便攜式皮托管流量計(jì)用于天然氣計(jì)量巡檢的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

基于皮托管測(cè)流原理，上海自?xún)x公司采用方便現(xiàn)場(chǎng)操作的插入式測(cè)量方式，設(shè)計(jì)了一款集流量測(cè)量、流速測(cè)量、壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、RFID定位識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢(xún)導(dǎo)出導(dǎo)入等功能于一體的手持式設(shè)備，用于天然氣終端管線或終端設(shè)備巡檢，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該儀器測(cè)量精度滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)巡檢需求。

1、引言

天然氣是非常重要的清潔優(yōu)質(zhì)能源，已廣泛地用于國(guó)民生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。在天然氣產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展過(guò)程中，天然氣能源的準(zhǔn)確有效計(jì)量，是科學(xué)管理能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。目前用于天然氣貿(mào)易計(jì)量的天然氣流量?jī)x表均是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)照相應(yīng)的周期進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，但絕大多數(shù)采取的是離線校準(zhǔn)[1-7]。儀器在檢定或校準(zhǔn)后被安裝到現(xiàn)場(chǎng)，在下一個(gè)檢定或校準(zhǔn)時(shí)間到來(lái)之前，很少再進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，對(duì)于重要終端用戶(hù)會(huì)有相關(guān)人員開(kāi)展定期巡檢，以確保用氣安全以及天然氣計(jì)量?jī)x表的測(cè)量準(zhǔn)確性。但在實(shí)際的巡檢過(guò)程中，由于沒(méi)有可靠的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀表，對(duì)于終端流量?jī)x表的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量性能并不能進(jìn)行有效判別，只能依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，說(shuō)服力低，易出現(xiàn)供需爭(zhēng)執(zhí)[8]。

2便攜式皮托管流量計(jì)的設(shè)計(jì)需求與實(shí)現(xiàn)

2.1測(cè)量原理

便攜式皮托管流量計(jì)基于皮托管測(cè)速原理而設(shè)計(jì)。皮托管作為流速測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)器具，廣泛應(yīng)用在風(fēng)洞、流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中。流體在皮托管迎風(fēng)面產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區(qū)，高壓分布區(qū)的壓力略高于管道的靜壓；在皮托管背風(fēng)面產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區(qū)，低壓分布區(qū)的壓力略低于管道的靜壓。迎風(fēng)面取壓孔為高壓取壓孔，背風(fēng)面取壓孔為低壓取壓孔，兩者之間的壓力差稱(chēng)為差壓△P，由差壓傳感器進(jìn)行測(cè)量[10-11]?！鱌的平方根與管道內(nèi)流體流速成線性關(guān)系，結(jié)合實(shí)時(shí)采集的被測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力可以推算出流體的實(shí)時(shí)流速，測(cè)得管道內(nèi)的平均流速就可以換算出管道的瞬時(shí)工況流量與標(biāo)況流量[12]。

2.2需求設(shè)計(jì)

結(jié)合天然氣計(jì)量應(yīng)用特點(diǎn)、使用需求以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境，便攜式皮托管流量計(jì)應(yīng)具備如下特征：1）同時(shí)測(cè)量顯示管道內(nèi)介質(zhì)標(biāo)況流量、工況流量、流速、壓力、溫度以及周?chē)h(huán)境大氣壓等多種參數(shù)，以滿(mǎn)足巡檢員了解多種參數(shù)的需求；2）測(cè)量下限盡可能低，以實(shí)現(xiàn)天然氣小流量的測(cè)量；3）非常好能夠支持雙向測(cè)量，并具有指示流向功能，以方便現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)氣體流動(dòng)方向；4）具有RFID識(shí)別、定位、防作弊功能，以方便管理人員對(duì)巡檢員的跟蹤管理；5）具有可以實(shí)時(shí)保存、刪除測(cè)量的數(shù)據(jù)的功能；6）具有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接上位機(jī)，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出；7)不需要專(zhuān)門(mén)的測(cè)量工藝與裝備，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)；8）測(cè)量準(zhǔn)確度要高，流量測(cè)量精度不低于2級(jí)，壓力精度不低于0.5%，溫度測(cè)量誤差不低于0.5℃。

2.3設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于便攜式皮托管流量計(jì)整機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。整機(jī)由皮托管、差壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、供電電路、無(wú)線收發(fā)電路、RFID識(shí)別電路、微處理器、存儲(chǔ)電路、顯示電路以及鍵盤(pán)等組成。

當(dāng)前皮托管按結(jié)構(gòu)主要分為L(zhǎng)型皮托管和S型皮托管，其中L型皮托管取壓孔較小，在粉塵較大的環(huán)境中容易堵塞，不適合應(yīng)用在濕度大、粉塵大的管道中，而S型皮托管在保證測(cè)量準(zhǔn)確性的同時(shí)還不易堵塞[13]。便攜式皮托管流量計(jì)選擇的皮托管為S型皮托管。為了提升儀器的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)以及應(yīng)用方便性，皮托管采用了一體化創(chuàng)新式的設(shè)計(jì)，在皮托管的內(nèi)部頂端采用精加工技術(shù)集成了高精度溫度測(cè)量探頭，使得在流量測(cè)量時(shí)，能夠通過(guò)該溫度探頭迅速、準(zhǔn)確感知管道內(nèi)介質(zhì)溫度，保持流量測(cè)量時(shí)的溫度實(shí)時(shí)準(zhǔn)確補(bǔ)償；另外，在保證溫度套管、高低壓取壓管共存的同時(shí)，盡可能的將皮托管直徑控制到非常低（直徑約為10mm），以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)已有的測(cè)量孔或安裝孔，或者方便現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開(kāi)孔。儀器的供電電路由本安電池組件、多級(jí)保護(hù)穩(wěn)壓電路、充電控制電路等組成，用于給儀器內(nèi)各功能模塊進(jìn)行本安供電；電池組選用了符合GB/T22084.2-2008相關(guān)要求的鎳氫電池，單節(jié)容量為2100mAh，額定電壓為1.2V，共使用3節(jié)電池，電池間串入1.3Ω/18W的限流電阻（由2只0.65Ω/9W的康銅絲組成），用環(huán)氧樹(shù)脂澆封為一體，置于電池盒內(nèi)構(gòu)成本安電池組件。

微處理器是儀器的核心單元，用于采集溫度傳感器、差壓傳感器、絕壓傳感器和環(huán)境大氣壓傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合運(yùn)算并控制外圍各個(gè)功能模塊完成顯示、存儲(chǔ)、查詢(xún)、傳輸、感應(yīng)等操作。顯示電路以及鍵盤(pán)是儀器的人機(jī)界面，顯示采用的是2.8寸TFT液晶屏，顯示清晰明了，層次分明，按鍵采用感應(yīng)式電容觸摸按鍵，反映靈敏、使用壽命長(zhǎng)。

無(wú)線收發(fā)電路采用藍(lán)牙4.0技術(shù)，用與和上位機(jī)機(jī)軟件通訊，將存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)或者將設(shè)置的數(shù)據(jù)下放給儀器。RFID感應(yīng)電路用來(lái)感應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的RFID識(shí)別卡，進(jìn)而自動(dòng)讀出測(cè)點(diǎn)的相關(guān)信息，如測(cè)點(diǎn)地址名稱(chēng)、測(cè)點(diǎn)號(hào)、管道內(nèi)徑等，并可生成巡檢路徑，防止作弊或漏檢。存儲(chǔ)電路采用EEPROM芯片，支持實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與擦除，用來(lái)保存儀器實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，可存儲(chǔ)近1000條數(shù)據(jù)。

采用皮托管測(cè)流速時(shí)，一般通過(guò)皮托管系數(shù)進(jìn)行修正，屬于線性修正，優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是實(shí)際線性區(qū)范圍較小，測(cè)量范圍較大時(shí)，不能很好的修正。在跟設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中采用過(guò)零點(diǎn)的二次多項(xiàng)式修正，具體修正模型y=ax2+bx式中x為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，y為修正后的數(shù)據(jù)，a和b為修正系數(shù)。為了保證精度，將修正范圍分成了兩段，低流速段修正公司為y=a1x2+b1x高流速段修正公式為：y=a2x2+b2這種修正方式使得設(shè)備在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)數(shù)據(jù)都能較好的擬合。

3便攜式皮托管流量計(jì)的測(cè)量方式

在圓管中，流體充分發(fā)展后，管道中間的層流速度分布比較均勻，但管壁處速度梯度較大，為理想的流速分布圖，當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，弧度較大。由于現(xiàn)場(chǎng)管道安裝復(fù)雜（如有大量彎管、閥門(mén)等），很難達(dá)到理想的流速分布。皮托管流量計(jì)屬于插入式點(diǎn)式測(cè)量設(shè)備，其插入深度的不同，則測(cè)量結(jié)果也會(huì)存在差異，為了能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出管道內(nèi)的流量，理想情況下，皮托管插入管道內(nèi)的測(cè)點(diǎn)出對(duì)應(yīng)的流速剛好是管道內(nèi)的平均流速，則其對(duì)應(yīng)的流量就是管道內(nèi)的準(zhǔn)確流量。但在實(shí)際應(yīng)用中管道內(nèi)的平均流速點(diǎn)是很難確定的。故為了盡可能的確保測(cè)量結(jié)果更靠近實(shí)際管道流量，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，主要采用合理的管內(nèi)測(cè)點(diǎn)選取+多點(diǎn)均衡測(cè)量求平均流速的方式。

從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果設(shè)備來(lái)看，該儀器測(cè)量結(jié)果可以滿(mǎn)足日常巡查維護(hù)天然氣計(jì)量?jī)x表的需求，作為在線比對(duì)儀器，幫助工作人員判斷計(jì)量?jī)x表的運(yùn)行情況，有效防止計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)大的偏差。5結(jié)束語(yǔ)便攜式皮托管流量計(jì)是基于現(xiàn)場(chǎng)需求而研制的一種便攜手持式流量計(jì)。該設(shè)備體積小巧，攜帶方便，能夠通過(guò)管道上的一個(gè)10mm的孔，直接測(cè)量出管道內(nèi)的壓力、溫度、流量等參數(shù)。上海自?xún)x公司可作為在線比對(duì)校準(zhǔn)儀器，在天然氣計(jì)量?jī)x表巡查維護(hù)中幫助工作人員判斷計(jì)量?jī)x表的運(yùn)行情況，有效防止計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)大的偏差。