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發布時(shi)間:2025-12-15

差壓式流量計(jì)在瓦斯氣體中的(de)應用

0 引言
   針對瓦(wa)斯抽放管道中流(liú)量計量裝置不同(tóng)的安裝環境,目前(qian)煤礦使用的流量(liang)計主要有 差壓式(shi)V錐流量計 威力(lì)巴流量計 、熱線式(shì)流量計。差壓式V錐(zhuī)流量計和威力巴(bā)流量計需要✂️配置(zhì)信号處理儀表,但(dan)市場上配置的信(xìn)号處理儀❌表隻能(neng)采集1個差壓信号(hào)用于計算瓦斯抽(chou)放⚽管道流量,且沒(méi)有考慮環境條件(jian)變化對流量的影(yǐng)響,不能進行實時(shí)補償,造成流量測(cè)量結果誤差較🏃🏻大(dà)。鑒此,一種具有動(dòng)态補償的差壓式(shì)瓦斯抽放流量儀(yi)表 ,可同時測試管(guǎn)道差壓、管道負壓(yā)、環境絕壓、管道溫(wen)✔️度、管道瓦斯濃度(dù)5個環境參數,并對(dui)管道瓦斯流量💃🏻測(ce)量進行實時補償(cháng),提高了流量測量(liang)的準确性。
1 測量原(yuan)理及補償方法
1.1 傳(chuan)感器測量原理
   差(chà)壓式V錐流量計和(hé)威力巴流量計是(shì)由傳感器和✨信号(hao)處理儀表組成的(de)測量裝置。傳感器(qi)産生一個☁️依據流(liu)量大小而變化的(de)差壓。具有動态補(bu)償的差壓式瓦斯(sī)抽放流量儀表采(cai)集相應管道差壓(ya)、管道負壓、環境絕(jué)壓、管道溫度和管(guǎn)道瓦斯濃度5個環(huán)境參數,用于計算(suàn)流量。常用的差壓(ya)式流量計體積流(liú)🔞量計算公式爲🛀

式(shi)中:QV爲體積流量;k爲(wei)傳感器的結構系(xì)數;Δp爲傳感器檢測(ce)的差壓;ρ爲被測介(jie)質的密度。
   在實際(jì)生産和測試中,k,Δp和(he)ρ都可能造成不同(tong)程度的測量誤差(cha)。其中k取決于結構(gou)加工精密度,出廠(chǎng)前通過水流量計(jì)量裝置實流🔞标定(dìng)确定;Δp取決于差壓(yā)傳感器精度,出廠(chang)🔞前精度⛷️通過壓🌈力(lì)計量标校裝置标(biao)校;ρ取決于現場測(ce)試介質狀态,需要(yao)根據介質狀态💚的(de)變化進行實時動(dòng)态補償。
   瓦斯抽放(fang)管道内氣體壓力(lì)變化範圍一般爲(wèi)-80~20kPa,溫度變化範圍爲(wèi)0~40℃。管道内氣體一般(bān)由空氣、CH4及其他烷(wán)類氣體組成,空氣(qi)🌍和CH4比例占99%以上,因(yīn)此瓦斯抽放管道(dao)内其他氣體組分(fen)幾乎可以忽略不(bú)計✌️,但空氣和CH4的組(zǔ)分比例在不停變(bian)化。由此可見,介質(zhi)密🙇🏻度動态補🔞償需(xu)要從氣體壓力、溫(wen)度和濃度3方面來(lai)考慮。
1.2 儀表補償方(fāng)法
理想氣體狀态(tai)方程:

式中:P爲絕壓(yā);V爲體積;n爲物質的(de)量;R爲比例常數;T爲(wèi)溫度。
摩爾質量計(ji)算公式:
M=m/n (3)
式中:M爲摩(mó)爾質量;m爲質量。
密(mì)度計算公式:
ρ=m/V (4)
由式(shì)(2)—式(4)可得
ρ=PM/RT (5)
由式(1)和式(shi)(5)可得

由于管道内(nèi)氣體主要由CH4和空(kōng)氣組成,所以混合(he)氣♉體的摩爾質量(liàng)爲
M=MK(1-C)+MJC    (7)
式中:MK爲空氣的(de)摩爾質量;MJ爲CH4的摩(mo)爾質量;C爲管道氣(qi)體中CH4比例。
由式(6)和(hé)式(7)可得


式(8)爲管道(dào)内氣體體積流量(liàng)實時動态補償模(mo)型,包含了氣體溫(wēn)⛹🏻‍♀️度、壓力和濃度補(bu)償,可以完全兼容(róng)應用在瓦斯抽放(fàng)系統中,使㊙️整個流(liú)量計量裝置準确(què)度達到1級。針對🔅現(xian)場不能采集管道(dào)氣體濃度信号的(de)特殊情況,如果濃(nong)度變化範圍不大(dà),可在儀表參數中(zhong)設置管道濃度定(dìng)值來進行補償☂️。
2 硬(yìng)件和軟件設計
2.1 硬(yìng)件設計
2.1.1 硬件結構(gòu)
   具有動态補償的(de)差壓式瓦斯抽放(fàng)流量儀表的硬件(jiàn)結構如圖1所示。該(gāi)儀表具有4個傳感(gǎn)器模塊,分别爲差(cha)壓、絕壓、表😍壓和🈲溫(wēn)度檢測模塊,其中(zhong)差壓和絕🐆壓檢測(ce)🌈模塊輸出信号🔞經(jīng)外部16位A/D模塊AD7705轉換(huan)後通過SPI總線由MCU采(cǎi)集處理計算,溫度(du)和表壓檢測模塊(kuài)輸出🙇🏻信号由MCU内部(bù)10位A/D轉換器采集轉(zhuǎn)換後參與計算。CH4信(xìn)号來自瓦斯抽放(fang)裝置内的CH4傳感☂️器(qì),MCU通過頻率信号采(cǎi)集電路采集其輸(shu)入的頻率進行計(ji)算,最終計算的流(liú)量結果通過LCD顯示(shi)。在實際使用中通(tōng)信方式和管徑等(deng)參數可通過紅外(wai)遙控器直接設置(zhì)。另外,電源處理模(mó)塊增加了🐪限流和(he)軟啓動處理;信号(hào)傳輸分✂️爲總線和(hé)頻率2種數據傳❗輸(shū)方式,并增加光耦(ou)隔離處理,提高抗(kàng)幹擾性。
具有動态(tai)補償的差壓式瓦(wǎ)斯抽放流量儀表(biǎo)硬件結構圖
2.1.2 壓力(li)信号處理
   差壓、表(biǎo)壓和絕壓3路信号(hao)處理模塊基本一(yī)緻,選用1210A系列電流(liu)👣型壓力傳感器模(mó)塊。壓力測量範圍(wei)内1.25mA電🚶流輸📐入,0~40mV電壓(ya)信号輸出。輸出信(xìn)号經過運算放大(dà)器AD8572及外圍電路器(qì)件進行放大處理(li),最終差壓(量程0~10kPa)和(he)絕壓(量程0~200kPa)信号通(tong)過♉外部16位A/D處理,表(biao)壓(量程-100~0kPa)信号通過(guò)MCU内部10位A/D轉換。A/D轉換(huan)精度㊙️滿足差壓準(zhun)确度等級0.5和🆚分辨(bian)率0.02kPa、絕壓和表壓準(zhun)确度等級1和分辨(bian)率0.3kPa的📐要求。
2.1.3 頻率信(xin)号采集
   CH4頻率信号(hao)采集電路如圖2所(suǒ)示。IN_CH4+和IN_CH4-分别爲CH4頻率(lü)信号正負🤟輸入端(duān),經過光耦TLP521隔離,輸(shū)出信号PWM_IN直接接入(ru)MCU進行采集處理。
頻(pín)率信号采集電路(lu)圖
2.2 軟件設計
   瓦斯(sī)抽放管道内氣體(tǐ)介質比較特殊,體(tǐ)現在以下方面:①氣(qì)體介質由多種氣(qì)體混合而成;②氣體(tǐ)介質受🔴抽放管道(dào)前端♉鑽孔影響,水(shui)汽成分會瞬間增(zeng)大;③現場管道布置(zhì)不合理會導緻管(guan)道内待測氣流不(bu)穩定。這些情況都(dou)會影響傳感器數(shù)據采集的穩定性(xing)☔,造成測量結果漂(piāo)動或瞬時失真。硬(ying)件上無法解決該(gai)問題,因此🏃‍♂️在軟件(jian)上采用中位值平(píng)均濾波算法,該算(suàn)法融合了中位值(zhí)濾波算法和算術(shù)平均濾波算法的(de)優點,可對偶☀️然出(chu)現的脈沖幹擾起(qǐ)到很好❗的抑制作(zuo)用,同時也可🔞提高(gao)信号的平滑度。
   軟(ruan)件在實用性方面(miàn)增加了以下設計(ji):①考慮到現場防爆(bao)要求,儀☀️表不能開(kāi)蓋,采用紅外遙控(kòng)按鍵方式設置儀(yi)表參數;②根據現場(chang)不同分站通信格(ge)式的要☁️求,設計基(jī)于标💋準Modbus RTU協議的RS485和(hé)200~1000kHz頻率輸出的2種通(tong)信方式;③根據現場(chǎng)管道内氣流複雜(za)度,增加濾波次數(shù)設置功能;④根據👄客(kè)戶使用習慣,增加(jia)工況😍流量和标況(kuang)流量換算以⁉️及❗顯(xiǎn)示功能;⑤根據現場(chang)特殊情況,增加單(dān)參數和🌂多參數補(bǔ)償設置功能。
具有(yǒu)動态補償的差壓(ya)式瓦斯抽放流量(liàng)儀表的主程💃🏻序流(liú)程如💁圖3所示。
具有(you)動态補償的差壓(ya)式瓦斯抽放流量(liàng)儀表主程序流程(chéng)圖
3 性能測試
   爲驗(yàn)證具有動态補償(chang)的差壓式瓦斯抽(chou)放流量儀表在水(shuǐ)🔴汽較大、直管段短(duan)、有振動環境下的(de)補償性能,将該流(liu)量儀表配合V錐流(liú)量計安裝于2套不(bu)同的瓦斯抽放管(guǎn)道。第1套爲貴州小(xiǎo)牛煤礦地面抽放(fang)泵站附近DN700抽放管(guǎn)道,該管道距離💁抽(chōu)放泵較近,伴有一(yī)🐇定振動,且直管段(duan)不足,流量範圍爲(wèi)0~300m3/min;第2套爲貴州米籮(luo)煤礦井下回風巷(xiàng)DN300抽放管道,該管道(dao)經常伴有突然的(de)水流流過,流量範(fàn)圍爲0~80m3/min。每套瓦斯抽(chou)放管道前端50cm處焊(han)接測試孔用于安(an)裝标準流量計測(cè)試,标準流量計采(cai)用認可度較高的(de)熱式質量流量計(ji)。儀表🚶‍♀️在2套管道上(shàng)的實測數據分别(bie)見表1和表🥰2。

   從表1和(he)表2可看出,若不采(cǎi)用溫度、壓力和瓦(wa)斯濃度補償,小牛(niu)煤🆚礦的流量測試(shi)實時相對誤差爲(wei)29.6%,米籮煤礦的流量(liang)測🔴試實🌈時相對誤(wu)差爲21.7%,補償後的數(shù)據和标準👨‍❤️‍👨流量偏(pian)差在準确度1級🔴以(yǐ)内。目前爲止,具有(yǒu)動态補償的差壓(ya)式瓦斯抽放流量(liang)儀表已穩定運♈行(hang)2個月,沒有出現由(yóu)幹擾引起的數據(ju)波動。
4 結語
   介紹了(le)一種差壓式流量(liang)儀表測量瓦斯抽(chōu)放管道氣體流量(liàng)的補償公式及方(fāng)法,給出了該儀表(biǎo)的軟硬件設計。現(xian)場測試結果表明(míng),該儀表可從氣體(tǐ)溫度、壓力和濃度(du)3方面對💋瓦斯抽放(fang)管道氣體流量進(jin)行實時補⛱️償,減小(xiao)了管道流量測量(liàng)誤差,能較好地🔅抑(yi)制現場幹擾對數(shù)據采集造成的波(bo)動。

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