0 引言
   針對瓦斯抽放管(guǎn)道中流量計量裝置不同的安(ān)裝環境，目(mù)前煤(méi)礦使用(yòng)的(de)流量(liàng)計主要有(yǒu) 差壓式(shì)v錐(zhuī)流量計 和(hé) 威力巴流量計(jì) 、熱線式流(liú)量計(jì)。差壓式v錐流量計和威力巴流量(liàng)計需要(yào)配置信号處理儀(yí)表，但市場上(shàng)配置(zhì)的信(xìn)号處理儀(yí)表隻能采集1個(gè)差壓信号用于(yú)計算瓦斯(sī)抽放(fàng)管道(dào)流量(liàng)，且沒(méi)有考慮(lǜ)環(huán)境條(tiáo)件變(biàn)化對流量(liàng)的影響(xiǎng)，不能進(jìn)行實時(shí)補償，造(zào)成流量測量結(jié)果誤(wù)差較(jiào)大。鑒(jiàn)此，一種具有動(dòng)态(tài)補(bǔ)償的(de)差壓(yā)式瓦斯抽(chōu)放流量儀表 ，可同時(shí)測試(shì)管道(dào)差壓、管道(dào)負壓、環境(jìng)絕壓、管道(dào)溫度、管道(dào)瓦斯濃(nóng)度(dù)5個環(huán)境參(cān)數，并(bìng)對管道(dào)瓦(wǎ)斯流(liú)量測(cè)量進行實(shí)時補償，提高了(le)流量測量(liàng)的準确性(xìng)。
1 測量原理(lǐ)及補償(cháng)方(fāng)法
1.1 傳(chuán)感器(qì)測量(liàng)原理(lǐ)
   差壓式v錐流量(liàng)計和威力巴流(liú)量計是(shì)由傳感器和信号處理(lǐ)儀表組成的測(cè)量裝置。傳感器(qì)産生一個(gè)依據流量(liàng)大小而變(biàn)化的差壓(yā)。具有(yǒu)動态(tài)補償的差(chà)壓式瓦斯(sī)抽放流量儀表采集(jí)相應(yīng)管道(dào)差壓、管道負壓、環境絕壓、管道溫度(dù)和管道瓦斯濃(nóng)度5個環境參(cān)數，用于計算流量(liàng)。常用(yòng)的(de)差(chà)壓式(shì)流量(liàng)計體(tǐ)積流量計算公式爲

式中(zhōng)：qv爲體積流(liú)量；k爲傳(chuán)感(gǎn)器的(de)結構系(xì)數；Δp爲傳(chuán)感器檢測的差(chà)壓；ρ爲(wèi)被測介質(zhì)的密度。
   在實際生産和測試中(zhōng)，k，Δp和ρ都可能造成不同(tóng)程(chéng)度的測(cè)量誤差(chà)。其中k取(qǔ)決于(yú)結構(gòu)加工(gōng)精密度，出廠前通過(guò)水流量計(jì)量裝置實(shí)流标定确定；Δp取決于(yú)差壓傳(chuán)感(gǎn)器(qì)精(jīng)度，出廠前精度(dù)通過壓力(lì)計量标校(xiào)裝置标校(xiào)；ρ取決于現(xiàn)場測試介質狀态，需要根據介質狀态的變化(huà)進行(háng)實時動(dòng)态(tài)補償(cháng)。
   瓦斯抽放管道(dào)内氣體壓力變化範圍一(yī)般爲(wèi)-80～20kpa，溫度(dù)變化(huà)範圍爲0～40℃。管(guǎn)道内氣體(tǐ)一(yī)般(bān)由空(kōng)氣、ch4及(jí)其他(tā)烷(wán)類氣體(tǐ)組成，空氣(qì)和ch4比(bǐ)例占99%以上，因此(cǐ)瓦斯抽(chōu)放管道(dào)内其他氣體組(zǔ)分幾乎可(kě)以忽略不計(jì)，但空氣和ch4的組(zǔ)分(fèn)比例在不停變化。由(yóu)此可(kě)見，介質密(mì)度動(dòng)态補(bǔ)償需要從氣體壓力(lì)、溫度(dù)和濃度3方(fāng)面來考慮。
1.2 儀表補償(cháng)方法
理想(xiǎng)氣體狀态方程：

式中(zhōng)：p爲絕壓；v爲(wèi)體積；n爲物(wù)質的(de)量；r爲(wèi)比例(lì)常數；t爲(wèi)溫度。
摩爾質(zhì)量計算(suàn)公式(shì)：
m＝m/n （3）
式中：m爲(wèi)摩爾(ěr)質量；m爲質量。
密度計(jì)算公式：
ρ＝m/v （4）
由式（2）—式(shì)（4）可得
ρ＝pm/rt （5）
由式（1）和式(shì)（5）可得

由(yóu)于(yú)管道(dào)内氣體主要由ch4和空氣(qì)組成，所以混合氣(qì)體的摩爾質量(liàng)爲
m＝mk（1－c）＋mjc    （7）
式(shì)中：mk爲空氣的摩(mó)爾質量；mj爲(wèi)ch4的摩爾質(zhì)量；c爲管道(dào)氣體(tǐ)中ch4比例。
由(yóu)式（6）和(hé)式(shì)（7）可得

式(shì)（8）爲管道内氣(qì)體(tǐ)體積流(liú)量實時動态(tài)補(bǔ)償模型，包含(hán)了氣(qì)體溫(wēn)度、壓力和(hé)濃度(dù)補償，可以完(wán)全(quán)兼容應(yīng)用在瓦(wǎ)斯抽放(fàng)系統中(zhōng)，使整個流量計(jì)量裝置準确度(dù)達到1級。針對(duì)現場不能采(cǎi)集管(guǎn)道氣體濃度信号的(de)特殊(shū)情況(kuàng)，如果(guǒ)濃度(dù)變化(huà)範圍不大，可在(zài)儀表(biǎo)參數中設置管(guǎn)道濃度定(dìng)值來(lái)進行補償(cháng)。
2 硬(yìng)件和軟件設(shè)計
2.1 硬件設(shè)計
2.1.1 硬(yìng)件結(jié)構(gòu)
   具(jù)有動(dòng)态補償的差壓(yā)式瓦斯(sī)抽放流量儀表(biǎo)的硬件結構如圖1所示(shì)。該儀表具(jù)有4個(gè)傳感(gǎn)器模(mó)塊，分别爲(wèi)差壓、絕壓、表壓和溫度檢(jiǎn)測模(mó)塊(kuài)，其(qí)中差(chà)壓和(hé)絕壓檢測(cè)模塊輸出(chū)信号(hào)經外部16位a/d模塊ad7705轉換後(hòu)通過spi總線由(yóu)mcu采集處理(lǐ)計算，溫度(dù)和表(biǎo)壓檢(jiǎn)測模塊輸(shū)出信(xìn)号由mcu内部(bù)10位a/d轉(zhuǎn)換器采集(jí)轉換後參(cān)與計(jì)算。ch4信号來(lái)自瓦斯抽放(fàng)裝(zhuāng)置内(nèi)的ch4傳(chuán)感器(qì)，mcu通過(guò)頻率信(xìn)号采集(jí)電路采(cǎi)集(jí)其輸(shū)入的頻率進行計算，最終計算的流(liú)量(liàng)結(jié)果通(tōng)過(guò)lcd顯示。在(zài)實際(jì)使用(yòng)中(zhōng)通信方(fāng)式和(hé)管徑等參(cān)數可通(tōng)過(guò)紅外(wài)遙控器直(zhí)接設(shè)置。另外，電源處(chù)理模塊增加了(le)限流和軟(ruǎn)啓動(dòng)處理；信号傳輸(shū)分爲總線和頻率2種(zhǒng)數據(jù)傳輸(shū)方式，并增(zēng)加(jiā)光耦隔離處理，提高抗幹擾性。

2.1.2 壓力信号(hào)處(chù)理
   差壓、表壓(yā)和絕(jué)壓3路(lù)信(xìn)号處理模塊(kuài)基本(běn)一緻(zhì)，選用1210a系列電流型壓(yā)力傳感器(qì)模塊。壓力測量範圍(wéi)内1.25ma電(diàn)流輸(shū)入，0～40mv電(diàn)壓信号(hào)輸出。輸(shū)出信(xìn)号經(jīng)過運(yùn)算放(fàng)大器ad8572及外(wài)圍電路器件進(jìn)行放大(dà)處(chù)理，最(zuì)終差壓（量程0～10kpa）和(hé)絕壓（量(liàng)程0～200kpa）信号(hào)通過外(wài)部16位a/d處(chù)理，表(biǎo)壓（量程－100～0kpa）信(xìn)号通過mcu内部10位(wèi)a/d轉換。a/d轉換(huàn)精度(dù)滿足差壓(yā)準确(què)度等級0.5和分辨(biàn)率0.02kpa、絕(jué)壓(yā)和表壓(yā)準确度等級1和(hé)分辨率0.3kpa的(de)要求(qiú)。
2.1.3 頻率信号采集
   ch4頻率信号采集電路如圖2所示。in＿ch4＋和(hé)in＿ch4－分别爲ch4頻率(lǜ)信号正(zhèng)負輸(shū)入(rù)端，經過(guò)光(guāng)耦tlp521隔(gé)離，輸(shū)出信(xìn)号pwm＿in直(zhí)接接入mcu進行采集處理。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
   瓦斯(sī)抽放管道(dào)内氣(qì)體介質(zhì)比較特(tè)殊，體(tǐ)現在(zài)以下(xià)方面：①氣體介質(zhì)由多種(zhǒng)氣(qì)體混(hùn)合而成；②氣體介(jiè)質受(shòu)抽放(fàng)管道(dào)前(qián)端鑽孔影響(xiǎng)，水汽成分會(huì)瞬(shùn)間增(zēng)大；③現(xiàn)場管道布(bù)置不(bú)合理會導(dǎo)緻管道内(nèi)待(dài)測氣流不穩(wěn)定。這(zhè)些情(qíng)況(kuàng)都會影響傳(chuán)感器數據采(cǎi)集的穩(wěn)定性(xìng)，造成測量(liàng)結(jié)果漂動或瞬(shùn)時失(shī)真。硬件上無法解決(jué)該問(wèn)題，因(yīn)此在軟件上采用中(zhōng)位值平均濾(lǜ)波算法(fǎ)，該算(suàn)法融(róng)合了(le)中位值濾波算法和(hé)算(suàn)術平均(jun1)濾波算法(fǎ)的優(yōu)點，可(kě)對(duì)偶然出(chū)現的脈沖(chòng)幹擾(rǎo)起到(dào)很好的抑(yì)制作用，同時也(yě)可提高信号的(de)平滑度。
   軟件在(zài)實用性方面(miàn)增(zēng)加了以下(xià)設計：①考慮到現場防(fáng)爆要(yào)求，儀(yí)表不能開(kāi)蓋，采用紅(hóng)外遙(yáo)控(kòng)按鍵(jiàn)方(fāng)式設置儀表參(cān)數；②根據(jù)現(xiàn)場不(bú)同分(fèn)站通信格(gé)式(shì)的要求(qiú)，設計(jì)基于标準modbus rtu協議的rs485和(hé)200～1000khz頻(pín)率(lǜ)輸出的2種通信方式(shì)；③根據現場管道(dào)内氣(qì)流(liú)複雜度(dù)，增加濾波次數設置功能；④根據(jù)客戶(hù)使用習慣，增加(jiā)工(gōng)況流量(liàng)和标況流(liú)量換(huàn)算以及顯示功(gōng)能；⑤根據現場特(tè)殊情(qíng)況(kuàng)，增加單(dān)參數和多參數(shù)補(bǔ)償(cháng)設(shè)置功能(néng)。
具有動态補(bǔ)償(cháng)的差(chà)壓式瓦斯(sī)抽放(fàng)流(liú)量(liàng)儀表(biǎo)的主程(chéng)序流程(chéng)如圖3所示(shì)。

3 性能測試
   爲驗(yàn)證具(jù)有動态補償的(de)差壓(yā)式瓦(wǎ)斯抽(chōu)放流量儀表在水汽(qì)較大、直管(guǎn)段(duàn)短、有振動環(huán)境下的補償性(xìng)能，将該流量儀(yí)表配合v錐流量(liàng)計安裝于2套不(bú)同的(de)瓦斯(sī)抽放(fàng)管道。第1套爲貴(guì)州小牛煤礦地(dì)面抽放泵(bèng)站附近dn700抽放管道，該(gāi)管道距離(lí)抽放(fàng)泵較近，伴有一(yī)定振(zhèn)動，且(qiě)直管(guǎn)段不(bú)足(zú)，流量範(fàn)圍爲0～300m3/min；第(dì)2套(tào)爲貴(guì)州(zhōu)米(mǐ)籮煤礦井(jǐng)下回風(fēng)巷dn300抽(chōu)放管道(dào)，該管道經(jīng)常伴有(yǒu)突然的水流(liú)流過，流量(liàng)範圍爲0～80m3/min。每(měi)套瓦斯抽(chōu)放(fàng)管道前(qián)端50cm處焊(hàn)接(jiē)測試(shì)孔用于安(ān)裝标(biāo)準流(liú)量計測試(shì)，标準流量計采(cǎi)用認可(kě)度較高(gāo)的熱式質量流(liú)量計。儀(yí)表(biǎo)在2套管道(dào)上的實測(cè)數據分别見表(biǎo)1和表2。

   從表1和表(biǎo)2可看(kàn)出，若(ruò)不采(cǎi)用溫(wēn)度(dù)、壓力和(hé)瓦斯濃度(dù)補償，小(xiǎo)牛(niú)煤(méi)礦的流(liú)量測試實時(shí)相(xiàng)對誤(wù)差(chà)爲29.6%，米籮(luó)煤礦的(de)流量測試實時相對誤差爲21.7%，補償後的(de)數據(jù)和标準(zhǔn)流量偏(piān)差在(zài)準确度1級以(yǐ)内。目前爲止(zhǐ)，具有(yǒu)動态(tài)補(bǔ)償(cháng)的(de)差壓式(shì)瓦斯抽放(fàng)流量儀表已穩定運(yùn)行2個月，沒有出(chū)現由(yóu)幹擾引起(qǐ)的數據波(bō)動。
4 結(jié)語
   介紹了一種(zhǒng)差壓式流量儀表測(cè)量(liàng)瓦斯抽(chōu)放管道氣(qì)體流量的(de)補(bǔ)償公式(shì)及方法，給(gěi)出了(le)該儀表的軟硬件設計(jì)。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該儀表可從氣體(tǐ)溫度、壓力和(hé)濃(nóng)度3方(fāng)面對(duì)瓦斯(sī)抽放管(guǎn)道(dào)氣體流量進(jìn)行實時(shí)補(bǔ)償(cháng)，減(jiǎn)小了管(guǎn)道流(liú)量測(cè)量(liàng)誤差，能較好(hǎo)地抑(yì)制現場幹擾對(duì)數據采集造成(chéng)的波動(dòng)。

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