基于ZigBee技術的油田智能流量計研究

樊昌明，齊明俠，張 健，龐 罕

（中國石油大學機電工程學院，山東青島266555）

基于ZigBee技術的油田智能流量計研究

樊昌明，齊明俠，張 健，龐 罕

（中國石油大學機電工程學院，山東青島266555）

在傳統靶式流量計測量原理的基礎上，改進其結構，提高了測量精度和準確性。將無線近距離組網技術，即Zigbee技術應用到流量數據傳輸中，建立了簇（樹）狀網絡以及周期性模式和中斷模式2種工作模式，并對設計方案進行試驗測試。試驗結果表明，系統具有較高的測量精度，其誤差＜3%，無線傳輸鏈路可靠且有自動修復功能，對實現油田流量的實時監測具有重要意義。

智能流量計；Zigbee技術；實時監測系統；簇（樹）狀網絡

流量數據是石油、石化行業中的重要參數，直接決定了生產現場作業過程和生產工藝的制定。目前采用普通的機械式或電磁式流量計，存在計量數據不準確、易受外界干擾等問題；對于必須現場抄表時，有時會存在觀察位置困難或工況危險、惡劣的場合，難以實現實時監測。

本文設計的流量計采用懸臂梁結構并帶有保護裝置，適用于多種流體的流量監測，避免了外界干擾帶來的影響，測量準確、精度高；集成無線傳輸裝置利用無線網絡將測量數據傳送到監控室，實現對油田設備流量的集中、實時遠程監測，間接避免惡劣工況的影響，大幅降低現場人員的勞動強度，實現了油田建設由機械化向自動化、信息化和智能化的方向轉變［1－2］。

1 測量原理

智能流量計的核心測量單元設計借鑒了靶式流量計的測量原理，即流體流動沖擊靶片使之受力，力矩作用使粘貼在靶桿上的應變片產生變形進而影響電橋輸出，根據輸出電壓變化值及試驗標定值即可獲得流量數據。

流體流動時沖擊靶片使之受力，靶桿所受合力表示為

式中，F為靶片所受到的力，N；ρ為流體密度，kg／m3；v為流體平均流速，m／s；A為靶片的迎流面積，m2；k為阻力系數。

由式（1）可得到流體流量計算公式為

式中，Qm為流體的質量流量，kg／h；Qv為流體的體積流量，m3／h；α為流量系數，它與靶尺寸和雷諾數有關；β為靶片與測量管內徑之比；D為測量管內徑，mm。

由式（2）～（3）可知，只要測出流體對靶片的作用力，根據靶式流量計結構參數、流體特性即可求得管道內流體流量。

為了實現沖擊力F的測量，將靶片連接固定到貼有應變片的靶桿上（靶桿裝在保護管內并采用膜片密封，防止流體沖擊產生誤差），應變片構成全橋電路。當靶片受到沖擊作用時，帶動靶桿彎曲變形并使應變片產生拉伸或壓縮，應變為

式中，L為靶心到貼片處的距離，m；b為靶桿寬度，m；h為靶桿厚度，m。

則沖擊力F表達式為

假設此時電橋電源電壓為U，電橋兩端輸出電壓信號為ΔU，應變E可表示為

式中，K為電阻應變片的靈敏度系數。

將式（6）代入式（5）可得輸出電壓信號表示的沖擊力表達式為

由此可得質量流量、體積流量與電橋輸出電壓信號之間的關系為

式（8）～（9）中，α為流量系數，與靶尺寸和雷諾數有關，可通過試驗測得。當測量管內徑、靶片、靶桿及應變片選定后，除ΔU外其他各參數均為恒定值。因此根據電橋輸出電壓變化即可求得流量值。

2 流量計結構設計

傳統應變靶式流量計的杠桿機構及轉換單元的元件受溫度影響較大，不能耐高溫。由于可動元件多，系統易磨損變形，不能長期穩定工作，因此測量精度低，調校工作量大。此外，傳統流量計所測得的數據通常是以有線方式進行傳輸的，具有布線麻煩、設備隨意移動性不強等缺點，而且有線電纜容易損壞。為了改善現有流量計存在的不足，設計了新型智能流量計，結構如圖1。

圖1 新型流量計結構原理

為了提高測量精度，此方案盡可能減少可動部件，因此將應變片和靶板粘貼、固定到同一彈性體即靶桿上；為了避免流體沖擊靶桿產生誤差，設計了保護管，抵擋流體對靶桿的沖擊力，并在末端用膜片密封；為了實現流體流量的實時遠程監測、擺脫有線電纜的影響，設計了處理線路包用于放置信號處理電路、無線發射模塊及電源，能夠對測量點信號進行發射輸出。新型流量計對提高測量精度、實現多點信號的遠程實時監測具有重要意義。

3 采集與發射終端設計

信號采集與發射終端的結構如圖2所示，由應變片、放大電路、數據采集與處理電路、數據發射電路組成。

圖2 采集與發射終端系統結構

由于測量現場的溫度處于不斷變化之中，電橋采用全橋式接法以實現溫度補償。應變片的輸出信號比較小，介于0～4mV，因此需要經過放大器放大才能供采集系統采集。本文選用的AD627放大器是一款完整的微功耗儀表放大器，最大功耗僅為85μA，只需1個外部電阻即可設置增益［3］。

AD627的放大倍數計算公式為G＝5＋（200 kΩ／RG）。由于采集系統能夠采集的電壓介于0～3．3V，為了提高采集系統的分辨率并且為系統留有一定的空間，將應變片的輸出電壓放大到0～2V，所以放大倍數選定為500倍。根據公式計算可得RG＝200kΩ／（G－5）＝404Ω。

電橋輸出的電壓信號經過放大器放大后進入采集系統處理，經無線網絡發射輸出。由于組建Zigbee無線網絡采用的CC2530芯片集合了RF收發器的優良性能、業界標準的增強型8051CPU、系統可編程閃存、8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，因此只需一個無線芯片就能夠完成數據的采集處理與發射。同傳統的信號采集與發射系統相比，采用CC2530省去了數據采集與處理所用的處理器，這樣大幅降低了功耗，而且省去了中間數據接口，簡化了系統，降低成本了，增強了系統穩定性。

4 Zigbee網絡拓撲設計

本流量計采用了基于Zigbee技術的自組無線網絡，專注于低功耗、低成本、低速率、組網容易的近程無線網絡通信技術［4－7］。

ZigBee網絡以多個獨立的工作節點為依托，通過無線通信組成星狀、簇（樹）狀或網狀網絡，3種網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 Zigbee的3種網絡拓撲結構示意

在Zigbee網絡中，有三種類型設備：協調器、路由器和終端設備。每個網絡中，有且只有一個協調器，它負責選擇合適的信道，創建PAN。路由器處于網絡的中間層次，它必須支持其子設備的連接、路由表的維護、數據的轉發等。終端設備結構和功能簡單，一般由電源供電，大部分時間處于睡眠狀態，以最大程度地節約電能。

由于油田要進行流量測量的管道比較分散，而且只需要實現采集點與總控制端的通信即可（即各個采集點之間不需要通信），所以選擇簇（樹）狀網絡拓撲結構比較合適，既能有效地增大網絡的覆蓋范圍，又能節省網絡維護的費用。

在所組建的簇（樹）狀網絡中，協調器、路由器、終端設備的工作流程分別如圖4～6所示。

建立簇（樹）狀網絡過程如下：首先啟動協調器進行主動掃描、被動掃描，選擇合適的PAN標識符，建立網絡，將自身的短地址設置為0×0000，接收其他設備的連接，形成網絡結構的第一級。與協調器連接的設備都分配了一個16位的網絡地址，如果是終端設備，則分配1個唯一的16位網絡地址，如果路由器與之建立連接，則路由器會被分配1個地址塊——包含多個16位網絡地址。

路由器加入網絡后，根據協調器發送的信息，允許其他設備與其建立連接，成為它的子設備。這些子設備可以是終端設備，也可以是路由器。如果是路由器，則這些路由器又可以有自己的子設備，這樣就形成了多級樹簇網絡，有效地增大了網絡覆蓋面積。

終端設備啟動后，只需進行網絡掃描，選擇合適的父設備申請加入網絡，得到允許加入應答后就可以進入低功耗的休眠狀態，以便定時發送數據或由外部激發發送數據（例如工作人員通過按鍵觸發或流量異常時發送警告）。

圖4 協調器工作流程

圖5 路由器工作流程

圖6 終端設備工作流程

5 試驗及結果分析

試驗中用拉力計對懸臂梁末端施加不同壓力，電橋相應輸出不同的電壓信號，信號經放大、采集、發射后，最終在接收端顯示器上和電腦上顯示輸出測量的電壓值。將采集終端測得的拉力結果與對應的拉力計讀數進行比較，來檢驗試驗設備采集信號的精度及無線傳輸的可靠性。試驗所用裝置如圖7所示。

圖7 試驗所用測量裝置與組網模塊

試驗過程中實際加載到懸臂梁上的拉力值應為拉力計所顯示值的法向分量，但是試驗中懸臂梁的變形非常小，所以可以用拉力計的讀數近似代替其在梁上的法向分量。測試結果如表1所示。

表1 通過拉力計施加壓力與測得壓力結果比較

由表1可以看出，試驗系統的誤差＜3%，充分驗證了利用無線網絡遠程實時監測油田流量數據的可行性。

6 結論

1） 設計了1種用于油田流量監測的新型流量計，該流量計可動元件少且具有保護裝置，能夠充分提高測量精度和穩定性。

2） 設計的采集與發射終端能夠大幅降低功耗，并且結構簡單，有利于系統穩定性的提高；建立了樹簇形網絡，既能有效地增大網絡的覆蓋范圍，又能降低網絡的維護費用。組建的網絡有自愈功能，由于某種原因（如父設備斷電）造成1臺設備與協調器之間的連接鏈路發生故障，即設備與協調器失去連接后，設備會重新進行網絡掃描，選擇其他可行的路徑加入網絡，并且被重新分配1個新的網絡地址。保證了數據的可靠傳輸。

3） 試驗室模擬試驗表明，利用無線網絡遠程實時監測油田流量數據，誤差較低，并且具有良好穩定性。

［1］ 平 科，劉陸一，蔣 斌．原油計量新方法［J］．石油礦場機械，2000，29（2）：34－36．

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［3］ 李文仲，段朝玉．Zigbee 2006無線網絡與無線定位實戰［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2008：33．

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［5］ 蔣偉民，畢紅軍．五種主流近距離無線技術比較［J］．科技創新導報，2006（14）：4－6．

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［7］ 劉小軍，陳 旭．BP神經網絡在軋制機厚度控制AGCPID系統的應用［J］．重型機械，2011（6）：37－39．

Research of Zigbee Based Oil Field Intelligent Flowmeter

FAN Chang－ming，QI Ming－xia，ZHANG Jian，PANG Han
（College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

Change the flowmeter’s structure to improve the measurement precision and accuracy based on its traditional measurement principles．Zigbee wireless short transmission technology was applied to oil field flow data monitoring．Cluster（tree）network was established．In addition to this，two working modes were designed for the network：Periodic Mode and Interrupt Mode．Experimental results show that the system had good linearity，and transmission error would be controlled under 3percent．It also shows that the wireless transmission link is reliable and owns the ability of self－repairing．The research of Zigbee Based Oil Field Intelligent Flowmeter is of great significance to the real－time monitoring of oil flow rate．

intelligent flowmeter；Zigbee technology；real－time monitoring system；cluster tree network

book=60,ebook=60

TE937

：A

1001－3482（2012）06－0001－05

2011－12－09

國家大學生創新實驗計劃（091042527）

樊昌明（1986－），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要從事石油鉆采機械裝備控制系統研究，E－mail：fanchangming06＠163．com。