基于单片机实现的油井油位测控系统设计

2013-12-14吴宏岐李超吕晓峰

电气自动化 2013年4期

吴宏岐，李超，吕晓峰

(宝鸡文理学院，陕西宝鸡 721016)

0 引言

在石油开采中，有些区域的石油渗透率不高，石油油位形成比较慢，这样抽油机工作一段时间后，就会空转，从而消耗电能[1]。为降低抽油机能耗，有时需人工观测油管出油情况，以便控制抽油机的运行。这样即费时，又费人力，抽油效率又不高。为此，我们将超声波探头及回波接收器安装在抽油机底部，采用超声波测距方法对油井油位进行测量，以单片机主控制器，设计油井油位测控系统。因超声波在传播中衰减较小、反射能力强[2]，故可准确地检测井下油位。测控系统根据油位高低自动控制抽油机工作状态(运行或停止)，降低了损耗，节省了人力成本，提高了抽油机的采油效率。

1 测控系统组成及工作原理

1.1 测控系统组成

本系统采用AT89C2051单片机为主控制器，它与超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路、油位显示器及抽油机驱动电路构成一测控系统，实现对油井油位测量及控制抽油机工作状态的控制，如图1所示。AT89C2051是低电压、高性能的微控制器，是油井油位测控系统核心，它根据油井油位高度来控制抽油机的工作状态。

图1 油井液位测控系统图

超声波发射电路如图2所示它主要由反相器74LS04和超声波发射器T/R40构成。工作时，接受单片机 AT89C2051输出给的方波信号，经过反相器输给发射器的两个电极上，使其内部共振板振动产生超声波。超声波接收电路主要有超声波接收器T/R40(发射与接受配对)和检波接受芯片CX20106A组成，如图3所示。它接受超声波遇到油位界面反射回来的回波信号，经过滤波、检波、整形后送入单片机中。采用美国 DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS18B20，具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点;由它构成温度补偿电路如图4所示，系统运行中，温度补偿电路测量系统工作的环境温度，用来减少环境温度变化对超声波速度的影响[3]，提高测量油位精度。油位显示器采用 LED，实时显示油井油位的高度，以供操作人员监测。

1.2 系统工作原理

在测控系统启动后，在单片机控制下，超声波发射电路接受单片机发送一定频率的脉冲信号作，激励超声波发射器产生超生波如图5所示，于此同时启动片内定时器工作。超声波在油井中通过空气介质到达原油液面，将形成反射波;反射波再经过空气介质传播返回到超声波接收器(图5所示)，通过接受电路把声波信号转换为电信号，此电信号经过放大和整形处理后输入到单片机中，如图1所示。由单片机中定时器确定超声波发射后到接受回脉冲的时间间隔，再根据超声波在传播介质的传播速度，按下式1可计算出传播距离[4]。

图2 超声波发射电路

式中S为探头与石油液面之间的距离，ν为空气介质中声波的传播速度，t为从发射超声波开始至接收到反射回来超声波之间所经过的时间。

图3 超声波接受电路

图4 温度补偿电路

由S值再经过与固定距离比较换算后，即得出油井油位高度H。由于超声波在介质中的传播速度 v与环境温度有关[5－6]，在空气中可表示为:ν(T)=(331.4+

图5 超声波油井油位检测图

式中T为环境温度。

由2式可以看出，温度每升高1℃，声速增加约为0.6 m/s，这将使测量产生一定的误差。为此采用温度传感器DS18B2为核心的温度补偿电路，修正声速，以提高测量精度。当油井油位高度达到一定值时，发出信号控制抽油机工作，开始抽油;当油位高度很低时，停止抽油机工作，防止抽油机空转。

2 系统软件设计

整个系统软件都由C51系列单片机C语言实现。油井油位值及显示和抽油机工作控制是在主程序中完成的。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、温度测试子程序、测距中断服务子程序、显示子程序等几个主要部分。主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了各个子程序及中断服务程序。如图6所示为系统的主程序流程。