便攜式皮托管流量計用于天然氣計量巡檢的設(shè)計與應用

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)存儲查詢導出導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，天然氣能源的準確有效計量，是科學管理能源，實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益的重要手段。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準規(guī)定，對照相應的周期進行檢定或校準，但絕大多數(shù)采取的是離線校準[1-7]。儀器在檢定或校準后被安裝到現(xiàn)場，在下一個檢定或校準時間到來之前，很少再進行檢定或校準，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準器具，廣泛應用在風洞、流量標準裝置中。流體在皮托管迎風面產(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。迎風面取壓孔為高壓取壓孔，背風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況流量[12]。

2.2需求設(shè)計

結(jié)合天然氣計量應用特點、使用需求以及現(xiàn)場應用環(huán)境，便攜式皮托管流量計應具備如下特征：1）同時測量顯示管道內(nèi)介質(zhì)標況流量、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，進而對數(shù)據(jù)導入導出；7)不需要專門的測量工藝與裝備，現(xiàn)場適應能力強；8）測量準確度要高，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架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。整機由皮托管、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，不適合應用在濕度大、粉塵大的管道中，而S型皮托管在保證測量準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)場適應能力強以及應用方便性，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、感應等操作。顯示電路以及鍵盤是儀器的人機界面，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)電路采用藍牙4.0技術(shù)，用與和上位機機軟件通訊，將存儲的測量數(shù)據(jù)上傳到PC機或者將設(shè)置的數(shù)據(jù)下放給儀器。RFID感應電路用來感應測點處的RFID識別卡，進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，當雷諾數(shù)較小時，弧度較大。由于現(xiàn)場管道安裝復雜（如有大量彎管、閥門等），很難達到理想的流速分布。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)的測點出對應的流速剛好是管道內(nèi)的平均流速，則其對應的流量就是管道內(nèi)的準確流量。但在實際應用中管道內(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儀器，在天然氣計量儀表巡查維護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。