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0 引言
   針對瓦斯抽放管道中流量計量裝置不同的安裝環(huán)境，目前煤礦使用的流量計主要有差壓式V錐流量計和威力巴流量計、熱線式流量計。差壓式V錐流量計和威力巴流量計需要配置信號處理儀表，但市場上配置的信號處理儀表只能采集1個差壓信號用于計算瓦斯抽放管道流量，且沒有考慮環(huán)境條件變化對流量的影響，不能進行實時補償，造成流量測量結(jié)果誤差較大。鑒此，一種具有動態(tài)補償?shù)?strong>差壓式瓦斯抽放流量儀表，可同時測試管道差壓、管道負壓、環(huán)境絕壓、管道溫度、管道瓦斯?jié)舛?個環(huán)境參數(shù)，并對管道瓦斯流量測量進行實時補償，提高了流量測量的準確性。
1 測量原理及補償方法
1.1 傳感器測量原理
   差壓式V錐流量計和威力巴流量計是由傳感器和信號處理儀表組成的測量裝置。傳感器產(chǎn)生一個依據(jù)流量大小而變化的差壓。具有動態(tài)補償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績x表采集相應(yīng)管道差壓、管道負壓、環(huán)境絕壓、管道溫度和管道瓦斯?jié)舛?個環(huán)境參數(shù)，用于計算流量。常用的差壓式流量計體積流量計算公式為

式中：QV為體積流量；k為傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)；Δp為傳感器檢測的差壓；ρ為被測介質(zhì)的密度。
   在實際生產(chǎn)和測試中，k，Δp和ρ都可能造成不同程度的測量誤差。其中k取決于結(jié)構(gòu)加工精密度，出廠前通過水流量計量裝置實流標定確定；Δp取決于差壓傳感器精度，出廠前精度通過壓力計量標校裝置標校；ρ取決于現(xiàn)場測試介質(zhì)狀態(tài)，需要根據(jù)介質(zhì)狀態(tài)的變化進行實時動態(tài)補償。
   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，但空氣和CH4的組分比例在不停變化。由此可見，介質(zhì)密度動態(tài)補償需要從氣體壓力、溫度和濃度3方面來考慮。
1.2 儀表補償方法
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)量計算公式：
M＝m/n （3）
式中：M為摩爾質(zhì)量；m為質(zhì)量。
密度計算公式：
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)氣體體積流量實時動態(tài)補償模型，包含了氣體溫度、壓力和濃度補償，可以完全兼容應(yīng)用在瓦斯抽放系統(tǒng)中，使整個流量計量裝置準確度達到1級。針對現(xiàn)場不能采集管道氣體濃度信號的特殊情況，如果濃度變化范圍不大，可在儀表參數(shù)中設(shè)置管道濃度定值來進行補償。
2 硬件和軟件設(shè)計
2.1 硬件設(shè)計
2.1.1 硬件結(jié)構(gòu)
   具有動態(tài)補償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績x表的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該儀表具有4個傳感器模塊，分別為差壓、絕壓、表壓和溫度檢測模塊，其中差壓和絕壓檢測模塊輸出信號經(jīng)外部16位A/D模塊AD7705轉(zhuǎn)換后通過SPI總線由MCU采集處理計算，溫度和表壓檢測模塊輸出信號由MCU內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換后參與計算。CH4信號來自瓦斯抽放裝置內(nèi)的CH4傳感器，MCU通過頻率信號采集電路采集其輸入的頻率進行計算，最終計算的流量結(jié)果通過LCD顯示。在實際使用中通信方式和管徑等參數(shù)可通過紅外遙控器直接設(shè)置。另外，電源處理模塊增加了限流和軟啟動處理；信號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 壓力信號處理
   差壓、表壓和絕壓3路信號處理模塊基本一致，選用1210A系列電流型壓力傳感器模塊。壓力測量范圍內(nèi)1.25mA電流輸入，0～40mV電壓信號輸出。輸出信號經(jīng)過運算放大器AD8572及外圍電路器件進行放大處理，最終差壓（量程0～10kPa）和絕壓（量程0～200kPa）信號通過外部16位A/D處理，表壓（量程－100～0kPa）信號通過MCU內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換精度滿足差壓準確度等級0.5和分辨率0.02kPa、絕壓和表壓準確度等級1和分辨率0.3kPa的要求。
2.1.3 頻率信號采集
   CH4頻率信號采集電路如圖2所示。IN＿CH4＋和IN＿CH4－分別為CH4頻率信號正負輸入端，經(jīng)過光耦TLP521隔離，輸出信號PWM＿IN直接接入MCU進行采集處理。

2.2 軟件設(shè)計
   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，水汽成分會瞬間增大；③現(xiàn)場管道布置不合理會導(dǎo)致管道內(nèi)待測氣流不穩(wěn)定。這些情況都會影響傳感器數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，造成測量結(jié)果漂動或瞬時失真。硬件上無法解決該問題，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，可對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾起到很好的抑制作用，同時也可提高信號的平滑度。
   軟件在實用性方面增加了以下設(shè)計：①考慮到現(xiàn)場防爆要求，儀表不能開蓋，采用紅外遙控按鍵方式設(shè)置儀表參數(shù)；②根據(jù)現(xiàn)場不同分站通信格式的要求，設(shè)計基于標準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，增加工況流量和標況流量換算以及顯示功能；⑤根據(jù)現(xiàn)場特殊情況，增加單參數(shù)和多參數(shù)補償設(shè)置功能。
具有動態(tài)補償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績x表的主程序流程如圖3所示。

3 性能測試
   為驗證具有動態(tài)補償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績x表在水汽較大、直管段短、有振動環(huán)境下的補償性能，將該流量儀表配合V錐流量計安裝于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，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，流量范圍為0～80m3/min。每套瓦斯抽放管道前端50cm處焊接測試孔用于安裝標準流量計測試，標準流量計采用認可度較高的熱式質(zhì)量流量計。儀表在2套管道上的實測數(shù)據(jù)分別見表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償，小牛煤礦的流量測試實時相對誤差為29.6%，米籮煤礦的流量測試實時相對誤差為21.7%，補償后的數(shù)據(jù)和標準流量偏差在準確度1級以內(nèi)。目前為止，具有動態(tài)補償?shù)牟顗菏酵咚钩榉帕髁績x表已穩(wěn)定運行2個月，沒有出現(xiàn)由干擾引起的數(shù)據(jù)波動。
4 結(jié)語
   介紹了一種差壓式流量儀表測量瓦斯抽放管道氣體流量的補償公式及方法，給出了該儀表的軟硬件設(shè)計。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該儀表可從氣體溫度、壓力和濃度3方面對瓦斯抽放管道氣體流量進行實時補償，減小了管道流量測量誤差，能較好地抑制現(xiàn)場干擾對數(shù)據(jù)采集造成的波動。

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