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 和 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。

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。

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。

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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