0 引言
   針對(dui)瓦斯抽放管(guan)道中流量計(ji)量裝置不同(tóng)的安裝環境(jing)，目前㊙️煤礦使(shǐ)用的流量計(ji)主要有 差壓(yā)式V錐流量計(jì) 和 威力巴流(liú)量計 、熱線式(shì)流量計。差壓(yā)式V錐流量計(jì)和威力巴流(liú)量計需要⛷️配(pèi)🆚置🐇信号處理(lǐ)儀表，但市場(chǎng)上配置的信(xìn)号處理儀表(biǎo)隻✨能采集1個(gè)差壓信号用(yòng)于計算瓦斯(si)抽放管道流(liú)🌈量，且沒有考(kao)慮環境條件(jian)變化對流量(liàng)的影響，不能(néng)進🔞行實時補(bu)償，造成流量(liàng)測量結果誤(wù)差較大。鑒此(cǐ)，一種具有動(dòng)态補償的差(chà)壓式瓦斯抽(chōu)放流量儀表(biao) ，可同時測試(shì)管道差壓、管(guan)道負壓、環境(jìng)絕壓、管道溫(wēn)度👨‍❤️‍👨、管道瓦斯(si)濃度5個環境(jìng)參數，并對管(guan)道瓦斯流量(liàng)測量🏒進行實(shí)時補償，提高(gāo)了流量測量(liang)的準确性。
1 測(ce)量原理及補(bǔ)償方法
1.1 傳感(gǎn)器測量原理(lǐ)
   差壓式V錐流(liu)量計和威力(lì)巴流量計是(shì)由傳感器和(he)信号處理儀(yí)😍表組成的測(cè)量裝置。傳感(gan)器産生一個(ge)依據流量大(dà)小而變化的(de)差壓。具有動(dong)态補償的差(cha)壓式瓦🈲斯抽(chou)放流量儀表(biǎo)采集相應管(guǎn)🌍道差壓、管道(dao)負壓、環境絕(jué)壓、管道溫度(du)和管道瓦斯(si)濃度5個環境(jing)參數，用于計(jì)算流量。常用(yong)的差壓式流(liu)量計體積流(liu)量計算公式(shi)爲

式中：QV爲體(tǐ)積流量；k爲傳(chuán)感器的結構(gou)系數；Δp爲傳感(gan)器檢測㊙️的差(cha)壓；ρ爲被測介(jiè)質的密度。
   在(zai)實際生産和(hé)測試中，k，Δp和ρ都(dōu)可能造成不(bú)同程度的測(ce)量誤差。其中(zhong)k取決于結構(gou)加工精密度(dù)，出廠前通過(guò)水流量計量(liàng)🛀裝置實流标(biao)定确定；Δp取決(jue)于差壓傳📧感(gǎn)器精🆚度，出廠(chang)前精度💞通過(guo)壓力計量标(biao)校裝置标🔴校(xiao)；ρ取決于現場(chang)測試介質狀(zhuàng)态，需要根據(jù)介質狀态的(de)變化進行實(shí)時動态補償(chang)。
   瓦斯抽放管(guan)道内氣體壓(ya)力變化範圍(wei)一般爲-80～20kPa，溫度(dù)變化範圍爲(wèi)0～40℃。管道内氣體(tǐ)一般由空氣(qì)、CH4及其他烷類(lèi)氣體組成，空(kōng)氣和CH4比例占(zhan)99%以上，因此瓦(wa)斯抽放管道(dao)🔞内其他氣體(tǐ)組💋分幾乎可(kě)以忽略不計(ji)，但空氣和CH4的(de)組分比例在(zài)不停變化。由(yóu)此可見，介質(zhi)密度動态補(bu)償需要從氣(qi)🐇體壓力、溫度(dù)和濃度3方面(mian)來考慮。
1.2 儀表(biǎo)補償方法
理(li)想氣體狀态(tài)方程：

式中：P爲(wei)絕壓；V爲體積(ji)；n爲物質的量(liang)；R爲比例常數(shù)；T爲溫度。
摩爾(er)質量計算公(gōng)式：
M＝m/n （3）
式中：M爲摩(mo)爾質量；m爲質(zhi)量。
密度計算(suàn)公式：
ρ＝m/V （4）
由式（2）—式(shi)（4）可得
ρ＝PM/RT （5）
由式（1）和(he)式（5）可得

由于(yú)管道内氣體(ti)主要由CH4和空(kōng)氣組成，所以(yǐ)混合氣😄體的(de)摩爾質量爲(wei)
M＝MK（1－C）＋MJC    （7）
式中：MK爲空氣(qi)的摩爾質量(liàng)；MJ爲CH4的摩爾質(zhi)量；C爲管道氣(qì)🔴體中CH4比例。
由(yóu)式（6）和式（7）可得(de)

式（8）爲管道内(nei)氣體體積流(liu)量實時動态(tài)補償模型，包(bāo)含了氣體⚽溫(wēn)度、壓力和濃(nong)度補償，可以(yǐ)完全兼容應(ying)用在瓦斯抽(chou)放🌈系統中，使(shǐ)整個流量計(jì)量裝置準确(que)🥵度達到1級。針(zhen)對現場不能(néng)采集管道氣(qi)體濃度信号(hào)🚶的特殊情況(kuàng)，如果濃度變(biàn)化範㊙️圍不大(da)，可在儀表參(cān)數中設置管(guan)道濃度定值(zhí)來進行補償(cháng)。
2 硬件和軟件(jian)設計
2.1 硬件設(she)計
2.1.1 硬件結構(gòu)
   具有動态補(bu)償的差壓式(shi)瓦斯抽放流(liú)量儀表的硬(yìng)🍓件❗結構如圖(tú)1所示。該儀表(biǎo)具有4個傳感(gan)器模塊，分别(bie)爲差壓、絕壓(ya)、表🔅壓和溫度(du)✌️檢測模塊，其(qi)中差壓和絕(jué)壓檢測模塊(kuài)輸出信号經(jīng)外部16位A/D模塊(kuài)AD7705轉換後通過(guò)🏒SPI總線由MCU采集(jí)處理計算，溫(wēn)度和表壓檢(jiǎn)測模塊輸出(chu)🌈信号由MCU内部(bu)10位A/D轉換器采(cǎi)⭐集轉換後參(can)與計算。CH4信号(hao)🙇🏻來自瓦斯抽(chou)☔放裝置内的(de)CH4傳感器，MCU通過(guò)頻率信号采(cǎi)集電路采集(ji)其輸入的頻(pín)率進行計算(suan)，最終計算的(de)流量結果通(tōng)過LCD顯示👣。在實(shí)際使用中通(tong)‼️信方式和管(guan)徑等參數可(ke)通過紅外遙(yáo)控器直接設(she)置。另外，電源(yuan)處理模塊增(zeng)加了限流和(he)軟啓動處理(li)；信号傳輸分(fèn)爲總線和頻(pín)率2種數據傳(chuán)輸方式，并增(zeng)加光耦隔離(li)處理，提高抗(kàng)幹擾性。

2.1.2 壓力信号(hào)處理
   差壓、表(biǎo)壓和絕壓3路(lù)信号處理模(mó)塊基本一緻(zhi)，選用🚩1210A系列🧡電(dian)流型壓力傳(chuán)感器模塊。壓(yā)力測量範圍(wei)内1.25mA電🤟流輸入(rù)，0～40mV電壓信号輸(shu)出。輸出信号(hào)經過運算放(fàng)大器AD8572及外圍(wei)電路器件進(jìn)行放大處理(li)，最終差壓（量(liàng)程0～10kPa）和絕壓（量(liàng)程0～200kPa）信号通過(guò)外部16位A/D處💰理(li)，表壓（量程－100～0kPa）信(xìn)号通過MCU内部(bù)10位A/D轉換。A/D轉換(huàn)精度滿足差(cha)壓準确度等(deng)級0.5和分辨率(lǜ)0.02kPa、絕壓和表壓(yā)準确度等級(ji)1和分辨率0.3kPa的(de)要求。
2.1.3 頻率信(xin)号采集
   CH4頻率(lü)信号采集電(dian)路如圖2所示(shi)。IN＿CH4＋和IN＿CH4－分别爲CH4頻(pin)率信号🚩正負(fù)輸入端，經過(guò)光耦TLP521隔離，輸(shū)出信号PWM＿IN直接(jiē)接入MCU進行采(cǎi)集處理。

2.2 軟件設(she)計
   瓦斯抽放(fang)管道内氣體(tǐ)介質比較特(tè)殊，體現在以(yi)下方面：①氣體(tǐ)介質由多種(zhong)氣體混合而(er)成；②氣體介質(zhì)受🔴抽放🔆管道(dào)前端鑽孔影(ying)響，水汽成分(fen)會瞬間增大(dà)；③現場管道布(bu)置不合理會(huì)導緻管道内(nei)待測氣流不(bú)穩🌈定。這些情(qing)況都會影響(xiǎng)傳感器數據(ju)采集的穩定(ding)性，造成測量(liàng)結果漂動或(huò)瞬時失真。硬(ying)件🔆上無法解(jiě)決該問題，因(yīn)此在軟件上(shang)采用中📐位值(zhí)平均濾波算(suan)法💋，該算法融(róng)合了中位值(zhi)濾❤️波算法和(hé)🔆算術平均濾(lǜ)波☔算法的優(you)點，可對偶❓然(ran)出現的脈沖(chong)幹擾起到很(hěn)好💯的抑制作(zuò)⛱️用，同時也可(kě)✌️提高信号的(de)平滑度。
   軟件(jian)在實用性方(fāng)面增加了以(yǐ)下設計：①考慮(lǜ)到現場防爆(bào)要求，儀表不(bú)能開蓋，采用(yong)紅外遙控按(àn)鍵方式設置(zhi)儀表參數；②根(gen)據現場不同(tong)分站通信格(gé)式的要求，設(she)計基于标準(zhun)Modbus RTU協議的RS485和200～1000kHz頻(pin)率輸出的2種(zhong)通信方式；③根(gēn)據現場管道(dao)内氣流複雜(za)度，增加濾波(bō)次數設置功(gōng)能；④根據客戶(hù)使用習慣，增(zeng)加工況流量(liàng)和标況流量(liang)換算以及顯(xiǎn)示功能；⑤根據(ju)現場特殊情(qíng)況♌，增加單參(cān)數和多參數(shu)補償設置功(gōng)能。
具有動态(tai)補償的差壓(ya)式瓦斯抽放(fang)流量儀表的(de)主程序流❤️程(cheng)如圖3所示。

3 性能(néng)測試
   爲驗證(zhèng)具有動态補(bǔ)償的差壓式(shì)瓦斯抽放流(liu)量儀表在水(shui)☁️汽較大、直管(guǎn)段短、有振動(dong)環境下的補(bu)償性能，将該(gāi)流量儀🔴表配(pei)合V錐流量計(jì)安裝于2套不(bú)同的🌈瓦斯抽(chōu)放管道。第1套(tào)爲貴州小牛(niu)煤礦地面抽(chou)放泵站附近(jin)DN700抽放管道，該(gai)管道距離抽(chou)放泵較🎯近，伴(bàn)有一定振動(dong)，且直管段不(bú)足，流🛀量範圍(wéi)爲0～300m3/min；第2套爲貴(guì)州米籮煤礦(kuàng)井下回風巷(xiang)DN300抽放管道，該(gāi)管道經常伴(ban)有突然的水(shui)流流過，流量(liàng)範圍爲0～80m3/min。每套(tào)瓦斯抽放管(guǎn)道前端50cm處焊(hàn)接測試孔用(yòng)于安裝标準(zhun)流量計測試(shì)，标準流量計(jì)采用認可度(dù)較🍉高的熱式(shi)質量流量計(jì)。儀表在2套管(guǎn)道上的實測(cè)數據分别見(jian)表1和表2。

   從表(biǎo)1和表2可看出(chū)，若不采用溫(wēn)度、壓力和瓦(wǎ)斯濃度補償(cháng)，小牛🔴煤礦的(de)流量測試實(shí)時相對誤差(cha)爲29.6%，米籮💔煤礦(kuàng)的流🥵量測㊙️試(shi)實時相對誤(wu)差爲21.7%，補償後(hòu)的數據和标(biao)準流量偏差(chà)在準确度1級(jí)以内。目前爲(wèi)止，具有動态(tai)補償的差壓(ya)式瓦斯抽放(fang)流量儀表已(yǐ)穩定運行2個(gè)月，沒有出現(xian)由幹擾🔴引起(qǐ)的數據波動(dòng)。
4 結語
   介紹了(le)一種差壓式(shì)流量儀表測(ce)量瓦斯抽放(fàng)管道氣體🔆流(liú)量的補償公(gong)式及方法，給(gei)出了該儀表(biǎo)的軟硬件設(shè)計。現場測試(shì)結果表明，該(gāi)儀表可從氣(qì)體溫🌐度、壓力(lì)和濃度3方面(mian)對瓦斯抽♈放(fang)管道氣體流(liu)量進行實時(shí)補償，減小了(le)管道流量測(cè)量誤差，能較(jiào)好地抑制現(xian)場幹擾對數(shu)據采集造成(chéng)的波動。

以上(shang)内容來源于(yú)網絡，如有侵(qīn)權請聯系即(jí)删除!