0 引(yǐn)言
   針對(duì)瓦斯抽(chou)放管道(dào)中流量(liàng)計量裝(zhuāng)置不同(tong)的安裝(zhuāng)環境🥰，目(mù)前煤礦(kuang)使用的(de)流量計(ji)主要有(you) 差壓式(shi)V錐流量(liàng)計 和 威(wei)力巴流(liú)量計 、熱(re)線式流(liu)量計。差(cha)壓式V錐(zhui)流量計(ji)和威力(lì)巴流量(liang)計需要(yao)配置信(xin)号處理(lǐ)儀表，但(dan)市場上(shàng)配置的(de)信号處(chù)🏃🏻‍♂️理儀表(biao)隻能采(cai)集1個差(cha)壓信号(hào)用于計(jì)算瓦斯(sī)抽放☁️管(guǎn)道流量(liàng)，且沒有(you)考慮環(huan)境條件(jian)變化對(duì)流量的(de)影響，不(bu)能進行(háng)實時補(bu)償，造成(chéng)流量測(cè)量結果(guǒ)誤差較(jiao)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻大。鑒此(cǐ)，一種具(ju)有動态(tài)補償的(de)差壓式(shi)瓦斯抽(chōu)放流量(liang)儀表 ，可(ke)同時測(ce)試管道(dao)差壓、管(guǎn)道負壓(yā)、環境絕(jué)壓、管道(dào)溫度、管(guǎn)道🐉瓦⛹🏻‍♀️斯(sī)濃度5個(ge)環境參(can)數，并對(duì)管道瓦(wǎ)斯流量(liang)測量進(jin)行實時(shi)補償，提(tí)高了流(liu)量測量(liàng)的準确(què)性。
1 測量(liàng)原理及(ji)補償方(fang)法
1.1 傳感(gǎn)器測量(liàng)原理
   差(cha)壓式V錐(zhui)流量計(ji)和威力(lì)巴流量(liàng)計是由(yóu)傳感器(qi)和💃信号(hào)處理🔞儀(yi)表組成(cheng)的測量(liàng)裝置。傳(chuán)感器産(chǎn)生一個(gè)✊依據流(liu)量大小(xiao)而變🚩化(hua)的差壓(yā)。具有動(dòng)态補償(cháng)的差壓(ya)式瓦斯(sī)抽放流(liu)量儀表(biǎo)采集相(xiang)應管道(dào)差壓、管(guǎn)道🙇‍♀️負壓(yā)、環境☀️絕(jué)壓、管道(dào)溫度和(hé)管🌂道瓦(wǎ)斯濃度(dù)5個環境(jing)參數，用(yòng)于計算(suàn)流量。常(cháng)用的差(chà)壓式流(liu)🌈量計體(tǐ)積流👉量(liàng)計算公(gong)式爲

式(shi)中：QV爲體(ti)積流量(liang)；k爲傳感(gǎn)器的結(jié)構系數(shù)；Δp爲傳感(gan)器🈲檢測(cè)的差壓(ya)；ρ爲被測(ce)介質的(de)密度。
   在(zài)實際生(shēng)産和測(cè)試中，k，Δp和(he)ρ都可能(neng)造成不(bu)同程度(dù)的測量(liang)誤差。其(qí)👌中k取決(jué)于結構(gòu)加工精(jing)密度，出(chu)廠前通(tong)過水流(liú)量計量(liàng)✉️裝置實(shi)流标定(ding)确定；Δp取(qǔ)決于差(chà)壓傳感(gǎn)器精👣度(du)，出廠前(qian)精度通(tong)過壓力(lì)計量标(biao)校裝置(zhi)标校；ρ取(qu)決于現(xiàn)場測試(shi)🏃‍♀️介質狀(zhuang)态，需要(yao)根據介(jie)質狀态(tài)的變化(hua)進行🚶實(shí)時動态(tai)補償。
   瓦(wǎ)斯抽放(fàng)管道内(nei)氣體壓(ya)力變化(huà)範圍一(yi)般爲-80～20kPa，溫(wen)度變化(hua)範⭕圍爲(wèi)0～40℃。管道内(nèi)氣體一(yī)般由空(kong)氣、CH4及其(qi)他烷類(lei)🔴氣體組(zu)成，空氣(qi)和CH4比例(lì)占99%以上(shang)，因此瓦(wǎ)斯抽放(fang)管道内(nèi)其他氣(qi)體組分(fèn)幾乎可(ke)以忽略(lue)不計，但(dan)空氣和(hé)CH4的組分(fèn)比例在(zài)不停變(bian)化。由此(ci)可🔴見，介(jiè)質密度(du)動态補(bǔ)償需要(yào)從氣體(tǐ)壓力、溫(wen)度和濃(nóng)度3方面(mian)來考慮(lǜ)。
1.2 儀表補(bu)償方法(fǎ)
理想氣(qì)體狀态(tai)方程：

式(shi)中：P爲絕(jué)壓；V爲體(tǐ)積；n爲物(wu)質的量(liàng)；R爲比例(lì)常數；T爲(wèi)溫度。
摩(mó)爾質量(liàng)計算公(gōng)式：
M＝m/n （3）
式中(zhong)：M爲摩爾(er)質量；m爲(wèi)質量。
密(mi)度計算(suan)公式：
ρ＝m/V （4）
由(yóu)式（2）—式（4）可(ke)得
ρ＝PM/RT （5）
由式(shì)（1）和式（5）可(ke)得

由于(yú)管道内(nei)氣體主(zhǔ)要由CH4和(hé)空氣組(zu)成，所以(yi)混合氣(qi)🔴體的摩(mó)爾質量(liang)爲
M＝MK（1－C）＋MJC    （7）
式中(zhong)：MK爲空氣(qi)的摩爾(ěr)質量；MJ爲(wèi)CH4的摩爾(er)質量；C爲(wèi)管道氣(qi)㊙️體💃🏻中CH4比(bi)例。
由式(shì)（6）和式（7）可(ke)得

式（8）爲(wei)管道内(nèi)氣體體(tǐ)積流量(liàng)實時動(dong)态補償(chang)模型，包(bāo)含了氣(qi)❓體溫度(du)、壓力和(he)濃度補(bu)償，可以(yi)完全兼(jian)容應用(yong)在❌瓦斯(sī)✔️抽放系(xi)統中，使(shi)整個流(liu)量計量(liang)裝置準(zhun)确度達(da)到1級。針(zhēn)對現場(chǎng)不能采(cǎi)集管道(dao)氣體濃(nóng)度信号(hao)的特殊(shu)情👄況，如(ru)果濃度(dù)變化範(fan)圍不大(da)，可🎯在儀(yí)表參✏️數(shu)中設置(zhi)管道濃(nong)度定值(zhí)⁉️來進行(háng)補償🏃‍♂️。
2 硬(yìng)件和軟(ruan)件設計(ji)
2.1 硬件設(she)計
2.1.1 硬件(jian)結構
   具(jù)有動态(tai)補償的(de)差壓式(shì)瓦斯抽(chou)放流量(liang)儀表的(de)硬件結(jie)構如圖(tu)1所示。該(gai)儀表具(jù)有4個傳(chuan)感器模(mo)塊，分别(bie)🥵爲差壓(yā)、絕壓、表(biao)壓和溫(wēn)度檢測(ce)模塊，其(qí)中差壓(ya)和絕壓(ya)檢測模(mo)塊輸出(chū)信号經(jing)外部16位(wei)A/D模塊AD7705轉(zhuan)換後通(tong)過SPI總線(xian)由MCU采集(jí)處理計(ji)算，溫度(du)和👅表壓(yā)檢測模(mó)塊輸出(chu)信号由(yóu)MCU内部10位(wei)A/D轉換器(qì)采集轉(zhuan)換後參(can)與計算(suàn)。CH4信号🔞來(lai)自瓦斯(si)抽放裝(zhuang)置内的(de)CH4傳感器(qì)，MCU通過頻(pín)率信号(hao)采♍集電(diàn)路采🔞集(jí)其輸入(ru)的頻率(lü)進行計(ji)算，最終(zhōng)計算的(de)流⁉️量結(jié)果通過(guo)LCD顯示。在(zài)實際使(shǐ)用中通(tōng)信方式(shì)和管徑(jìng)等參數(shù)可通過(guo)紅外遙(yao)控器❌直(zhí)接設置(zhì)。另外，電(diàn)源處理(lǐ)模塊增(zēng)加了🌍限(xian)流和軟(ruǎn)啓動處(chu)理；信号(hao)傳輸分(fen)爲總線(xiàn)和頻率(lǜ)2種數據(jù)傳輸方(fāng)式，并增(zēng)加光耦(ou)隔離處(chù)理，提高(gāo)抗幹擾(rao)性。

2.1.2 壓力信(xin)号處理(li)
   差壓、表(biǎo)壓和絕(jue)壓3路信(xin)号處理(lǐ)模塊基(ji)本一緻(zhi)，選用1210A系(xi)🏒列電流(liú)型壓力(lì)傳感器(qi)模塊。壓(ya)力測量(liàng)範圍内(nèi)1.25mA電流輸(shū)入，0～40mV電壓(ya)信号輸(shu)🚶‍♀️出。輸出(chū)信号經(jīng)過運算(suàn)放大器(qì)AD8572及外圍(wei)電路器(qì)件進行(hang)放大處(chù)理，最終(zhong)差壓（量(liang)程0～10kPa）和絕(jué)壓（量程(chéng)0～200kPa）信号通(tōng)過外部(bu)16位A/D處理(lǐ)，表壓（量(liang)程－100～0kPa）信号(hào)通過MCU内(nei)部10位A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉換(huàn)精度滿(man)足差壓(yā)準确度(dù)等級0.5和(he)分辨率(lǜ)0.02kPa、絕壓和(he)表壓準(zhǔn)确度等(deng)級1和分(fen)辨率0.3kPa的(de)要求。
2.1.3 頻(pin)率信号(hào)采集
   CH4頻(pín)率信号(hào)采集電(dian)路如圖(tú)2所示。IN＿CH4＋和(hé)IN＿CH4－分别爲(wei)CH4頻率信(xin)号正負(fù)輸👄入端(duan)🚶‍♀️，經過光(guāng)耦TLP521隔離(lí)，輸出信(xìn)号PWM＿IN直接(jiē)接入MCU進(jin)行采集(jí)處理。

2.2 軟(ruan)件設計(ji)
   瓦斯抽(chou)放管道(dào)内氣體(tǐ)介質比(bǐ)較特殊(shū)，體現在(zài)以下方(fang)面：①氣體(tǐ)介質由(yóu)多種氣(qi)體混合(hé)而成；②氣(qi)體介質(zhi)受抽放(fàng)管道前(qian)端☂️鑽孔(kǒng)影響✊，水(shuǐ)汽成分(fen)會瞬間(jian)增大；③現(xiàn)🔞場管道(dao)布置不(bú)合理會(huì)導緻管(guǎn)道内待(dai)👅測氣流(liu)不穩定(dìng)。這些情(qíng)💃況都會(huì)影💛響傳(chuan)感器數(shù)據采集(jí)的穩定(ding)性，造成(cheng)測量結(jie)果漂動(dong)或瞬💁時(shi)失真。硬(ying)件上無(wu)法解決(jue)♊該問題(tí)，因此在(zai)軟件上(shang)采用中(zhong)位值平(ping)均濾波(bō)算法，該(gāi)算法融(rong)合了中(zhōng)位值濾(lǜ)波算法(fa)和算術(shu)平均濾(lü)波算法(fǎ)的優點(diǎn)，可對偶(ou)然出現(xiàn)的脈沖(chòng)幹擾起(qǐ)到很好(hao)的抑制(zhi)作😍用，同(tong)時也可(kě)提高信(xìn)号的平(ping)滑度。
   軟(ruǎn)件在實(shí)用性方(fang)面增加(jia)了以下(xià)設計：①考(kǎo)慮到現(xiàn)場防爆(bào)💔要求🔞，儀(yí)表不能(néng)開蓋，采(cǎi)用紅外(wài)遙控按(àn)鍵方式(shì)設置儀(yi)表🤟參數(shu)；②根據☁️現(xiàn)場🚩不同(tóng)分站通(tong)信格式(shi)的要求(qiu)，設計基(jī)于标準(zhǔn)Modbus RTU協議的(de)RS485和200～1000kHz頻率(lü)輸出的(de)2種通信(xin)方式；③根(gēn)據現場(chang)管道内(nèi)氣流複(fu)雜度，增(zeng)加濾波(bō)次數設(she)置功能(neng)；④根據客(ke)戶使用(yòng)習慣，增(zēng)加工況(kuàng)♌流量和(he)标況流(liu)量換算(suàn)以及顯(xiǎn)示功能(neng)；⑤根據現(xian)場特殊(shu)情況，增(zēng)加單參(can)數和多(duo)參數補(bǔ)償設置(zhì)功能。
具(jù)有動态(tai)補償的(de)差壓式(shi)瓦斯抽(chōu)放流量(liàng)儀表的(de)主程序(xu)流程如(rú)圖3所示(shì)。

3 性能測(cè)試
   爲驗(yàn)證具有(you)動态補(bǔ)償的差(cha)壓式瓦(wa)斯抽放(fang)流量儀(yi)表🌈在🌂水(shui)😘汽較大(dà)、直管段(duàn)短、有振(zhen)動環境(jing)下的補(bǔ)償性能(néng)，将該流(liú)量儀表(biǎo)配合V錐(zhui)流量計(ji)安裝于(yu)2套不同(tong)的瓦斯(sī)抽放管(guǎn)道🌈。第1套(tào)爲貴州(zhou)小牛煤(mei)礦地面(mian)抽放泵(bèng)站附近(jin)DN700抽放管(guǎn)道，該管(guǎn)道距離(li)抽放泵(beng)較🐆近，伴(bàn)有一定(ding)振動，且(qiě)直✂️管段(duan)不足，流(liú)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量範圍(wei)爲0～300m3/min；第2套(tào)爲貴州(zhou)米籮煤(méi)礦井下(xià)👄回風巷(xiàng)DN300抽放管(guan)道，該管(guǎn)道經常(cháng)伴有突(tu)然的水(shuǐ)流流過(guo)，流量範(fan)圍爲0～80m3/min。每(mei)套瓦斯(sī)抽放管(guan)道前端(duan)50cm處焊接(jiē)測試孔(kǒng)用♋于安(an)裝标準(zhǔn)流量計(ji)測試，标(biao)準流量(liàng)計采用(yòng)認可度(dù)較高的(de)熱式質(zhi)量流量(liàng)計。儀表(biao)✌️在2套管(guan)道上的(de)實測數(shù)據分别(bié)見表1和(he)表2。

   從表(biao)1和表2可(ke)看出，若(ruo)不采用(yòng)溫度、壓(yā)力和瓦(wǎ)斯濃度(du)補償，小(xiǎo)牛煤礦(kuang)的流量(liang)測試實(shí)時相對(duì)誤差爲(wèi)29.6%，米籮煤(méi)礦的流(liú)量測試(shi)實👌時相(xiàng)對誤差(cha)爲21.7%，補償(cháng)後的數(shù)據和标(biao)準流量(liàng)偏差在(zai)準确度(du)1級以内(nei)。目🆚前爲(wèi)止，具有(yǒu)動态補(bu)償的差(chà)壓式瓦(wa)斯抽放(fàng)流量儀(yí)表已穩(wen)定運♌行(háng)2個月，沒(mei)有出現(xian)由幹擾(rǎo)引起的(de)數據波(bo)動。
4 結語(yǔ)
   介紹了(le)一種差(cha)壓式流(liú)量儀表(biao)測量瓦(wa)斯抽放(fang)管道氣(qi)體流量(liàng)的♈補償(chang)公式及(ji)方法，給(gěi)出了該(gāi)儀表的(de)軟🙇‍♀️硬件(jian)設計。現(xian)場測試(shì)結果表(biǎo)明，該儀(yí)表可從(cóng)氣體溫(wēn)度、壓力(li)和濃度(du)3方面對(duì)瓦斯抽(chōu)㊙️放管道(dào)氣體流(liú)量進行(háng)實時補(bǔ)😄償，減小(xiǎo)了管道(dào)流量測(ce)量誤差(chà)，能較好(hǎo)地抑制(zhì)現場幹(gan)擾對數(shù)據采集(ji)造成的(de)波動。

以(yǐ)上内容(róng)來源于(yú)網絡，如(rú)有侵權(quan)請聯系(xì)即删除(chú)!