嵌入式γ射线石油含水、含气分析仪

　　1　原理

　　统计、计算石油的产量是根据开采出石油的流量来计算的,但是如果石油中含水、含气,则必须测出石油中含水、含气率,才能得到石油的实际产量。即:流量传感器采集的石油的流量值为Q,流量中含气量为Qg,含水量为Qw,纯净含油量为Q₀,则有:

　　同时考虑气体的流量与气体的压力、温度有关,因此,Qg的计算应按下式进行:

　　石油中含水含气量可通过γ射线源、光电倍增管组成传感器来计量,如图1。

　　当γ射线穿过被测介质后,强度要发生衰减,衰减后的计数值N为

　　则可解此方程组,分别计算出含水、含气率Rs和Rg.两种不同能量的射线源,除了N1和N2不同外,其幅射强度也不同。以便利用阈值甄别电路加以分离。

　　2　二次仪表组成的原理

　　二次仪表是以W77LE58单片机组成的测量系统,W77LE58具有在系统编程功能(ISP),更换传感器、软件升级十分方便的。整个测量系统分为前向通道、后向通道及显示、键盘、定时系统、CPU微处理器,前向通道应能提供分析仪输入端脉冲信号(负脉冲,不规则。频率<1 MHz),流量计正脉冲信号,频率<1 kHz,温度和压力各一路(电流输入4~20 mA)。后向通道分3种:4~20 mA恒流输出、RS232口和微机相连及驱动LQ-300K打印机,打印报表(内容含水、含气、原油产量)。

　　2.1　前向通道

　　图2给出前向通道电路原理,图2a中B1与双能γ射线源探测器相连(光电倍增管),T1~T3晶体管组成前置放大器进一步提高信噪比。IC2和 IC3为LM360高精度比较器,组成阈值甄别电路,调整电位器Rw2和Rw3可以分离出含水、含气脉冲数N1和N2,与流量计输入脉冲信号(经整形电路整形后,图中未标出)一起接多路模拟开关输入端,多路模拟开关输出端与单片机T0口相连接。温度传感器、压力传感器,输出4~20mA模拟信号,由IC1 和IC3组成I/V变换电路转换成0~2·5V对应信号电压,输入MAX1247 A/D的输入端,前向通道用扁平电缆与主板相连。

　　2.2　后向通道

　　后向通道主要由8155,MAX232、MAX525(D/A转换器)等组成,如图3,主要完成功能是:输出4~20 mA电流,与微机通讯和打印驱动。其中8155芯片主要完成打印驱动,通过25针扁平电缆连接LQ-300K打印机;MAX525为串行D/A转换器,与 BG1和BG4组成4~20 mA电流输出,主要是将计算出纯油产量实现远程传递;MAX232与微机通讯,实现单片W77LE58的在系统编程(ISP)。MAX1247为4通道单端或2通道差动模拟信号输入。MAX525为单通道二进制数据输入、4通道模拟信号输出。接口标准与SPI、QSPI、或Microwier兼容,因此, 两种芯片仅需7条口线(MAX1247为4条,MAX525为3条)即可完成4路模拟量输入、4路模拟量输出的数据采集和控制(模-模变换)。图3中4个三极管为恒流源变换,均采用Zn3904,可将DAC输出的模拟信号变换成4~20 mA的恒流由P1~P4输出,外接电源为24 V.两种芯片的参考电压输入端一般为2·5V,须另外由电路提供。MAX525有两路参考电压输入端RE-FCD、REFAB,其值可以不同。