基于ZigBee技术的油田智能流量计研究

　　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[1-2]。

　　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。