脱气器最佳液面的自动控制

摘 要：设计了一种脱气器最佳液面的自动控制装置，利用超声波原理进行液面的检测，在脱气器上部安装一个小型的执行电机，作为系统的执行装置调整脱气器，整个系统利用单片机进行控制，目的是保证脱气器处于最佳的液面位置，保证气测资料的准确性。

关键词：脱气器 最佳液面 自动控制

一、前言

气测录井是综合录井的重要方面，它主要是通过测定钻井液中烃类气体的成分和含量，来了解地层含油气情况的一种直接测井方法。当钻开油气层时，油气层中的烃类气体和液体，由于渗透和扩散作用进入井内钻井液，随着钻井液的循环被带到地面钻井液缓冲罐，在缓冲罐安装脱气器，用脱气器将钻井液中的气体脱出，再由真空泵将气体送入仪器进行分析测定。

脱气器的安装条件和脱气效率是影响气测资料准确性的重要方面。常用的电动式脱气器有一个最佳的钻井液液面位置，处于这个位置上，脱气器可以获得相对稳定的性能。

二、设计的整体思路

系统结构如图1所示。液面检测模块利用超声波反射原理检测液面的变化，执行模块主体采用小型的电动机，通过单片机控制其正反转，并通过合适的机械传动装置来达到提升、降低脱气器的目的。单片机电路是整个设计的控制核心，它既控制着超声波液面检测模块和执行模块的电机正反转，又作为系统的比较元件，同时又可以输出液面数据和发出报警信号。

图1系统结构示意图

三、系统的硬件电路设计

系统的硬件电路采用模块化设计，包括液面检测模块、执行模块及单片机控制电路等三部分。

1.液面检测模块的设计

超声波发射模块设计。超声波发射电路如图2所示。超声波由时基电路NE555产生，其频率的计算公式为：

f=1.44/[（R1+2*R2）*C]

此频率应该调整到与超声波发射探头的固有频率一致，这样才能产生最强的超声波信号输出，并且使R1与R2阻值之比不大于1：10，以使输出的波形更接近方波。NE555的复位端由单片机的“发射超声波控制脉冲” 控制。

用MSP430F149单片机的P1.0端控制NE555的复位端，使NE555发射出超声波，发射完一串就向计数器送出一个脉冲，触发启动计数；然后P1.0端输出高电平信号使NE555复位，停止发射超声波，再进行反射接收、运算处理。整个过程就是NE555发射出一串串断续的超声波信号，然后接收由单片机处理的无限循环。

图2 超声波发射电路

超声波接收电路设计。接收探头接收到反射的超声波信号后，感应出交流电信号，经过集成运放LM324构成的两级交流信号放大器放大，再由二极管整流、滤波处理形成直流电压信号，其电路原理如图3所示。

图3 超声波接收电路

3.2 执行模块的设计

执行模块的电路如图4所示，主电路为三相异步电动机的正反转接线，在其控制电路中，用光电耦合器件代替传统的按钮。

图4 执行模块的电机正反转电路

当检测到液面过高时，单片机P1.4端输出高电平，经光耦器件使KM1线圈通电，KM1主触头和自锁触头闭合，电动机正转，脱气器上升，这样液面相对下降。直到检测到液面处于合适的位置，单片机P1.4端输出低电平，KM1断电触头打开，电动机停止转动，脱气器停止上升。

当检测到液面过低时，单片机P1.5端输出高电平，经光耦器件使KM2线圈通电，KM2主触头和自锁触头闭合，由于电源相序反接电动机反转，脱气器下降，这样液面相对上升。直到检测到液面处于合适的位置，单片机P1.5端输出低电平，KM2断电触头打开，电动机停止转动，脱气器停止下降。

四、系统的软件设计

在液面检测模块，单片机向超声波发射电路发射脉冲信号，使其输出一定时间的超声波，同时启动计数器。当接收到反射波时，停止计数，计算时间及液面高度，并且将数据发往上位机、判断是否报警。然后转入执行模块的控制，此自动控制系统的比较元件，实际上是程序中的比较计算。程序根据设定的情况控制脱气器的相应的动作，使其处于最佳的位置。

五、结论

本文利用自动控制的基本原理设计了一种脱气器最佳液面的智能控制装置，设计了该装置的检测反馈模块、执行模块等主要硬件电路，并画出了系统的软件流程图，分析了系统的可行性。

参考文献：

[1] 杜鹃.测量仪表与自动化.东营：中国石油大学出版社，2002：50～55.

[2] 姚若河，张朝基.超声波反射式液位计.广西物理，2000，24（4）：24～28.

[3] 张殿强，李联玮.地质录井方法与技术.北京：石油工业出版社，2001.

[4] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社，2000.