容器的电容量与介质的介 电常数成正比。在2 0 c 时，非极性介质油的介电常数为2 - 3 ，水的介电常数为 8 0 ，故少量水分就会使含水原油介电常数明显增加，介电常数的变化反映为电容 值的变化，通过测量电容值就得到物质的含水量。 电容法灵敏度一般，抗干扰能力差，且只适合于油为连续相的情况，因此通 用性较差。同时，电容法的量程范围小、可调性差，仅适合于含水率低于3 0 的原油。 ( 6 ) 射频法 射频法是根据水和油在电场