便攜式皮托管流量計用于天然氣計量巡檢的設(shè)計與應(yīng)用

基于皮托管測流原理，上海自儀公司采用方便現(xiàn)場操作的插入式測量方式，設(shè)計了一款集流量測量、流速測量、壓力測量、溫度測量、RFID定位識別、數(shù)據(jù)存儲查詢導(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)過實驗室測試及現(xiàn)場實測驗證，該儀器測量精度滿足現(xiàn)場巡檢需求。

1、引言

天然氣是非常重要的清潔優(yōu)質(zhì)能源，已廣泛地用于國民生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。在天然氣產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展過程中，天然氣能源的準(zhǔn)確有效計量，是科學(xué)管理能源，實現(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)易計量的天然氣流量儀表均是按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對照相應(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，在下一個檢定或校準(zhǔn)時間到來之前，很少再進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，對于重要終端用戶會有相關(guān)人員開展定期巡檢，以確保用氣安全以及天然氣計量儀表的測量準(zhǔn)確性。但在實際的巡檢過程中，由于沒有可靠的現(xiàn)場測試儀表，對于終端流量儀表的現(xiàn)場測量性能并不能進(jìn)行有效判別，只能依靠經(jīng)驗判斷，說服力低，易出現(xiàn)供需爭執(zhí)[8]。

2便攜式皮托管流量計的設(shè)計需求與實現(xiàn)

2.1測量原理

便攜式皮托管流量計基于皮托管測速原理而設(shè)計。皮托管作為流速測量的標(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為差壓△P，由差壓傳感器進(jìn)行測量[10-11]?！鱌的平方根與管道內(nèi)流體流速成線性關(guān)系，結(jié)合實時采集的被測介質(zhì)的溫度、壓力可以推算出流體的實時流速，測得管道內(nèi)的平均流速就可以換算出管道的瞬時工況流量與標(biāo)況流量[12]。

2.2需求設(shè)計

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

2.3設(shè)計實現(xiàn)

對于便攜式皮托管流量計整機(jī)架構(gòu)設(shè)計如圖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、無線收發(fā)電路、RFID識別電路、微處理器、存儲電路、顯示電路以及鍵盤等組成。

當(dāng)前皮托管按結(jié)構(gòu)主要分為L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型皮托管在保證測量準(zhǔn)確性的同時還不易堵塞[13]。便攜式皮托管流量計選擇的皮托管為S型皮托管。為了提升儀器的現(xiàn)場適應(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，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量探頭，使得在流量測量時，能夠通過該溫度探頭迅速、準(zhǔn)確感知管道內(nèi)介質(zhì)溫度，保持流量測量時的溫度實時準(zhǔn)確補償；另外，在保證溫度套管、高低壓取壓管共存的同時，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)場已有的測量孔或安裝孔，或者方便現(xiàn)場手動開孔。儀器的供電電路由本安電池組件、多級保護(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)行綜合運算并控制外圍各個功能模塊完成顯示、存儲、查詢、傳輸、感應(yīng)等操作。顯示電路以及鍵盤是儀器的人機(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。

無線收發(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，將存儲的測量數(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)電路用來感應(yīng)測點處的RFID識別卡，進(jìn)而自動讀出測點的相關(guān)信息，如測點地址名稱、測點號、管道內(nèi)徑等，并可生成巡檢路徑，防止作弊或漏檢。存儲電路采用EEPROM芯片，支持實時存儲與擦除，用來保存儀器實時測量的數(shù)據(jù)，可存儲近1000條數(shù)據(jù)。

采用皮托管測流速時，一般通過皮托管系數(shù)進(jìn)行修正，屬于線性修正，優(yōu)點是方法簡單，缺點是實際線性區(qū)范圍較小，測量范圍較大時，不能很好的修正。在跟設(shè)備設(shè)計過程中采用過零點的二次多項式修正，具體修正模型y=ax2+bx式中x為實測數(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)備在整個測量范圍內(nèi)數(shù)據(jù)都能較好的擬合。

3便攜式皮托管流量計的測量方式

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，弧度較大。由于現(xiàn)場管道安裝復(fù)雜（如有大量彎管、閥門等），很難達(dá)到理想的流速分布。皮托管流量計屬于插入式點式測量設(shè)備，其插入深度的不同，則測量結(jié)果也會存在差異，為了能夠準(zhǔn)確的測量出管道內(nèi)的流量，理想情況下，皮托管插入管道內(nèi)的測點出對應(yīng)的流速剛好是管道內(nèi)的平均流速，則其對應(yīng)的流量就是管道內(nèi)的準(zhǔn)確流量。但在實際應(yīng)用中管道內(nèi)的平均流速點是很難確定的。故為了盡可能的確保測量結(jié)果更靠近實際管道流量，在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，主要采用合理的管內(nèi)測點選取+多點均衡測量求平均流速的方式。

從實驗室測試結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果設(shè)備來看，該儀器測量結(jié)果可以滿足日常巡查維護(hù)天然氣計量儀表的需求，作為在線比對儀器，幫助工作人員判斷計量儀表的運行情況，有效防止計量結(jié)果出現(xiàn)大的偏差。5結(jié)束語便攜式皮托管流量計是基于現(xiàn)場需求而研制的一種便攜手持式流量計。該設(shè)備體積小巧，攜帶方便，能夠通過管道上的一個10mm的孔，直接測量出管道內(nèi)的壓力、溫度、流量等參數(shù)。上海自儀公司可作為在線比對校準(zhǔn)儀器，在天然氣計量儀表巡查維護(hù)中幫助工作人員判斷計量儀表的運行情況，有效防止計量結(jié)果出現(xiàn)大的偏差。