傅敏 伍淑輝 宋曉健 范勁松

1西南油氣田公司燃氣分公司

2西南油氣田分公司重慶氣礦

天然氣作為綠色環(huán)保能源應(yīng)用越來越廣泛，它比空氣輕，相對密度小、熱值高，與空氣混合時遇明火或靜電火花會發(fā)生爆炸，爆炸極限為5.0%～15.0%，其易燃易爆等特性導(dǎo)致天然氣生產(chǎn)站場屬于不安全的處所[1]。而天然氣壓力、溫度的測量數(shù)據(jù)作為流量計算、生產(chǎn)運營過程監(jiān)控的重要參數(shù)，直接反映該測量系統(tǒng)、生產(chǎn)站場的運行狀態(tài)。根據(jù)爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求的相關(guān)規(guī)定，天然氣站場壓力、溫度的測量設(shè)備必須符合ⅡA類電氣設(shè)備的要求。

1 測量現(xiàn)狀

目前天然氣站場主要采用壓力變送器或數(shù)字壓力計、熱電阻和溫度變送器等測量設(shè)備對生產(chǎn)過程中的壓力、溫度參數(shù)進行測量和控制。因為天然氣具有易燃易爆等特性，所以天然氣集輸站場壓力、溫度測量系統(tǒng)中的儀表、儀表線路、電氣設(shè)備及材料都應(yīng)符合防爆要求。天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場大量采用本質(zhì)安全型儀表，其安裝和敷設(shè)應(yīng)滿足本質(zhì)安全回路[2]要求：回路中安全柵、隔離器等關(guān)聯(lián)設(shè)備的安裝位置應(yīng)在安全場所一側(cè)（圖1），以達到本質(zhì)安全防爆要求和降低功耗作用。一般在控制室設(shè)置專用的儀表端子柜（圖2），現(xiàn)場每一個測量點的儀表通過鎧裝線纜一一對應(yīng)連接到儀表端子柜相應(yīng)設(shè)備上。

圖1 現(xiàn)場測量儀表安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram for field measuring instrument installation

圖2 儀表端子柜Fig.2 Instrument terminal cabinet

1.1 測量系統(tǒng)信號通信

目前天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場能實現(xiàn)通信的壓力測量儀表大多采用HART 協(xié)議，少部分采用Brown 協(xié)議。溫度測量儀表中，一體化溫度變送器采用HART協(xié)議，熱電阻和熱電偶采用電纜線將電阻和電壓信號傳輸至溫度變送器后采用HART協(xié)議通信，都是支持的模擬信號通信（圖3）。測量點本質(zhì)安全回路組成為：測量儀表（電流信號、電壓信號或電阻信號）—SPD（保持原信號形式）—ISB（電壓信號）—模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換模塊（數(shù)字信號）—上、下位系統(tǒng)或支持數(shù)據(jù)遠傳網(wǎng)絡(luò)（IP/TCP）。

目前天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場多采用星型拓撲結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)[3]，其結(jié)構(gòu)相對簡單，便于管理，建網(wǎng)容易，是目前局域網(wǎng)普遍采用的一種拓撲結(jié)構(gòu)。使用雙絞線為傳輸介質(zhì)，將電流、電壓和電阻信號傳輸至儀表端子柜。每臺測量儀表通過各自的線纜連接到端子柜上，某根電纜出現(xiàn)問題時只會影響到一個測量回路的信號傳輸。但針對測量點多的站場，星型拓撲結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)電纜敷設(shè)較為繁雜，端子柜的接線端子、本質(zhì)安全回路配套的隔離式安全柵（或溫度變送器）和A/D轉(zhuǎn)換模塊因一一對應(yīng)關(guān)系，需求量相應(yīng)增加。

1.2 檢定和現(xiàn)場校準

為了保證測量的準確性，在測量設(shè)備投用前應(yīng)進行首檢，在使用過程中按周期或管理制度進行測量系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)場校準。壓力測量系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在使用中進行現(xiàn)場校準時，分別對壓力傳感器、ISB、A/D 轉(zhuǎn)換模塊進行校準，再校準整個壓力測量回路，根據(jù)測量點所在的計量系統(tǒng)確定其準確度。

同理，溫度測量系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在使用中進行現(xiàn)場校準，溫度傳感器（熱電阻或熱電偶）、一體化溫度變送器在實驗室進行室內(nèi)檢定，現(xiàn)場的隔離式安全柵[4]（或溫度變送器）、A/D轉(zhuǎn)換模塊和壓力測量系統(tǒng)的檢定方法相同。

圖3 測量系統(tǒng)模擬信號通信示意圖Fig.3 Simulated signal communication diagram of measurement system

1.3 測量系統(tǒng)不確定度影響

1.3.1 壓力測量

以某一處壓力測量點為例，使用準確度為0.2%的壓力變送器，配套準確度為0.1%的ISB和準確度為0.1%的A/D轉(zhuǎn)換模塊，完成該壓力測量點的數(shù)據(jù)測量、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸。其測量過程的不確定度影響分析如下[5]：

壓力測量點使用準確度為0.2%的壓力測量儀器，由此引出的不確定度分量u1按均勻分布計算

數(shù)據(jù)傳輸過程中信號轉(zhuǎn)換的不確定度由準確度為0.1%的ISB 和準確度為0.1%的A/D 轉(zhuǎn)換模塊形成，由ISB引出的不確定度分量u2按均勻分布計算

由A/D轉(zhuǎn)換模塊引出的不確定度分量u3按均勻分布公式（2）計算，得u3=0.06%。

因為不確定度分量均不相關(guān)，故其合成標準不確定度ur的計算為

其擴展不確定度為：U95=0.30%，k=2。

1.3.2 溫度測量

（1）以某一處溫度測量點為例，使用最大允許誤差（MPE）為±0.5 ℃的一體化溫度變送器，配套準確度為0.1%的ISB和準確度為0.1%的A/D轉(zhuǎn)換模塊，完成該溫度測量點的數(shù)據(jù)測量、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸。其測量過程的不確定度影響分析如下：

溫度測量點使用MPE為±0.5 ℃的一體化溫度變送器（溫度測量范圍-30～70 ℃，量程100 ℃），由此引出的不確定度分量u1按均勻分布計算

數(shù)據(jù)傳輸過程中信號轉(zhuǎn)換的不確定度由準確度為0.1%的ISB 和準確度為0.1%的A/D 轉(zhuǎn)換模塊形成。

由ISB引出的不確定度分量u2按均勻分布公式（2）計算，得u2=0.06%。

由A/D轉(zhuǎn)換模塊引出的不確定度分量u3按均勻分布公式（2）計算，得u3=0.06%。

因為不確定度分量均不相關(guān)，故其合成標準不確定度ur的計算為

其擴展不確定度為：U95=0.60%，k=2。

（2）同樣的溫度測量，使用MPE 為±0.5 ℃的溫度傳感器，配套準確度為0.2%的溫度變送器和準確度為0.1%的A/D轉(zhuǎn)換模塊，完成該溫度測量點的數(shù)據(jù)測量、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸。其測量過程的不確定度影響分析如下：

溫度測量點使用MPE為±0.5 ℃的溫度傳感器（溫度測量范圍-30～70 ℃，量程100 ℃），由此引出的不確定度分量u1按均勻分布公式（4）計算，得u1=0.29%。

數(shù)據(jù)傳輸過程中信號轉(zhuǎn)換的不確定度由準確度為0.2%的溫度變送器和準確度為0.1%的A/D 轉(zhuǎn)換模塊形成。

由溫度變送器引出的不確定度分量u2按均勻分布公式（1）計算，得u2=0.12%。

由A/D轉(zhuǎn)換模塊引出的不確定度分量u3按均勻分布公式（2）計算，得u3=0.06%。

因為不確定度分量均不相關(guān)，故其合成標準不確定度ur的計算為

其擴展不確定度為：U95=0.64%，k=2。

2 測量過程優(yōu)化研究

通過對測量現(xiàn)狀的分析，影響測量結(jié)果準確性的關(guān)鍵在于測量過程儀表、信息傳輸過程和信號轉(zhuǎn)換過程的準確度。

目前現(xiàn)場本質(zhì)安全回路中使用的壓力測量設(shè)備多采用諧振式、電容式和壓阻式的壓力變送器，其準確度等級已達到0.2 級以上；溫度測量多采用鉑電阻作為傳感器，準確度也達到A級，一體化溫度變送器的準確度為0.2級；信號隔離器為0.1級，A/D 轉(zhuǎn)換模塊的有效位超過12 位，準確度也達到0.1級。隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和嵌入計算機芯片等技術(shù)的發(fā)展，更高精度的測量儀表也逐步從特殊領(lǐng)域?qū)Ｓ孟蚴袌龌占?，但傳感器[6]精度越高其成本也越高。

近幾十年來數(shù)字通信的迅速發(fā)展，為工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞提供了有效的解決方案?，F(xiàn)有本質(zhì)安全回路信號傳輸均采用模擬信號傳輸，以數(shù)字信號替代了傳統(tǒng)4～20 mA[7]、1～5 V[8]模擬信號 傳輸，可有效保證數(shù)據(jù)傳輸無精度損失。

綜上所述，在保證測量結(jié)果精度前提下，通過改變測量底層數(shù)據(jù)通信方式，即應(yīng)用現(xiàn)場總線實現(xiàn)天然氣現(xiàn)場測量信息和上位系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向通信；將SPD、ISB 等相關(guān)功能模塊微型化、集成化，形成符合本質(zhì)安全要求的信號傳輸回路，是實現(xiàn)優(yōu)化測量過程簡單、可靠、經(jīng)濟實用的解決方案。

3 實施方案及應(yīng)用效果

3.1 實施方案

3.1.1 通信方式

用數(shù)字信號替代模擬信號傳輸，測量用儀表在傳感器輸出后直接將電壓和電阻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)總線傳輸至中央處理器進行計算和數(shù)據(jù)處理，后續(xù)過程均以數(shù)字信號方式輸出，如圖4所示。

圖4 壓力、溫度傳感器輸出電路示意圖Fig.4 Output circuit diagram of pressure and temperature sensors

3.1.2 回路模塊集成

將具有SPD、ISB 功能的微型化模塊高度集成，使其符合本質(zhì)安全要求的信號傳輸回路，如圖5 所示。采用一體化高浪涌防護隔離收發(fā)器實現(xiàn)通信浪涌抑制和隔離；通過隔離法采用光耦合器或磁耦合器實現(xiàn)電路防浪涌。

圖5 浪涌隔離收發(fā)器、光耦合器PCB板Fig.5 PCB board of surge isolated transceiver and optical coupler

3.1.3 線路敷設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場測量點分布情況，采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)替代模擬信號通信采用的點對點星型拓撲，通信介質(zhì)為同軸電纜，如圖6所示。其主要特點為：易于布線和維護；線纜結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；新增節(jié)點可在總線的任何點將其接入；總線型網(wǎng)絡(luò)的安裝比較簡單，對技術(shù)要求不高。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 保證測量精度

利用數(shù)字信號傳輸無精度損失的特性，從傳感器輸出就采用24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸[9]，且按本質(zhì)安全回路要求將具有SPD、ISB 功能的浪涌隔離收發(fā)器、光耦合器高度集成于儀表一體。新型測量儀表本身既滿足爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求，又具有測量系統(tǒng)的功能，其不確定度僅來源于傳感器的準確度。使用準確度為0.2%的壓力傳感器，壓力測量的標準不確定度為0.12%；使用MPE 為±0.5 ℃的溫度傳感器（量程100 ℃），溫度測量的標準不確定度為0.29%。

圖6 測量數(shù)字信號總線拓撲示意圖Fig.6 Topological schematic diagram for measuring digital signal bus

3.2.2 減少儀表維護工作量

為了保證測量數(shù)據(jù)的合法性，現(xiàn)場儀表需按規(guī)定周期進行校準。以1個測量點為例，傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)需要對單表、隔離器、ADC分別進行校準，再對測量回路進行聯(lián)校；優(yōu)化后只需對新型儀表進行校準，校準由以前的四個環(huán)節(jié)變成現(xiàn)在的一個環(huán)節(jié)，所需攜帶校準標準設(shè)備和校準工作量都減少了。

3.2.3 降低建設(shè)成本

線路敷設(shè)用總線型[10]拓撲替代傳統(tǒng)的星型拓撲，5 芯鎧裝線纜替代7 芯鎧裝電纜，新增節(jié)點可在總線的任何點接入，數(shù)據(jù)節(jié)點都連接在一個公共的通信介質(zhì)上，減少了電纜長度，節(jié)約了安裝費用，且易于布線和維護。

將具有SPD、ISB 功能的微型化模塊集成在同一PCB板上并與儀表一體化，符合本質(zhì)安全回路的儀表端子柜只需配置多協(xié)議轉(zhuǎn)換器和24～36 V穩(wěn)壓電源，縮小了占地空間，更利于控制室管理。

4 結(jié)束語

天然氣運行參數(shù)壓力和溫度的測量過程優(yōu)化，主要是利用傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和嵌入計算機芯片等技術(shù)，在滿足本質(zhì)安全回路要求的條件下，將SPD、ISB 功能模塊微型化、集成化，并與儀表一體化。儀表本身從傳感器后接入ADC 轉(zhuǎn)換直接輸出數(shù)字信號，既可以減少測量過程中因信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的準確度損失，又可以減少測量設(shè)備維護工作量，從而達到優(yōu)化天然氣壓力、溫度的測量過程，保證測量準確度，降低生產(chǎn)成本，提高管理效益的目的。