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[9]。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]。其具體計算模型如下：

       式中：v—測點流速；K—修正系數(shù)；△P—差壓；ρ—介質(zhì)密度。

       Q=vS（2）

       式中：Q—工況體積流量；S—被測處管道的截面積。

 

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，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；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(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(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，具體修正模型為:

       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+b2x

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，圖（2a）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，如圖2（b）所示。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[14]。

       常用的取點方法為等面積分環(huán)法和對數(shù)線性法，等面積分環(huán)法比較好理解，如圖3所示，將圓分成多個等面積的圓環(huán)，圓環(huán)中的點代表了這一環(huán)的平均流速，然后將所有點求平均值�？梢钥闯�，取點較多時，精度較高，特別是對于紊流。皮托管流量計是按照對數(shù)線性法取點，該方法在等面積分環(huán)法的基礎(chǔ)上增加了梯度考慮，取點更合理，現(xiàn)場非常多可以選取管道直徑上的10個點進(jìn)行測量并取平均。

4便攜式皮托管流量計的測試與應(yīng)用

       在將便攜式皮托管流量計應(yīng)用到現(xiàn)場以前，為了保證儀器的測量準(zhǔn)確性，首先先將儀器在流量標(biāo)準(zhǔn)實驗室進(jìn)行了校準(zhǔn)與測試。實驗裝置的標(biāo)準(zhǔn)表為音速噴嘴流量計，裝置整體不確定度為0.3%[15]。儀器采用1點測量法的插入深度進(jìn)行安裝，實驗室測試如圖4所示圖片，測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

 

       從實驗室測試結(jié)果可以看出，在標(biāo)況流速測量為（0.5～20）m/s內(nèi)范圍，精度等級可以達(dá)到2級；絕對壓力測量在（60～150）kPa范圍內(nèi)，測量誤差高于0.5%；溫度測量在（-10～50）℃范圍內(nèi)，測量誤差不超過0.5℃。另外，為了驗證便攜式皮托管流量計在現(xiàn)場的測量性能，專門選擇了烏魯木齊市多個剛剛進(jìn)行了流量計檢定的典型天然氣用戶（2個酒店和1個單位食堂）作為試點，進(jìn)行了試用測試。

       皮托管流量計通過現(xiàn)場天然氣管道機械式壓力表的檢測孔進(jìn)行測試。直管段足夠長的測試點，采用的是一點測量法，直管段較短的測點采用的是多點測量法�，F(xiàn)場測量安裝過程及示意圖如圖5所示，測試結(jié)果如表3所示。

       該測量結(jié)果滿足測流員日常巡檢的測量需求，能夠幫助他們排查、分辨在線式天然氣測量儀表是否發(fā)生了故障或者計量出現(xiàn)巨大偏差的情況。

 

       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)。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。