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0 引言
   針對(duì)瓦斯抽放管道中流量計(jì)量裝置不同的安裝環(huán)境，目前煤礦使用的流量計(jì)主要有差壓式V錐流量計(jì)和威力巴流量計(jì)、熱線式流量計(jì)。差壓式V錐流量計(jì)和威力巴流量計(jì)需要配置信號(hào)處理儀表，但市場(chǎng)上配置的信號(hào)處理儀表只能采集1個(gè)差壓信號(hào)用于計(jì)算瓦斯抽放管道流量，且沒(méi)有考慮環(huán)境條件變化對(duì)流量的影響，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，造成流量測(cè)量結(jié)果誤差較大。鑒此，一種具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?strong>差壓式瓦斯抽放流量?jī)x表，可同時(shí)測(cè)試管道差壓、管道負(fù)壓、環(huán)境絕壓、管道溫度、管道瓦斯?jié)舛?個(gè)環(huán)境參數(shù)，并對(duì)管道瓦斯流量測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，提高了流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。
1 測(cè)量原理及補(bǔ)償方法
1.1 傳感器測(cè)量原理
   差壓式V錐流量計(jì)和威力巴流量計(jì)是由傳感器和信號(hào)處理儀表組成的測(cè)量裝置。傳感器產(chǎn)生一個(gè)依據(jù)流量大小而變化的差壓。具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績(jī)x表采集相應(yīng)管道差壓、管道負(fù)壓、環(huán)境絕壓、管道溫度和管道瓦斯?jié)舛?個(gè)環(huán)境參數(shù)，用于計(jì)算流量。常用的差壓式流量計(jì)體積流量計(jì)算公式為

式中：QV為體積流量；k為傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)；Δp為傳感器檢測(cè)的差壓；ρ為被測(cè)介質(zhì)的密度。
   在實(shí)際生產(chǎn)和測(cè)試中，k，Δp和ρ都可能造成不同程度的測(cè)量誤差。其中k取決于結(jié)構(gòu)加工精密度，出廠前通過(guò)水流量計(jì)量裝置實(shí)流標(biāo)定確定；Δp取決于差壓傳感器精度，出廠前精度通過(guò)壓力計(jì)量標(biāo)校裝置標(biāo)校；ρ取決于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試介質(zhì)狀態(tài)，需要根據(jù)介質(zhì)狀態(tài)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
   瓦斯抽放管道內(nèi)氣體壓力變化范圍一般為-80～20kPa，溫度變化范圍為0～40℃。管道內(nèi)氣體一般由空氣、CH4及其他烷類氣體組成，空氣和CH4比例占99%以上，因此瓦斯抽放管道內(nèi)其他氣體組分幾乎可以忽略不計(jì)，但空氣和CH4的組分比例在不停變化。由此可見(jiàn)，介質(zhì)密度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償需要從氣體壓力、溫度和濃度3方面來(lái)考慮。
1.2 儀表補(bǔ)償方法
理想氣體狀態(tài)方程：

式中：P為絕壓；V為體積；n為物質(zhì)的量；R為比例常數(shù)；T為溫度。
摩爾質(zhì)量計(jì)算公式：
M＝m/n （3）
式中：M為摩爾質(zhì)量；m為質(zhì)量。
密度計(jì)算公式：
ρ＝m/V （4）
由式（2）—式（4）可得
ρ＝PM/RT （5）
由式（1）和式（5）可得

由于管道內(nèi)氣體主要由CH4和空氣組成，所以混合氣體的摩爾質(zhì)量為
M＝MK（1－C）＋MJC    （7）
式中：MK為空氣的摩爾質(zhì)量；MJ為CH4的摩爾質(zhì)量；C為管道氣體中CH4比例。
由式（6）和式（7）可得

式（8）為管道內(nèi)氣體體積流量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型，包含了氣體溫度、壓力和濃度補(bǔ)償，可以完全兼容應(yīng)用在瓦斯抽放系統(tǒng)中，使整個(gè)流量計(jì)量裝置準(zhǔn)確度達(dá)到1級(jí)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不能采集管道氣體濃度信號(hào)的特殊情況，如果濃度變化范圍不大，可在儀表參數(shù)中設(shè)置管道濃度定值來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
2 硬件和軟件設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
2.1.1 硬件結(jié)構(gòu)
   具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績(jī)x表的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該儀表具有4個(gè)傳感器模塊，分別為差壓、絕壓、表壓和溫度檢測(cè)模塊，其中差壓和絕壓檢測(cè)模塊輸出信號(hào)經(jīng)外部16位A/D模塊AD7705轉(zhuǎn)換后通過(guò)SPI總線由MCU采集處理計(jì)算，溫度和表壓檢測(cè)模塊輸出信號(hào)由MCU內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換后參與計(jì)算。CH4信號(hào)來(lái)自瓦斯抽放裝置內(nèi)的CH4傳感器，MCU通過(guò)頻率信號(hào)采集電路采集其輸入的頻率進(jìn)行計(jì)算，最終計(jì)算的流量結(jié)果通過(guò)LCD顯示。在實(shí)際使用中通信方式和管徑等參數(shù)可通過(guò)紅外遙控器直接設(shè)置。另外，電源處理模塊增加了限流和軟啟動(dòng)處理；信號(hào)傳輸分為總線和頻率2種數(shù)據(jù)傳輸方式，并增加光耦隔離處理，提高抗干擾性。

2.1.2 壓力信號(hào)處理
   差壓、表壓和絕壓3路信號(hào)處理模塊基本一致，選用1210A系列電流型壓力傳感器模塊。壓力測(cè)量范圍內(nèi)1.25mA電流輸入，0～40mV電壓信號(hào)輸出。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器AD8572及外圍電路器件進(jìn)行放大處理，最終差壓（量程0～10kPa）和絕壓（量程0～200kPa）信號(hào)通過(guò)外部16位A/D處理，表壓（量程－100～0kPa）信號(hào)通過(guò)MCU內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換精度滿足差壓準(zhǔn)確度等級(jí)0.5和分辨率0.02kPa、絕壓和表壓準(zhǔn)確度等級(jí)1和分辨率0.3kPa的要求。
2.1.3 頻率信號(hào)采集
   CH4頻率信號(hào)采集電路如圖2所示。IN＿CH4＋和IN＿CH4－分別為CH4頻率信號(hào)正負(fù)輸入端，經(jīng)過(guò)光耦TLP521隔離，輸出信號(hào)PWM＿IN直接接入MCU進(jìn)行采集處理。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
   瓦斯抽放管道內(nèi)氣體介質(zhì)比較特殊，體現(xiàn)在以下方面：①氣體介質(zhì)由多種氣體混合而成；②氣體介質(zhì)受抽放管道前端鉆孔影響，水汽成分會(huì)瞬間增大；③現(xiàn)場(chǎng)管道布置不合理會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)待測(cè)氣流不穩(wěn)定。這些情況都會(huì)影響傳感器數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，造成測(cè)量結(jié)果漂動(dòng)或瞬時(shí)失真。硬件上無(wú)法解決該問(wèn)題，因此在軟件上采用中位值平均濾波算法，該算法融合了中位值濾波算法和算術(shù)平均濾波算法的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖干擾起到很好的抑制作用，同時(shí)也可提高信號(hào)的平滑度。
   軟件在實(shí)用性方面增加了以下設(shè)計(jì)：①考慮到現(xiàn)場(chǎng)防爆要求，儀表不能開(kāi)蓋，采用紅外遙控按鍵方式設(shè)置儀表參數(shù)；②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同分站通信格式的要求，設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議的RS485和200～1000kHz頻率輸出的2種通信方式；③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)氣流復(fù)雜度，增加濾波次數(shù)設(shè)置功能；④根據(jù)客戶使用習(xí)慣，增加工況流量和標(biāo)況流量換算以及顯示功能；⑤根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特殊情況，增加單參數(shù)和多參數(shù)補(bǔ)償設(shè)置功能。
具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績(jī)x表的主程序流程如圖3所示。

3 性能測(cè)試
   為驗(yàn)證具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績(jī)x表在水汽較大、直管段短、有振動(dòng)環(huán)境下的補(bǔ)償性能，將該流量?jī)x表配合V錐流量計(jì)安裝于2套不同的瓦斯抽放管道。第1套為貴州小牛煤礦地面抽放泵站附近DN700抽放管道，該管道距離抽放泵較近，伴有一定振動(dòng)，且直管段不足，流量范圍為0～300m3/min；第2套為貴州米籮煤礦井下回風(fēng)巷DN300抽放管道，該管道經(jīng)常伴有突然的水流流過(guò)，流量范圍為0～80m3/min。每套瓦斯抽放管道前端50cm處焊接測(cè)試孔用于安裝標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)采用認(rèn)可度較高的熱式質(zhì)量流量計(jì)。儀表在2套管道上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1和表2。

   從表1和表2可看出，若不采用溫度、壓力和瓦斯?jié)舛妊a(bǔ)償，小牛煤礦的流量測(cè)試實(shí)時(shí)相對(duì)誤差為29.6%，米籮煤礦的流量測(cè)試實(shí)時(shí)相對(duì)誤差為21.7%，補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)流量偏差在準(zhǔn)確度1級(jí)以內(nèi)。目前為止，具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績(jī)x表已穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月，沒(méi)有出現(xiàn)由干擾引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)。
4 結(jié)語(yǔ)
   介紹了一種差壓式流量?jī)x表測(cè)量瓦斯抽放管道氣體流量的補(bǔ)償公式及方法，給出了該儀表的軟硬件設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，該儀表可從氣體溫度、壓力和濃度3方面對(duì)瓦斯抽放管道氣體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，減小了管道流量測(cè)量誤差，能較好地抑制現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)數(shù)據(jù)采集造成的波動(dòng)。

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