基于Zigbee技术的油田智能流量计研究

樊昌明，齐明侠，张 健，庞 罕

（中国石油大学机电工程学院，山东青岛２６６５５５） 

摘要：在传统靶式流量计测量原理的基础上，改进其结构，提高了测量精度和准确性。将无线近距离组网技术，即Zigbee技术应用到流量数据传输中，建立了簇（树）状网络以及周期性模式和中断模式２种工作模式，并对设计方案进行试验测试。试验结果表明，系统具有较高的测量精度，其误差＜３％，无线传输链路可靠且有自动修复功能，对实现油田流量的实时监测具有重要意义。

关键词：智能流量计；Zigbee技术；实时监测系统；簇（树）状网络

流量数据是石油、 石化行业中的重要参数，直接决定了生产现场作业过程和生产工艺的制定。目前采用普通的机械式或电磁式流量计，存在计量数据不准确、易受外界干扰等问题；对于必须现场抄表时，有时会存在观察位置困难或工况危险、恶劣的场合，难以实现实时监测。

本文设计的智能流量计采用悬臂梁结构并带有保护 装置，适用于多种流体的流量监测，避免了外界干扰带来的影响，测量准确、精度高；集成无线传输装置利用无线网络将测量数据传送到监控室，实现对油田设备流量的集中、实时远程监测，间接避免恶劣工况的影响，大幅降低现场人员的劳动强度，实现了油田建设由机械化向自动化、信息化和智能化的方向 转变

１ 测量原理

智能流量计的核心测量单元设计借鉴了靶式流量计的测量原理，即流体流动冲击靶片使之受力，力矩作用使粘贴在靶杆上的应变片产生变形进而影响电桥输出，根据输出电压变化值及试验标定值即可获得流量数据。

流体流动时冲击靶片使之受力，靶杆所受合力表示为

 

式中，Ｆ为靶片所受到的力，Ｎ；ρ为流体密度，ｋｇ／ｍ３；ｖ为流体平均流速，ｍ／ｓ；Ａ为靶片的迎流面积，ｍ２ ；ｋ为阻力系数。

由式（１ ）可得到流体流量计算公式为

 

式中，Ｑｍ为流体的质量流量，ｋｇ ／ｈ；Ｑｖ为流体的体积流量，ｍ３／ｈ；α为流量系数， 它与靶尺寸和雷诺数有关；β为靶片与测量管内径之比；Ｄ为测量管内径，ｍｍ。

 由式（２）～（３）可知，只要测出流体对靶片的作用力，根据靶式流量计结构参数、流体特性即可求得管道内流体流量。

为了实现冲击力Ｆ的测量，将靶片连接固定到贴有应变片的靶杆上（靶杆装在保护管内并采用膜片密封， 防止流体冲击产生误差），应变片构成全桥电路。当靶片受到冲击作用时，带动靶杆弯曲变形并使应变片产生拉伸或压缩，应变为

 

式中，Ｌ为靶心到贴片处的距离，ｍ；ｂ为靶杆宽度， ｍ；ｈ为靶杆厚度，ｍ。

则冲击力Ｆ表达式为

 

假设此时电桥电源电压为Ｕ，电桥两端输出电压信号为ΔＵ， 应变Ｅ可表示为

 

式中，Ｋ为电阻应变片的灵敏度系数。

将式（６）代入式（５）可得输出电压信号表示的冲击力表达式为

 

由此可得质量流量、体积流量与电桥输出电压 信号之间的关系为

 

式（８）～（９）中，α为流量系数，与靶尺寸和雷诺数有关，可通过试验测得。当测量管内径、靶片、靶杆及 应变片选定后，除ΔＵ外其他各参数均为恒定值。因此根据电桥输出电压变化即可求得流量值。

２ 流量计结构设计

 传统应变靶式流量计的杠杆机构及转换单元的元件受温度影响较大，不能耐高温。由于可动元件多， 系统易磨损变形，不能长期稳定工作，因此测量精度低， 调校工作量大。此外，传统流量计所测得的数据通常是以有线方式进行传输的，具有布线麻烦、设备随意移动性不强等缺点，而且有线电缆容易损坏。为了改善现有流量计存在的不足，设计了新型智能流量计，结构如图１。

 

为了提高测量精度， 此方案尽可能减少可动部件， 因此将应变片和靶板粘贴、固定到同一弹性体即靶杆上；为了避免流体冲击靶杆产生误差，设计了保护管， 抵挡流体对靶杆的冲击力，并在末端用膜片密封；为了实现流体流量的实时远程监测、摆脱有线电缆的影响，设计了处理线路包用于放置信号处理电路、无线发射模块及电源，能够对测量点信号进行发射输出。新型流量计对提高测量精度、实现多点信号的远程实时监测具有重要意义。

３ 采集与发射终端设计

信号采集与发射终端的结构如图２所示，由应变片、放大电路、数据采集与处理电路、数据发射电路组成。

 

 

在Zigbee网络中，有三种类型设备：协调器、路由器和终端设备。每个网络中，有且只有一个协调器，它负责选择合适的信道，创建ＰＡＮ。路由器处于网络的中间层次，它必须支持其子设备的连接、路由表的维护、数据的转发等。终端设备结构和功能简单，一般由电源供电，大部分时间处于睡眠状态，以最大程度地节约电能。

由于油田要进行流量测量的管道比较分散，而且只需要实现采集点与总控制端的通信即可（即各个采集点之间不需要通信），所以选择簇（树）状网络拓扑结构比较合适，既能有效地增大网络的覆盖范围，又能节省网络维护的费用。

在所组建的簇（树）状网络中，协调器、路由器、终端设备的工作流程分别如图４～６所示。

建立簇（树）状网络过程如下：首先启动协调器进行主动扫描、被动扫描，选择合适的ＰＡＮ标识符，建立网络，将自身的短地址设置为０×００００，接收其他设备的连接，形成网络结构的第一级。与协调器连接的设备都分配了一个１６位的网络地址，如果是终端设备，则分配１个唯一的１６位网络地址，如果路由器与之建立连接，则路由器会被分配１个地址块———包含多个１６位网络地址。

路由器加入网络后，根据协调器发送的信息，允许其他设备与其建立连接，成为它的子设备。这些子设备可以是终端设备，也可以是路由器。如果是路由器，则这些路由器又可以有自己的子设备，这样就形成了多级树簇网络，有效地增大了网络覆盖面积。

终端设备启动后，只需进行网络扫描，选择合适的父设备申请加入网络，得到允许加入应答后就可以进入低功耗的休眠状态，以便定时发送数据或由外部激发发送数据（例如工作人员通过按键触发或流量异常时发送警告） 。