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）

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）

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。

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。

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。

图1 新型流量计结构原理

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。

图2 采集与发射终端系统结构

由于测量现场的温度处于不断变化之中，电桥采用全桥式接法以实现温度补偿。应变片的输出信号比较小，介于0～4mV，因此需要经过放大器放大才能供采集系统采集。本文选用的AD627放大器是一款完整的微功耗仪表放大器，最大功耗仅为85μA，只需1个外部电阻即可设置增益［3］。

AD627的放大倍数计算公式为G＝5＋（200 kΩ／RG）。由于采集系统能够采集的电压介于0～3．3V，为了提高采集系统的分辨率并且为系统留有一定的空间，将应变片的输出电压放大到0～2V，所以放大倍数选定为500倍。根据公式计算可得RG＝200kΩ／（G－5）＝404Ω。

电桥输出的电压信号经过放大器放大后进入采集系统处理，经无线网络发射输出。由于组建Zigbee无线网络采用的CC2530芯片集合了RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051CPU、系统可编程闪存、8路输入和可配置分辨率的12位ADC，因此只需一个无线芯片就能够完成数据的采集处理与发射。同传统的信号采集与发射系统相比，采用CC2530省去了数据采集与处理所用的处理器，这样大幅降低了功耗，而且省去了中间数据接口，简化了系统，降低成本了，增强了系统稳定性。

4 Zigbee网络拓扑设计

本流量计采用了基于Zigbee技术的自组无线网络，专注于低功耗、低成本、低速率、组网容易的近程无线网络通信技术［4－7］。

ZigBee网络以多个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、簇（树）状或网状网络，3种网络拓扑结构如图3所示。

图3 Zigbee的3种网络拓扑结构示意

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）。

图4 协调器工作流程

图5 路由器工作流程

图6 终端设备工作流程

5 试验及结果分析

试验中用拉力计对悬臂梁末端施加不同压力，电桥相应输出不同的电压信号，信号经放大、采集、发射后，最终在接收端显示器上和电脑上显示输出测量的电压值。将采集终端测得的拉力结果与对应的拉力计读数进行比较，来检验试验设备采集信号的精度及无线传输的可靠性。试验所用装置如图7所示。

图7 试验所用测量装置与组网模块

试验过程中实际加载到悬臂梁上的拉力值应为拉力计所显示值的法向分量，但是试验中悬臂梁的变形非常小，所以可以用拉力计的读数近似代替其在梁上的法向分量。测试结果如表1所示。

表1 通过拉力计施加压力与测得压力结果比较

由表1可以看出，试验系统的误差＜3%，充分验证了利用无线网络远程实时监测油田流量数据的可行性。

6 结论

1） 设计了1种用于油田流量监测的新型流量计，该流量计可动元件少且具有保护装置，能够充分提高测量精度和稳定性。

2） 设计的采集与发射终端能够大幅降低功耗，并且结构简单，有利于系统稳定性的提高；建立了树簇形网络，既能有效地增大网络的覆盖范围，又能降低网络的维护费用。组建的网络有自愈功能，由于某种原因（如父设备断电）造成1台设备与协调器之间的连接链路发生故障，即设备与协调器失去连接后，设备会重新进行网络扫描，选择其他可行的路径加入网络，并且被重新分配1个新的网络地址。保证了数据的可靠传输。

3） 试验室模拟试验表明，利用无线网络远程实时监测油田流量数据，误差较低，并且具有良好稳定性。

［1］ 平 科，刘陆一，蒋 斌．原油计量新方法［J］．石油矿场机械，2000，29（2）：34－36．

［2］ 赵仕俊，张仲宜，赵京坤．数字化钻井系统的构建及相关问题研究［J］．石油矿场机械，2005，34（1）：16－19．

［3］ 李文仲，段朝玉．Zigbee 2006无线网络与无线定位实战［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2008：33．

［4］ Zigbee Specification．Zigbee Document 053474r06［Z］．Version 1．0．

［5］ 蒋伟民，毕红军．五种主流近距离无线技术比较［J］．科技创新导报，2006（14）：4－6．

［6］ 赵仕俊，张朝晖，丁为．基于ZigBee技术的石油钻井现场无线传感器网络研究［J］．石油矿场机械，2009，38（7）：15－19．

［7］ 刘小军，陈 旭．BP神经网络在轧制机厚度控制AGCPID系统的应用［J］．重型机械，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

国家大学生创新实验计划（091042527）

樊昌明（1986－），男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，主要从事石油钻采机械装备控制系统研究，E－mail：fanchangming06＠163．com。