专利名称：U型管积算仪连续量油装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于油田计量间中的油井产液、气量自动计量和控制装置。
背景技术：
目前国内各油田90%以上的计量站采用的量油方法是采用计量间分离器进行油井的产液量计量，通过对分离器内固定高度液体的上升时间，用人工卡秒表计时的方法进行计量。在倒入一口油井准备计量时，工人需在计量间分离器的液位计旁边，时刻观察液位的高低，当达到液位下限时用秒表开始计时，在计量的过程中，工人不能远离计量间，计量快要结束时，必须及时回到计量间观察液位，当液位达到测量上限时停止秒表计时；计量结束后，需要关闭气平衡阀门压液面，以便下一次测量，连续多次计量需重复以上步骤多次。最后通过人工换算成一天内的产量，即用固定的系数除以计量时间得出一天的产液量，和油井的其它参数一起手工写到日报表中。这种量油方式存在的以下问题1、工作强度高、效率低；2、人工掐表计时存在手动计量误差的问题；3、存在忘记开分离器出油阀而导致油液溢出分离器的安全隐患；4、手写日报表数据容易出错。为此，发明人提出了专利号分别为201120440723. 5和201020278112. O的两项专利方案，在.201120440723. 5号专利方案中，发明人首次将倒置的U型管应用到分离器外，使计量过程中分离器液位不超过U形管最大高度，利用连通器的原理成功的限制了分离器的溢流.在另I项专利方案中，发明人将磁翻转液位计与分离器联合应用，同样利用连通器的原理来获取液位。但是，上述两种技术方案联合应用到实际生产中后，被发现存在下列问题由于直接采用已有的磁翻转液位计来测量液位，而未对该磁翻转液位计结构进行适应性改进，在这种机械结构的基础上设计的测量与存储电路工作性能不好，导致最终形成的油气积算仪器结构复杂并且仪器的稳定性低，而且计量的精度非常差且精度不可以调整；仅采用U形管在应用到气产量较低的油井上时，不能实现连续计量；装置中的数传仪功能简单，不能实现对油井实时计量数据的远程传送和对电动执行器的精准控制，无法进行长时间自动连续计量。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种新的U型管积算仪连续量油装置，该种量油装置中计量单元的精度可调能够满足不同油井出液量的需要，可对气产量较低的油井进行长时间自动连续计量，自动化程度高能够实现对整个量油过程的完整控制，同时还可以远程传递油井数据，并且能够有效防止油液溢出分离器的事故发生。本发明的技术方案是该种U型管积算仪连续量油装置，包括气平衡管线、压力变送器、温度变送器、电动执行器以及一个倒置的U型管、出油管和出油阀等常规机构外，其独特之处在于
所述U型管的两段下端管线之间固定有一个直通阀；
还包括改进后的多功能数传仪和油气积算仪。所述油气积算仪，具有表头和LCD显示面板，由液位检测器和检测数据处理器两部分构成，检测数据处理器位于表头内，所述检测数据处理器由集成在一块积算仪主板上的MSP430F437型混合信号处理芯片、24C256型两线串行EEPROM芯片、PCF8563型时钟芯片、74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片、IXD显示控制芯片、RSM485S型485通信芯片和以LTC4411型理想二极管芯片为主的电源电路连接后构成；此外，还包括与PCF8563型时钟芯片相配合的外部晶振芯片以及与所述LTC4411型理想二极管芯片相配合的23CT14型电压转换芯片，以及一个用于连接I-Wire通信接口的上拉电阻。其中，所述MSP430F437型混合信号处理芯片的83号管脚连接前述上拉电阻，以实现按照Ι-wire总线通讯协议与外部通信。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的82号管脚、84号管脚和85号管脚分别依次连接所述24C256型两线串行EEPROM芯片的WP端口、SCL端口和SDA端口，以实现由MSP430F437型混合信号处理芯片构成的CPU按照IIC总线协议对存储器进行读、写；所述84号管脚和85号管脚分别为IIC总线时钟和数据线的连接端，所述82号管脚为24C256型两线串行EEPROM芯片的写保护控制线的连接端。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的84号管脚、85号管脚亦同时分别连接PCF8563型时钟芯片的SCL端和SDA端，以使得MSP430F437型混合信号处理芯片按照IIC总线协议对前述PCF8563型时钟芯片进行读、写操作；所述PCF8563型时钟芯片的I号管脚和2号管脚分别作为地址线连接外部晶振芯片的XIN端口和XOUT端口。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的95号管脚、96号管脚和67号管脚分别对应连接所述74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片的SH/L端、CLK端和QH端，以实现MSP430F437型混合信号处理芯片可按照SPI总线协议对74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片进行读操作；所述74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片的并行数据输入端分别与所述液位检测器的检测数据输出端相连接。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的12号管脚至55号管脚均连接至IXD显 控制芯片；其中52号管脚、53号管脚、54号管脚和55号管脚分别作为LCD显不控制芯片
的四个公共输出端，12号管脚至51号管脚分别为LCD显示段码控制线的输出端。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的75号管脚、74号管脚和77号管脚分别对应连接所述RSM485S型485通信芯片的UTXDO端、URXDO端和TBl端；所述RSM485S型485通信芯片的9号管脚和8号管脚分别作为485总线的A+信号线端和B-信号线端。所述液位检测器包括圆柱形的浮筒、固定在浮筒底端的浮筒下连接法兰盘、底部开有中央内螺纹孔的底座、固定在底座上端的底座上连接法兰盘、用于和前述中央内螺纹孔相连接的球阀、由奥氏体不锈钢材料制成的中心管、环形空心浮子以及若干干簧管；其中，所述浮筒的上端封闭，开有供所述中心管穿出的中心孔；在所述浮筒的上、下两端的侧壁上固定有两根分别与浮筒内部相连通的上连通管和下连通管，所述连通管上均带有连接法兰盘以及密封胶圈；所述浮筒的侧壁沿圆柱母线方向开有一个由透明有机玻璃板密封的液位观察槽，在所述透明有机玻璃板上固定有刻度尺。中心管上端口上开有与表头相连接的外螺纹，所述中心管的下端口封闭；在所述中心管的上部和下部分别连接有上限位挡环和下限位挡环，所述环形空心浮子套在中心管夕卜，限位于上限位挡环和下限位挡环之间的区域；所述中心管内有一个与其形状相同的塑料内衬管，在此塑料内衬管中开槽，将若干沿中心管外壁母线方向间隔分布的干簧管固定在所述槽内，所述干簧管的两个信号线引出端经信号电缆引出至表头内，作为液位检测器的检测数据输出端；在同一水平位置处，对称布置一对干簧管，以实现互为备用；在所述中心管的管壁上对称开有两个供滚珠限位后上下滑动的定位槽。所述环形空心浮子的内壁上对称固定有一对呈方体的钕铁硼磁铁，在钕铁硼磁铁的外侧壁上嵌有滚珠；所述环形空心浮子与中心管相配合，以实现环形空心浮子在液体浮力作用下可沿中心管上下滑动；所述环形空心浮子的外壁上有一块彩色的指示标。表头、浮筒与底座以及球阀依次连接；固定好所述环形空心浮子的中心管位于浮筒内；由所述中心管内经过绝缘密封处理后引出的信号电缆被引出至表头内的接线端子排上；在表头上开有485总线接口端和Ι-wire通信接口端。所述多功能数传仪包括一个数传仪壳体，在所述数传仪壳体的外壁上固定有外设接口面板、电源接口和开关，在壳体内固定有带按键和显示框的仪器操作面板、触摸按键模块、LCD320240CCW型LCD显示屏、数传仪主板、IDC20插座、GPRS模块和充电电池；所述外设接口面板上开有USB接口、RS485接口、以太网接口和继电器控制信号输出接口 ；通过所述 USB接口连接有一个USB键盘。所述数传仪主板上集成有LPC1766ARM单片机、FM31256型存储器芯片、与前述存储器相配合的MC306型微机补偿晶体振荡器芯片、JTAG接口电路单元、采用CAT811S芯片的复位电路以及12MHZ的石英晶体振荡电路。其中，前述元件与作为CPU的LPC1766ARM单片机管脚连接关系为，CPU的22号管脚和23号管脚连接所述石英晶体振荡电路，CPU的49号管脚和48号管脚分别作为FM31256型存储器芯片的IIC总线时钟和数据线，所述FM31256型存储器芯片的10号管脚和11号管脚分别对应连接MC306型微机补偿晶体振荡器芯片的XIN端和XOUT端；CPU的17号管脚连接所述CAT811S芯片的RST端，CPU的I号管脚、5号管脚和100号管脚分别连接至所述JTAG接口电路单元作为JTAG调试端口。所述IDC20插座上对应连接有采用RSM485S型芯片的RS485接口电路单元、采用SIPEX3220型芯片的RS232接口电路单元、以ZNE_100T型芯片为主芯片的以太网转换电路单元、采用ULN2003型驱动芯片的继电器输出电路单元和采用LM3526芯片的USB接口电路单元。其中，前述元件通过所述的IDC20插座与作为CPU的LPC1766ARM单片机管脚连接关系为，CPU的94号管脚连接SIPEX3220型芯片的SHDN控制端，CPU的98号管脚和99号管脚分别连接至SIPEX3220型芯片的TLIN端和RLOUT端，CPU的29号管脚、30号管脚作为所述USB接口电路单元(56)的USB数据线，CPU的36号管脚为供电检测管脚，CPU的33号管脚连接到所述LM3526芯片的ENB端，以控制USB总线的电源。CPU的46号管脚和47号管脚分别连接至ZNE_100T型芯片的TXD端和RXD端，CPU的52号管脚和51号管脚分别连接至ZNE_100T型芯片的CFG端和RST端。CPU的88号管脚 91号管脚为四路开关量输出，分别连接所述ULN2003型驱动芯片的对应输入端，驱动继电器输出开关量信号控制所述电动执行器的打开和关闭。CPU的65号管脚、64号管脚和66号管脚分别为第一路RSM485S型芯片的发送、接收和控制管脚，该485模块的9号管脚、8号管脚为485总线的A+和B-信号线；CPU的75号管脚、74号管脚和87号管脚分别为第二路485模块的发送、接收和控制管脚，CPU按照规定的RS485通讯协议，作为主机与从机进行通讯。所述GPRS模块与RS232接口电路单元之间采用双向数据流结构连接；所述RS485接口电路单元、以太网转换电路单元、继电器输出电路单元和USB接口电路单元的信号接口分别连接至外设接口面板上的对应接口端。所述压力变送器和温度变送器的信号输出端分别连接至所述RS485接口电路单元的压变信号 和温变信号输入端。本发明具有如下有益效果
首先，在U型管的两段下端管线之间设置了一个直通阀，当遇到产气量较低的油井时，可以开启直通阀，从而使得本种自动量油装置也能适用在气产量低油井下进行连续计量。另外，倒U型管的设置，使计量过程中分离器液位不超过U形管最大高度，能够有效地防止油液溢出分离器事故的发生。采用的倒U型管的结构简单，安全可靠，无需维护，减少了自动量油过程中关闭分离器出口的电动执行机构，节省了制造成本。其次，该装置中设计的油气积算仪部分，对液位检测器和检测数据处理器这两部分均做出了较大的改动。I、不再使用磁翻转液位计，而是在浮筒内构造了一个内部的液位检测单元，该检测单元中的中心管和环形空心浮子均可以被取出后维修或更换，具有可替换性。同时，干簧管的触点接入端可以在表头的端子排上调整，可以按照油井实际产液量情况调整所选取的测量点，从而调整测量精度。2、具有双总线结构，不但可以利用I-Wire总线通过TM卡在现场完成对仪器内数据的存储、回放和转移，而且还可以与上位计算机通过485总线连接实现对数据的远程传送。3、根据测量油田产液量的具体需要，采用了MSP430F437型混合信号处理芯片、24C256型两线串行EEPROM芯片、PCF8563型时钟芯片、74HC165D型并行输入串行输出移位寄存芯片、IXD显示控制芯片、RSM485S型485通信芯片和以LTC4411型理想二极管芯片为主的电源电路搭接形成了检测数据处理器，该检测数据处理器部分具有计量精度高、仪器稳定性好等优点。再次，该装置中的数传仪部分具有RS485通信数据接口，能够和本装置中的油气积算仪相通信，取出油井产液量数据并实现分离器液位的实时检测，从而在内部程序的控制下快速生成当日的油井生产数据报表，解决了人工采集方式下存在的效率低和误差大的不足。同时，该数传仪通过设置与ARM单片机直接连接的驱动芯片，而构造了一个驱动电动执行器控制继电器的单元，从而可以控制自动量油装置中的电动执行器自动关闭气平衡阀门，在减少了操作工人工作量的同时，还可实现单井的连续多次自动计量，计量过程完全由ARM单片机控制，实现了油井数据管理的自动化。另外，该部分增设了一个USB键盘，既提高了人工录入数据报表的速度，而且还使本种装置具备了手动编辑输入功能，当自动采集方式存在故障时可采用手工录入方式，从而避免数据缺失。最重要的一点，操作这种数传仪，既可以通过GPRS传输数据，还可以通过USB接口和以太网接口传输数据，由此可以防止在单一通信模式发生故障时油田生产日数据采集与汇总信息的缺失。目前该装置已经通过实验，实验数据证明，对于作业完毕后的油井，本装置可非常稳定的实现长时间自动连续计量。应用本装置，只需要在原有分离器计的量基础上进行改造，改造工艺非常简单，因此，本发明具有较强的实用性。
图I是本发明与油井计量间内的分离器连接后的整体结构示意图。图2显示本发明所述在U型管的两段下端管线之间设置的直通阀的拆分结构示意图。图3是本发明的液计量过程原理图。图4是本发明的气计量过程原理图。图5是本发明所述油气积算仪部分中，液位检测器的结构示意图。图6是图5中显示环形空心浮子结构的放大示意图。图7是图5中显示中心管内置干簧管结构的放大示意图。图8是本发明所述油气积算仪部分中，液位检测 器的另一具体实施例的结构示意图。图9是本发明所述油气积算仪的电气原理图。图10是本发明所述数传仪部分的拆分结构示意图。图11是本发明所述数传仪部分的电气原理图。图中I-分离器，2-油气进口阀，3-气平衡管线，4-压力变送器，5-温度变送器，6-数传仪，7-油气积算仪，8-液位检测器，9-电动执行器，10-倒置的U型管，11-直通阀，12-出油阀，13-出油管，14-积算仪主板，15-表头，16-浮筒，17-LCD显示面板，18-485总线接口端，19-立式干簧管开关，20-磁翻转液位计指示标尺，21-空心浮子，22-防爆护管，23-排空阀，24-仪器操作面板，25-触摸按键模块，26-IXD显示屏，27-数传仪主板，28-IDC20插座，29-GPRS模块，30-充电电池，31-外设接口面板，32-电源接口，33-开关，34-数传仪壳体，35-USB键盘，36-中央控制单元，37_l_wire总线连接单元，38-液位数据存储单元，39-积算仪时钟电路单元，40-积算仪SPI总线电路单元，41-积算仪LCD驱动电路单元，42-积算仪RS485总线电路单元，43-积算仪电源电路单元，44-CPU电路，45-RS485接口电路单元，46-数传仪存储器单元，47-晶振电路单元，48-RS232接口电路单元，49- IDC20插座电路，50-电源电路单元，51-以太网转换电路单元，52-JTAG接口电路单元，53-复位电路单元，54- IXD显示控制单元，55-继电器输出电路单元，56- USB接口电路单元，57-触摸按键模块电路，58-螺栓盖板，59-1-wire通信接口端，60-中心管上端口，61-上限位挡环，62-连接螺栓，63-上连通管，64-刻度尺，65-中心管，66-液位观察槽，67-干簧管，68-下连通管，69-密封胶圈，70-浮筒下连接法兰盘，71-指示标，72-环形空心浮子，73-下限位挡环，74-钕铁硼磁铁，75-滚珠，76-底座上连接法兰盘，77-底座，78-球阀，79-塑料内衬管，80-信号电缆。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明作进一步说明
由图I所示，该种U型管积算仪连续量油装置，包括用于和分离器I相连接的气平衡管线3和带有出油阀12的出油管13，和一个倒置的U型管10、数传仪6、油气积算仪7以及为数传仪提供压变信号、温变信号的压力变送器4和温度变送器5，以及控制气平衡管线与U型管之间连通的电动执行器9。其中，如图2所示，所述U型管10的两段下端管线之间固定有一个直通阀11。如此改进的原因在于当遇到气产量极低油井，则会发生气计量时液位不能下降到下限液位以下，导致自动计量不能完成。改进后，就可以通过打开直通阀，使得油气水三相混合液直接流入汇管，这时分离器液位会下降到下限液位以下，当电动执行器9打开时，再按照需要关闭直通阀，以保证液位上升。这样，本装置就可以应用到气产量极低的油井上。
而油气积算仪7，不再直接使用磁翻转液位计作为液位检测器，虽然都具有表头和LCD显示面板，但是却由液位检测器和检测数据处理器两部分构成。检测数据处理器的电路原理图如图9所示，位于表头15内，所述检测数据处理器由集成在一块积算仪主板14上的MSP430F437型混合信号处理芯片、24C256型两线串行EEPROM芯片、PCF8563型时钟芯片、74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片、LCD显示控制芯片、RSM485S型485通信芯片和以LTC4411型理想二极管芯片为主的电源电路连接后构成；此外，还包括与PCF8563型时钟芯片相配合的外部晶振芯片以及与所述LTC4411型理想二极管芯片相配合的23CT14型电压转换芯片，以及一个用于连接I-Wire通信接口的上拉电阻。其中，所述MSP430F437型混合信号处理芯片的83号管脚连接前述上拉电阻，以实现按照Ι-wire总线通讯协议与外部通信。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的82号管脚、84号管脚和85号管脚分别依次连接所述24C256型两线串行EEPROM芯片的WP端口、SCL端口和SDA端口，以实现由·MSP430F437型混合信号处理芯片构成的CPU按照IIC总线协议对存储器进行读、写；所述84号管脚和85号管脚分别为IIC总线时钟和数据线的连接端，所述82号管脚为24C256型两线串行EEPROM芯片的写保护控制线的连接端。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的84号管脚、85号管脚亦同时分别连接PCF8563型时钟芯片的SCL端和SDA端，以使得MSP430F437型混合信号处理芯片按照IIC总线协议对前述PCF8563型时钟芯片进行读、写操作；所述PCF8563型时钟芯片的I号管脚和2号管脚分别作为地址线连接外部晶振芯片的XIN端口和XOUT端口。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的95号管脚、96号管脚和67号管脚分别对应连接所述74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片的SHA^l CLK端和QH端，以实现MSP430F437型混合信号处理芯片可按照SPI总线协议对74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片进行读操作；所述74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片的并行数据输入端分别与所述液位检测器的检测数据输出端相连接。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的12号管脚至55号管脚均连接至IXD显 控制芯片；其中52号管脚、53号管脚、54号管脚和55号管脚分别作为LCD显不控制芯片
的四个公共输出端，12号管脚至51号管脚分别为LCD显示段码控制线的输出端。所述MSP430F437型混合信号处理芯片的75号管脚、74号管脚和77号管脚分别对应连接所述RSM485S型485通信芯片的UTXDO端、URXDO端和TBl端；所述RSM485S型485通信芯片的9号管脚和8号管脚分别作为485总线的A+信号线端和B-信号线端。所述液位检测器的结构如图5至图7所示，包括圆柱形的浮筒16、固定在浮筒底端的浮筒下连接法兰盘70、底部开有中央内螺纹孔的底座77、固定在底座上端的底座上连接法兰盘76、用于和前述中央内螺纹孔相连接的球阀78、由奥氏体不锈钢材料制成的中心管65、环形空心浮子72以及若干干簧管67。其中，所述浮筒16的上端封闭，开有供所述中心管65穿出的中心孔；在所述浮筒16的上、下两端的侧壁上固定有两根分别与浮筒内部相连通的上连通管63和下连通管68，所述连通管上均带有连接法兰盘以及密封胶圈69 ;所述浮筒16的侧壁沿圆柱母线方向开有一个由透明有机玻璃板密封的液位观察槽66，在所述透明有机玻璃板上固定有刻度尺64。中心管上端口 60上开有与表头相连接的外螺纹，所述中心管65的下端口封闭；在所述中心管65的上部和下部分别连接有上限位挡环61和下限位挡环73，所述环形空心浮子72套在中心管65外，限位于上限位挡环61和下限位挡环73之间的区域；所述中心管65内有一个与其形状相同的塑料内衬管79，如图7所示，在此塑料内衬管中开槽，将若干沿中心管外壁母线方向间隔分布的干簧管67固定在所述槽内，所述干簧管的两个信号线引出端经信号电缆80引出至表头15内的端子排上，作为液位检测器的检测数据输出端，选择端子排上不同的干簧管信号线作为KO K7触点信号的输入端，即可人为调整量程和测量精度。在完成前述过程时，塑料内衬 管可采用两个半圆形管形式构建，便于固定干簧管以及安装。此外，还要注意，在中心管的同一水平位置处，需要对称布置一对干簧管，以实现互为备用。为保证磁铁对干簧管的作用不会发生偏离，还需要在所述中心管的管壁上对称开有两个供滚珠限位后上下滑动的定位槽。如图6所示，所述环形空心浮子72的内壁上对称固定有一对呈方体的钕铁硼磁铁74，在钕铁硼磁铁74的外侧壁上嵌有滚珠75 ;所述环形空心浮子72与中心管65相配合，以实现环形空心浮子在液体浮力作用下可沿中心管上下滑动；所述环形空心浮子72的外壁上有一块彩色的指示标71。从而可以通过液位观察槽27上的透明有机玻璃板明显看到液位变化。将固定好环形空心浮子的中心管位于浮筒内，然后将表头15、浮筒16与底座77以及球阀78依次连接；固定好所述环形空心浮子72的中心管65位于浮筒16内；由所述中心管65内经过绝缘密封处理后引出的信号电缆80被引出至表头15内的接线端子排上；在表头15上开有485总线接口端18和Ι-wire通信接口端59。由所述中心管内经过绝缘密封处理后引出的若干信号电缆被引出至表头内的接线端子排的一端，而接线端子排的另一端则作为液位检测器的检测数据输出端。与上位计算机通信的485总线可以连接在485总线接口端上，而Ι-wire通信接口设备可以连接在Ι-wire通信接口端上。在具体实施时，注意在表头上要固定一块呈回字型的不锈钢扣板，SP显示在图5中的螺栓盖板58，它可以盖住用于紧固LCD屏幕的锁紧螺栓，起到防潮、防湿的作用。具体应用时，将浮筒通过上连通管和下连通管与油田计量间内的分离器相连接，分离器与浮筒构成了一个连通器，浮筒内液位与分离器液位保持平齐，因此浮筒内的浮子会跟随分离器液位变化而沿中心管上下移动。浮子移动时，靠近浮子处中心管内的干簧管就会因为永磁体的磁力作用而发生触点吸合。由此使得分离器内液位变化时，对应吸合的干簧管就不同，通过中央控制器将这8个位置的开关信号转换为SPI串行信号，插座的3、4、5脚分别为QH、CLK和SH/L端，中央控制器通过软件读出该串行信号，并转换为液位信号，即可确定分离器中油水混合液的液位。当进行量油操作时，分离器液位由下向上升高。根据中央控制器中设定好的起始液位变送器位置和结束液位变送器位置，分别指下限液位和上限液位，液位到达下限时，触发下限干簧管，中央控制器通过主控芯片的84、85脚同时通过时钟电路单元开始计时，液位到达上限时，触发上限干簧管停止计时，计算出间隔时间，通过IXD显示单元将测量时间显示在LCD屏幕上；同时中央控制器按照IIC总线协议将测量时间写入存储器。当进行测气操作时，分离器液位由上下降，中央控制器从液位触发上限干簧管开始计时，到触发下限干簧管停止计时，计算间隔时间并显示在IXD屏幕上，同时写入存储器。
因为本装置中的数传仪与油气积算仪相连，则中央控制器通过SPI总线单元，按照规定的RS485通讯协议，与上位仪表或上位计算机进行通讯，同时可输出液位信号、测量状态和计时时间，供上位机使用，完成其它功能。当然，该部分的积算仪也可以单独工作，中央控制器的83脚按照Ι-wire总线通讯协议,与Toutch Memory存储器进行通讯,对设置的参数、井名和量油数据进行传输。在具体实施时，油气积算仪的液位检测器还可以采用另外一种简单的构成形式，即采用浮筒外置干簧管的结构，如图8所示。液位检测器由带有下连接法兰盘的浮筒16、带有钕铁硼磁铁的空心浮子21、开有中央螺纹孔的上连接法兰盘、可实现与前述中央内螺纹孔相连接的排空阀23、防爆护管22以及位于防爆护管内的若干立式干簧管开关19等构成。
其中，所述浮筒的上端封闭，浮筒上、下两端的侧壁上则分别固定两根与浮筒内部相连通的横向连通管，空心浮子位于浮筒内，浮筒的下端经过法兰盘连接后封闭。防爆护管内的若干立式干簧管开关沿轴线方向间隔分布，所述干簧管的两个信号线引出端经信号电缆引出至表头内，作为液位检测器的检测数据输出端。防爆护管位于浮筒外，与浮筒相接触，防爆护管的开口端与表头相连接，立式干簧管开关的信号电缆被引出至表头内的接线端子排上；在表头上开有485总线接口端和Ι-wire通信接口端；在所述浮筒外固定有一个带双色磁柱的磁翻转液位计指示标尺。两种不同结构的液位检测器的工作原理基本相同，区别在于前者灵敏度较高，受外界磁场影响的可能性较小，但造价相对后者要高一些。而后者结构简单，但易受外界磁场影响发生误动作，但造价较低。下面给出本装置中的数传仪的构成。如图10所不,数传仪6包括一个数传仪壳体34,在所述数传仪壳体34的外壁上固定有外设接口面板31、电源接口 32和开关33，在壳体内固定有带按键和显示框的仪器操作面板24、触摸按键模块25、LCD320240CCW型LCD显示屏26、数传仪主板27、IDC20插座28、GPRS模块29和充电电池30 ;所述外设接口面板31上开有USB接口、RS485接口、以太网接口和继电器控制信号输出接口。通过所述USB接口连接有一个USB键盘35。数传仪的电气原理图如图11所示，所述数传仪主板27上集成有LPC1766ARM单片机、FM31256型存储器芯片、与前述存储器相配合的MC306型微机补偿晶体振荡器芯片、JTAG接口电路单元、采用CAT811S芯片的复位电路以及12MHZ的石英晶体振荡电路；
其中，前述元件与作为CPU的LPC1766ARM单片机管脚连接关系为，CPU的22号管脚和23号管脚连接所述石英晶体振荡电路，CPU的49号管脚和48号管脚分别作为FM31256型存储器芯片的IIC总线时钟和数据线，所述FM31256型存储器芯片的10号管脚和11号管脚分别对应连接MC306型微机补偿晶体振荡器芯片的XIN端和XOUT端；CPU的17号管脚连接所述CAT811S芯片的RST端，CPU的I号管脚、5号管脚和100号管脚分别连接至所述JTAG接口电路单元作为JTAG调试端口 ；
所述IDC20插座28上对应连接有采用RSM485S型芯片的RS485接口电路单元45、采用SIPEX3220型芯片的RS232接口电路单元48、以ZNE_100T型芯片为主芯片的以太网转换电路单元51、采用ULN2003型驱动芯片的继电器输出电路单元55和采用LM3526芯片的USB接口电路单元56。
其中，前述元件通过所述的IDC20插座28与作为CPU的LPC1766ARM单片机管脚连接关系为CPU的94号管脚连接SIPEX3220型芯片的SHDN控制端，CPU的98号管脚和99号管脚分别连接至SIPEX3220型芯片的TLIN端和RLOUT端，CPU的29号管脚、30号管脚作为所述USB接口电路单元56的USB数据线，CPU的36号管脚为供电检测管脚，CPU的33号管脚连接到所述LM3526芯片的ENB端，以控制USB总线的电源。CPU的46号管脚和47号管脚分别连接至ZNE_100T型芯片的TXD端和RXD端，CPU的52号管脚和51号管脚分别连接至ZNE_100T型芯片的CFG端和RST端。CPU的88号管脚 91号管脚为四路开关量输出，分别连接所述ULN2003型驱动芯片的对应输入端，驱动继电器输出开关量信号控制所述电动执行器9的打开和关闭。CPU的65号管脚、64号管脚和66号管脚分别为第一路RSM485S型芯片的发送、接收和控制管脚，该485模块的9号管脚、8号管脚为485总线的A+和B-信号线；CPU的75号管脚、74号管脚和87号管脚分别为第二路485模块的发送、接收和控制管脚，CPU按照规 定的RS485通讯协议,作为主机与从机进行通讯；
所述GPRS模块29与RS232接口电路单元48之间采用双向数据流结构连接；所述RS485接口电路单元45、以太网转换电路单元51、继电器输出电路单元55和USB接口电路单元56的信号接口分别连接至外设接口面板31上的对应接口端。另外，触摸按键模块所对应的触摸按键模块电路57与CPU的具体连接方式为CPU的86脚为触摸按键电源供电控制管脚，6、7、8、9脚为触摸按键中断管脚，接收来自触摸按键的四个中断信号，CPU的24、25和21、80脚分别为触摸按键IIC总线信号和触摸按键控制信号。按照规定的IIC总线协议，CPU对触摸按键芯片进行读操作。除供电管脚外，触摸按键与CPU的接线都接IOK上拉电阻。所述压力变送器4和温度变送器5的信号输出端分别连接至所述RS485接口电路单元45的压变信号和温变信号输入端。本装置的工作原理如下如图3、图4所示，计量间内的分离器与积算仪中的浮筒以及倒置的U形管中靠近分离器竖管的部分构成一个连通器，依据连通器原理，液流稳定时，分离器、浮子筒和U型管的近分离器竖管液位总处在相同高度。因此浮筒内的浮球会跟随分离器液位变化而上下移动，从而使得液位检测器中的对应高度的干簧管可以在磁力作用下吸合，浮球的位置不同时，干簧管吸合的状态不同，SPI总线单元中K0-K7代表干簧管，由此就可以通过油气积算仪的CPU将这8个位置的开关信号转换为SPI串行信号，CPU通过软件读出该串行信号，并转换为液位信号，即可确定分离器中油水混合液的液位。由图11可见，数传仪的CPU的两路控制信号Jl开/关和J2开/关，分别接继电器输出电路单元55中的ULN2003的3、4脚，ULN2003的对应输出脚14、13脚接到Jl和J2的线圈一端，线圈的另一端接5V电源；继电器输出两个无极性触点和一个公共端，用于控制电动执行器9的开闭。本装置在工作时，每一次完整的油气计量过程，都是由一次“液面上升过程”和一次“液面下降过程”组成，即液计量过程和气计量过程。此时油气进口阀、出油阀和气平衡管线上的手动阀门均处于打开状态，直通阀处于关闭状态。在液计量过程中，数传仪接收油气积算仪发来的分离器液位信号。如果实际液位低于预先保存在数传仪的存储器单元中下限液位时，CPU通过继电器输出电路单元给电动执行器一个开信号使之打开，分离器与U形管的近分离器竖管形成连通器，压力平衡，油气水三相混合液通过油气进口阀进入分离器，使得分离器液位上升。在气计量过程中，数传仪接收油气积算仪发来的分离器液位信号，如果实际液位高于预先保存在数传仪的存储器单元中上限液位时，CPU通过继电器输出电路单元给电动执行器一个关信号使之关闭，由于油气进口阀打开、电动执行器关闭，分离器I内的气体不能被排出。随着油井的油气水三相混合液不断进入分离器，分离器内的气体压力增大，逐渐将分离器的液位通过U型管排出，使得分离器液位下降。液计量开始时，如果分离器的液位高于下限，则进行“液面下降过程”，否则进行“液面上升过程”。当液位由低到高经过设定好的下限位置时，双总线油气积算仪7开始液计量过程并由双键盘多功能数传仪6的CPU44开始通过晶振电路单元计时；当液位继续上升并达到上限时，液计量结束，CPU按照设定好的系数，自动换算产液量。 气计量过程是液计量过程的反过程，由于气体的体积和温度、压力有关，因此数传仪通过RS485总线单元实时采集压力变送器和温度变送器的信号数据，CPU按照设定好的系数，自动换算产气量，CPU将计量数据按照IIC总线协议写入到存储器单元中。数传仪发送开信号至电动执行器使之完全打开，至此，完成一次完整的油、气计量过程。当数传仪设定多次计量时，即可自动连续完成多次的计量。计量结束后，数传仪中的CPU将存储器单元中的计量数据按照IIC总线协议读出，可以通过USB接口电路单元向U盘导出，或者通过以太网模块传输至internet,或者通过与RS232总线单元连接的GPRS模块无线传输至上位主机，完成数据传输的功能。应用本发明的U型管积算仪连续量油装置后，可长时间自动连续计量油气产量，降低了劳动强度、提高工作效率，计量数据真实、准确，具备远传功能，并可防止油液溢出分离器事故的发生，解决了气产量低油井不能连续计量的问题，其整体改造工艺简单，安全可靠，节省投资。
权利要求
1.ー种U型管积算仪连续量油装置，包括ー个气平衡管线(3)、压カ变送器(4)、温度变送器(5)、多功能数传仪(6)、油气积算仪(7)、电动执行器(9)以及ー个倒置的U型管(10)、出油管(13)和出油阀(12)，其特征在于 所述U型管(10)的两段下端管线之间固定有ー个直通阀(11); 所述油气积算仪(7)，具有表头(15)和LCD显示面板(17)，由液位检测器和检测数据处理器两部分构成，检测数据处理器位于表头(15)内，所述检测数据处理器由集成在ー块积算仪主板(14)上的MSP430F437型混合信号处理芯片、24C256型两线串行EEPROM芯片、PCF8563型时钟芯片、74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片、IXD显示控制芯片、RSM485S型485通信芯片和以LTC4411型理想ニ极管芯片为主的电源电路连接后构成；此夕卜，还包括与PCF8563型时钟芯片相配合的外部晶振芯片以及与所述LTC4411型理想ニ极管芯片相配合的23CT14型电压转换芯片，以及ー个用于连接I-Wire通信接ロ的上拉电阻； 其中，所述MSP430F437型混合信号处理芯片的83号管脚连接前述上拉电阻，以实现按照1-wire总线通讯协议与外部通信； 所述MSP430F437型混合信号处理芯片的82号管脚、84号管脚和85号管脚分别依次连接所述24C256型两线串行EEPROM芯片的WP端ロ、SCL端口和SDA端ロ，以实现由MSP430F437型混合信号处理芯片构成的CPU按照IIC总线协议对存储器进行读、写；所述84号管脚和85号管脚分别为IIC总线时钟和数据线的连接端，所述82号管脚为24C256型两线串行EEPROM芯片的写保护控制线的连接端； 所述MSP430F437型混合信号处理芯片的84号管脚、85号管脚亦同时分别连接PCF8563型时钟芯片的SCL端和SDA端，以使得MSP430F437型混合信号处理芯片按照IIC总线协议对前述PCF8563型时钟芯片进行读、写操作；所述PCF8563型时钟芯片的I号管脚和2号管脚分别作为地址线连接外部晶振芯片的XIN端口和XOUT端ロ ； 所述MSP430F437型混合信号处理芯片的95号管脚、96号管脚和67号管脚分别对应连接所述74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片的SH/L端、CLK端和QH端，以实现MSP430F437型混合信号处理芯片可按照SPI总线协议对74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片进行读操作；所述74HC16 型并行输入串行输出移位寄存芯片的并行数据输入端分别与所述液位检测器的检测数据输出端相连接； 所述MSP430F437型混合信号处理芯片的12号管脚至55号管脚均连接至IXD显示控制芯片；其中52号管脚、53号管脚、54号管脚和55号管脚分别作为LCD显示控制芯片的四个公共输出端，12号管脚至51号管脚分别为LCD显示段码控制线的输出端； 所述MSP430F437型混合信号处理芯片的75号管脚、74号管脚和77号管脚分别对应连接所述RSM485S型485通信芯片的UTXDO端、URXDO端和TBl端；所述RSM485S型485通信芯片的9号管脚和8号管脚分别作为485总线的A+信号线端和B-信号线端； 所述液位检测器包括圆柱形的浮筒(16)、固定在浮筒底端的浮筒下连接法兰盘(70)、底部开有中央内螺纹孔的底座(77)、固定在底座上端的底座上连接法兰盘(76)、用于和前述中央内螺纹孔相连接的球阀(78)、由奥氏体不锈钢材料制成的中心管(65)、环形空心浮子(72)以及若干干簧管(67);其中，所述浮筒(16)的上端封闭，开有供所述中心管(65)穿出的中心孔；在所述浮筒(16)的上、下两端的侧壁上固定有两根分别与浮筒内部相连通的上连通管(63)和下连通管(68)，所述连通管上均带有连接法兰盘以及密封胶圈(69);所述浮筒(16)的侧壁沿圆柱母线方向开有ー个由透明有机玻璃板密封的液位观察槽(66)，在所述透明有机玻璃板上固定有刻度尺(64)； 中心管上端ロ(60)上开有与表头相连接的外螺纹，所述中心管(65)的下端ロ封闭；在所述中心管(65)的上部和下部分别连接有上限位挡环(61)和下限位挡环(73)，所述环形空心浮子(72)套在中心管(65)外，限位于上限位挡环(61)和下限位挡环(73)之间的区域；所述中心管(65)内有一个与其形状相同的塑料内衬管(79)，在此塑料内衬管中开槽，将若干沿中心管外壁母线方向间隔分布的干簧管￠7)固定在所述槽内，所述干簧管的两个信号线引出端经信号电缆(80)引出至表头(15)内，作为液位检测器的检测数据输出端；在同一水平位置处，对称布置一对干簧管，以实现互为备用；在所述中心管(65)的管壁上对称开有两个供滚珠限位后上下滑动的定位槽； 所述环形空心浮子(72)的内壁上对称固定有一对呈方体的钕铁硼磁铁(74)，在钕铁硼磁铁(74)的外侧壁上嵌有滚珠(75);所述环形空心浮子(72)与中心管(65)相配合，以实现环形空心浮子在液体浮力作用下可沿中心管上下滑动；所述环形空心浮子(72)的外壁上有ー块彩色的指示标(71)； 表头(15)、浮筒(16)与底座(77)以及球阀(78)依次连接；固定好所述环形空心浮子(72)的中心管(65)位于浮筒(16)内；由所述中心管(65)内经过绝缘密封处理后引出的信号电缆(80)被引出至表头(15)内的接线端子排上；在表头(15)上开有485总线接ロ端(18)和 Ι-wire 通信接ロ端(59)； 所述多功能数传仪(6)包括一个数传仪壳体(34)，在所述数传仪壳体(34)的外壁上固定有外设接ロ面板(31)、电源接ロ(32)和开关(33)，在壳体内固定有带按键和显示框的仪器操作面板(24)、触摸按键模块(25)、し0)3202400^型し0)显示屏(26)、数传仪主板(27)、 IDC20插座(28)、GPRS模块(29)和充电电池(30);所述外设接ロ面板(31)上开有USB接ロ、RS485接ロ、以太网接口和继电器控制信号输出接ロ ；通过所述USB接ロ连接有ー个USB键盘(35)； 所述数传仪主板(27)上集成有LPC1766ARM单片机、FM31256型存储器芯片、与前述存储器相配合的MC306型微机补偿晶体振荡器芯片、JTAG接ロ电路单元、采用CAT811S芯片的复位电路以及12MHZ的石英晶体振荡电路； 其中，前述元件与作为CPU的LPC1766ARM单片机管脚连接关系为，CPU的22号管脚和23号管脚连接所述石英晶体振荡电路，CPU的49号管脚和48号管脚分别作为FM31256型存储器芯片的IIC总线时钟和数据线，所述FM31256型存储器芯片的10号管脚和11号管脚分别对应连接MC306型微机补偿晶体振荡器芯片的XIN端和XOUT端；CPU的17号管脚连接所述CAT811S芯片的RST端，CPU的I号管脚、5号管脚和100号管脚分别连接至所述JTAG接ロ电路单元作为JTAG调试端ロ ； 所述IDC20插座(28)上对应连接有采用RSM485S型芯片的RS485接ロ电路单元(45)、采用SIPEX3220型芯片的RS232接ロ电路单元(48)、以ZNE_100T型芯片为主芯片的以太网转换电路单元(51)、采用ULN2003型驱动芯片的继电器输出电路单元(55)和采用LM3526芯片的USB接ロ电路单元(56)； 其中，前述元件通过所述的IDC20插座(28)与作为CPU的LPC1766ARM单片机管脚连接关系为， CPU的94号管脚连接SIPEX3220型芯片的SHDN控制端，CPU的98号管脚和99号管脚分别连接至SIPEX3220型芯片的TLIN端和RLOUT端，CPU的29号管脚、30号管脚作为所述USB接ロ电路单元(56)的USB数据线，CPU的36号管脚为供电检测管脚，CPU的33号管脚连接到所述LM3526芯片的ENB端，以控制USB总线的电源； CPU的46号管脚和47号管脚分别连接至ZNE_100T型芯片的TXD端和RXD端，CPU的52号管脚和51号管脚分别连接至ZNE_100T型芯片的CFG端和RST端； CPU的88号管脚 91号管脚为四路开关量输出，分别连接所述ULN2003型驱动芯片的对应输入端，驱动继电器输出开关量信号控制所述电动执行器(9)的打开和关闭； CPU的65号管脚、64号管脚和66号管脚分别为第一路RSM485S型芯片的发送、接收和控制管脚，该485模块的9号管脚、8号管脚为485总线的A+和B-信号线；CPU的75号管脚、74号管脚和87号管脚分别为第二路485模块的发送、接收和控制管脚，CPU按照规定的RS485通讯协议,作为主机与从机进行通讯； 所述GPRS模块(29)与RS232接ロ电路单元(48)之间采用双向数据流结构连接；所述RS485接ロ电路单元(45)、以太网转换电路单元(51)、继电器输出电路单元(55)和USB接 ロ电路单元(56)的信号接ロ分别连接至外设接ロ面板(31)上的对应接ロ端； 所述压カ变送器(4)和温度变送器(5)的信号输出端分别连接至所述RS485接ロ电路単元(45)的压变信号和温变信号输入端。
全文摘要
一种U型管积算仪连续量油装置,主要解决现有计量间内的U型管积算仪连续量油装置自动化程度不高、计量精度不可调等问题。其特征在于U型管的下端管线之间跨接直通阀；检测数据处理器由MSP430F437芯片、24C256芯片、PCF8563芯片、74HC165D芯片、RSM485S芯片和LTC4411芯片连接后构成；液位检测器由浮筒、中心管、环形空心浮子以及干簧管组成；数传仪主板上集成有LPC1766单片机以及12MH振荡电路；IDC20插座上对应连接有RS485接口电路单元、RS232接口电路单元、以太网转换电路单元、继电器输出电路单元。本种量油装置可对气产量较低的油井进行长时间连续计量，能够实现对整个量油过程的自动化控制，并可远程传递油井数据。
文档编号E21B47/00GK102852513SQ20121037953
公开日2013年1月2日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日
发明者付强, 柴宁, 李显卓 申请人:大庆科瑞电子技术开发有限公司