1 引言
目前钻井公司每年大量向钻井队供给柴油,用于钻井生产。对于柴油的供给和使用上都没有准确的计量设备,井队的柴油计量是通过测深量油尺测量液面高度大概估算罐内存储油量。这种测量方法在保证尺子垂直并且油罐水平放置时才能保证油量计算准确。但是井队一般流动作业,工作位置不固定,打完一口油井所有设备需要整体搬到下一处工作点。所以油罐会产生不固定的偏角,油罐内不同位置的液位高度不同,通过检测一点的液位高度推算燃油储量这种方式必然产生很大的误差,因此在向井队供油的过程中容易出现柴油流失。对此本文提出一种针对井场方形油罐内燃油的计量检测设备的设计。
2 总体设计方案
硬件部分整体分为主控部分、液位检测部分、显示部分、GPS经纬度采集部分、电源和GPRS数据发送部分。硬件结构框图如图1。
图1 硬件结构框图
不论方形油罐还是传统的圆柱形油罐,计算罐内存储燃油体积的时候,油罐放置存在偏角是影响计量的主要原因。本文所述方案采用三个压力变送器分别安装于方形油罐底面三个不同的顶点,用于测量底面顶点处的液位高度。根据不在同一直线上的三点可以确定一个平面,利用测得的三个液面高度可以确定出液面位置,借助Cayley-Menger行列式求取油罐内燃油体积。压力变送器输出电信号经A/D转换传给单片机,在单片机中计算燃油体积及质量,并将质量和体积数据发送到显示部分进行显示。GPS模块采集经纬度信息通过串口发送给单片机。单片机将采集来的液位信息及经纬度信息通过GPRS模块发送到检测中心。电源部分分为220V交流转直流开关电源和备用电池,正常使用时由220V直接供电,当220V掉电时有备用电池供电。
图2 主控部分原理图
3 硬件设计
3.1 主控部分
主控部分采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。STC12C5A60S2系列单片机是单时钟/机器周期的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换,具有双串口。针对电机控制,强干扰场合,工作电压在3.5V~5.5V之间。主控部分原理图如图2所示。
3.2 液位检测部分
采用两线制压力变送器,工作电压24V输出4~20mA电流信号,通过250Ω精密电阻转换为1~5V电压信号。利用STC12C5A60S2上集成的A/D转换功能做A/D转换。利用TL431提供稳定的3V电压作为参考电压。液位检测部分电路如图3所示。JP1、JP2和JP3接三个压力变送器,采集压力信号。
3.3 显示部分
显示部分采用数码管进行显示,使用74HC138和74HC573驱动数码管,显示部分电路图如图4所示。用74HC138做位选,74HC573做段选,数码管采用动态扫描的方法显示。
3.4 GPS经纬度采集部分
采用GS-87模块采集经纬度,GS-87工作电压是3.3~5.5V,可以直接通过串口与单片机通信。单片机上的串口2用于与GS-87通信,上电后每隔1秒以字符串的形式向单片机发送一次数据。输出数据包括经纬度、格林尼治时间和定位状态等。
3.5 GPRS数据发送部分
采用GPRS IP MODEM模块作为单片机与监控中心的无线通信模块,使用方便,配置好数据中心IP、端口号、波特率等就可以通过自带的RS232或RS485接口向检测中心发送数据。本设计采用RS232接口与单片机通信。单片机输出和输入是TTL电平,采用MAX232芯片做电平转换。GPRS数据发送部分电路如图5所示。
图3 液位检测部分原理图
图4 显示部分原理图
图5 GPRS数据发送部分原理图
4 油罐内燃油体积的计算方法
图6 计算液位示意图
如图6所示的储油空间视为一个长方体,放入空间笛卡尔坐标系中。假设点e、h、i为传感器测量到的液位位置。由e、h、i这三点可以确定出燃油液面位置并且可以计算出c点坐标。所以求取罐内燃油体积转换为求取平面cehi和平面OFGH之间的六面体体积。基于c、e、h、i这四个点做出图中以小写字母组成的辅助线,其中a、b、c、d四点组成的平面平行于上下两个面。求取六面体cehiOFGH的体积可以分为求取两部分体积之和,第一部分:平面abcd和平面OFGH之间的长方体;第二部分:平面cehi和平面abcd之间的部分。第一部分的体积很容易求出,第二部分体积的求取也得按照组合体计算,四面体afgh的体积减去四面体cdeg和四面体bcfi的体积。四面体的体积可以由Cayley-Menger行列式求取。
定理[1]:已知四面体P1、P2、P3、P4的六条棱长为
5 软件部分设计
软件部分设计将数码管扫描放入定时器终端中操作,为了避免在执行其他部分程序的时候不对数码管扫描造成现实频闪。但是在接收GPS数据和发送GPRS数据的时候关定时器中断,防止串口发送和接收过程中进入中断导致数据收发不完整。程序流流程图如图7所示。
图7 程序总流程图
6 结束语
本文所提出的设计方案利用多个压力变送器对油罐的偏角进行补偿,降低了方形油罐罐内燃油的计量误差,设备上的GPRS模块可以将监测数据实时上传到固定的公网IP上,配合监测中心的管理软件可以实现远程燃油管理,对钻井公司减少燃油的非正常损耗、降低生产成本及工程预算都有积极的意义。
参考文献:
[1] 毛其吉,四面体的“六斜”求积公式[J].苏州教育学院学报,2003,20(3):65-66.