0 引言
   針對(dui)瓦斯抽放管(guan)道中流量計(jì)量裝置不同(tong)的安裝環境(jìng)，目前煤礦使(shi)用的流量計(jì)主要有 差壓(yā)式V錐流量計(jì) 和 威力巴流(liu)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(pei)置信号處理(li)儀表，但市場(chang)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(sī)抽放管道流(liu)量，且沒有考(kao)慮環境條件(jiàn)變化對流量(liàng)的影響，不能(néng)進行實時補(bǔ)償，造成流量(liang)測量結果誤(wù)差較♊大。鑒此(ci)，一種具有動(dòng)态補⭐償的差(cha)壓式瓦斯抽(chou)放流量儀表(biǎo) ，可同時測試(shi)管道差壓、管(guǎn)道負壓、環境(jing)絕壓、管道溫(wen)度💃、管道瓦👅斯(si)🤞濃度5個環境(jìng)參數，并對管(guǎn)道瓦斯流量(liang)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(bu)償方法
1.1 傳感(gan)器測量原理(lǐ)
   差壓式V錐流(liu)量計和威力(lì)巴流量計是(shi)由傳感器和(hé)信号處理儀(yi)表組成的測(cè)量裝置。傳感(gan)器産生一個(ge)✉️依據流量大(da)小🔴而變化的(de)差壓。具有動(dong)态補償的差(chà)🥰壓式瓦斯抽(chou)放流量儀表(biao)采集🎯相應管(guǎn)道差壓、管道(dao)負壓、環境絕(jue)壓、管道溫度(dù)和管道瓦斯(si)濃度5個環境(jing)參數，用于計(jì)算流量。常用(yòng)的差壓式流(liú)🐉量計體積流(liú)量計算公式(shì)爲

式中：QV爲體(ti)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(jie)質的密度。
   在(zai)實際生産和(he)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(zhōng)k取決于結構(gòu)加工精密度(dù)，出廠前通過(guò)水流量計量(liàng)裝置實流标(biāo)定确定；Δp取決(jue)于差壓傳感(gǎn)器精度，出廠(chǎng)前精度通過(guo)壓力計量标(biao)校裝置标校(xiào)；ρ取決于現場(chǎng)測試介質狀(zhuàng)态，需要根據(jù)介質狀态的(de)變化進行實(shi)時動态補🔴償(cháng)。
   瓦斯抽放管(guan)道内氣體壓(ya)力變化範圍(wéi)一般爲-80～20kPa，溫度(du)變⭐化範圍爲(wèi)0～40℃。管道内氣體(tǐ)一般由空氣(qi)、CH4及其他烷類(lei)氣體組成🏃‍♂️，空(kong)氣和CH4比⚽例占(zhàn)99%以上，因此瓦(wa)斯抽放管道(dào)内其他氣體(ti)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(you)此可見，介質(zhì)密度動态補(bǔ)償需要從氣(qi)體壓力、溫度(dù)和濃度3方面(miàn)來考慮。
1.2 儀表(biao)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(gong)式：
M＝m/n （3）
式中：M爲摩(mo)爾質量；m爲質(zhì)量。
密度計算(suan)公式：
ρ＝m/V （4）
由式（2）—式(shi)（4）可得
ρ＝PM/RT （5）
由式（1）和(hé)式（5）可得

由于(yú)管道内氣體(tǐ)主要由CH4和空(kōng)氣組成，所以(yi)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(liang)；MJ爲CH4的摩爾質(zhi)量；C爲管道氣(qi)體中CH4比例。
由(you)式（6）和式（7）可得(dé)

式（8）爲管道内(nei)氣體體積流(liu)量實時動态(tài)補償模型，包(bao)含了氣體溫(wen)度、壓力和濃(nóng)度補償，可以(yi)完全兼容應(yīng)♈用在瓦斯抽(chou)放系統中，使(shǐ)整個流量計(jì)量裝置準确(què)度達到1級。針(zhen)對現場不能(neng)采集㊙️管道氣(qi)體濃度信号(hao)🔞的特殊情況(kuàng)，如果濃度變(biàn)化範圍不大(da)，可🧡在儀表參(can)數中設置管(guǎn)💞道濃度定值(zhí)☔來進行補償(chang)🌐。
2 硬件和軟件(jian)設計
2.1 硬件設(shè)計
2.1.1 硬件結構(gòu)
   具有動态補(bu)償的差壓式(shì)瓦斯抽放流(liu)量儀表的硬(ying)件結構如圖(tu)1所示。該儀表(biao)具有4個傳感(gǎn)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(jue)壓檢測模塊(kuai)輸出信号經(jing)外部16位A/D模塊(kuai)AD7705轉換後通過(guo)SPI總線由MCU采集(ji)處理計算，溫(wen)度和表壓檢(jiǎn)測模塊輸出(chū)信号由MCU内部(bu)10位A/D轉換器采(cai)☎️集轉換後參(cān)與計算。CH4信号(hao)👈來自瓦斯抽(chōu)放裝置内的(de)CH4傳感器，MCU通過(guo)頻率信号采(cǎi)集電路采集(jí)其輸入的頻(pin)🏃‍♀️率進行計算(suan)，最終計算的(de)流量結果通(tong)過LCD顯示。在實(shí)際使用中通(tōng)信方式和管(guan)徑等參數✏️可(kě)通過紅外遙(yao)控器直接設(shè)置。另外，電源(yuan)處理模塊增(zeng)加了限流和(he)軟啓動處理(lǐ)；信号傳輸分(fèn)👈爲總線和頻(pin)率2種數據傳(chuan)♋輸⛹🏻‍♀️方式，并增(zēng)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(biao)壓和絕壓3路(lu)信号處理模(mó)塊基本一緻(zhi)，選用⭐1210A系列電(dian)🌐流🌐型壓力傳(chuan)感器模塊。壓(yā)力測量範圍(wei)内1.25mA電流輸❌入(ru)，0～40mV電壓信号輸(shū)出。輸出信号(hào)經過運算放(fàng)大器📱AD8572及外圍(wéi)📱電路器件進(jin)行放大處理(lǐ)，最終差壓（量(liàng)程0～10kPa）和絕壓（量(liang)程0～200kPa）信号通過(guo)📧外部16位A/D處理(li)，表壓（量👣程－100～0kPa）信(xin)号通過MCU内部(bu)10位A/D轉❗換。A/D轉換(huàn)精度👉滿足差(chà)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(jí)1和分辨率0.3kPa的(de)要求。
2.1.3 頻率信(xìn)号采集
   CH4頻率(lü)信号采集電(dian)路如圖2所示(shì)。IN＿CH4＋和IN＿CH4－分别爲CH4頻(pin)率信号😍正負(fu)輸👈入❗端👣，經過(guo)光耦TLP521隔離，輸(shu)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(fàng)管道内氣體(ti)介質比較特(te)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(dao)前端鑽孔影(ying)響，水汽成分(fen)會瞬間增大(da)；③現場管道布(bu)置不合理會(huì)導緻管道内(nèi)待測氣流不(bú)穩定。這些情(qing)況都會影響(xiang)傳感器數據(ju)采集的穩定(dìng)性❄️，造成測量(liang)結果漂動或(huò)瞬時失真。硬(yìng)件上無法解(jie)決該問題，因(yīn)此在軟件上(shàng)采用中位值(zhi)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(rán)出現的脈沖(chòng)幹擾起到很(hen)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(fang)面增加了以(yǐ)下設計：①考慮(lǜ)到現場🐇防爆(bao)要求，儀表不(bú)能開蓋，采用(yong)紅外遙控按(àn)鍵方式🧑🏽‍🤝‍🧑🏻設置(zhì)儀表參數；②根(gēn)據現場不同(tong)分站通信格(ge)式的要求，設(shè)計💔基于标準(zhun)Modbus RTU協議的RS485和200～1000kHz頻(pín)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(zá)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(liang)和标況流量(liàng)換算以👄及顯(xiǎn)示功能；⑤根據(ju)現場特殊情(qing)況，增加🐅單參(cān)數和多參數(shu)補償設置功(gong)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(chéng)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(shi)瓦斯抽放流(liú)量儀⛱️表在水(shuǐ)汽較大、直管(guan)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(tao)爲貴州小牛(niu)煤礦地面抽(chou)放泵站附近(jìn)DN700抽放管道，該(gai)管道距離抽(chōu)放泵較近，伴(bàn)有一👄定振動(dòng)，且直管段不(bú)足，流量範圍(wéi)爲0～300m3/min；第2套爲貴(gui)州米✉️籮煤礦(kuang)井下回風巷(xiàng)DN300抽放管道，該(gai)管道經常伴(ban)🍉有突然的水(shuǐ)流👄流過，流量(liang)範圍爲0～80m3/min。每套(tao)瓦斯抽放管(guǎn)道前端50cm處焊(hàn)接測試孔用(yong)🍓于安裝标準(zhun)流量計測試(shi)，标準流量計(ji)采♊用認可度(dù)較高的熱式(shi)質量流量計(jì)。儀表在2套管(guan)道上的實測(ce)數據分别見(jiàn)表1和表2。

   從表(biao)1和表2可看出(chu)，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(shì)實💃🏻時相對誤(wù)差爲21.7%，補償後(hou)的數據和标(biāo)準♉流量偏差(cha)在準⚽确度1級(ji)🚶以内。目前爲(wei)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(ge)月，沒有出現(xian)由幹擾引起(qi)的數據波動(dong)。
4 結語
   介紹了(le)一種差壓式(shì)流量儀表測(cè)量瓦斯抽放(fang)管道氣體流(liu)量的補償公(gong)式及方法，給(gei)出了該儀表(biao)的軟硬件設(shè)計。現場測試(shì)結果表明，該(gāi)儀表可從氣(qi)體溫度、壓力(lì)✌️和濃度3方面(mian)對瓦斯抽放(fàng)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(xiàn)場幹⛷️擾對數(shù)據采集造成(chéng)的波動。

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