瓦斯气体中差压式流量计的运用

介绍

   鉴于瓦斯抽放管道中流量计量装置的安装环境不同，目前煤矿使用的流量计主要包括差压V锥流量计，维拉巴流量计和热线流量计。差压V锥流量计和Verabar流量计需要配备信号处理仪器，但市场上配置的信号处理仪器只能采集一个差压信号用于计算瓦斯抽放管流量，并且不考虑环境条件。流量的影响无法实时补偿，造成流量测量结果的误差较大。鉴于此，本文设计了一种具有动态补偿功能的差压式瓦斯排放流量计，可同时测试管路内压差，管道内负压，环境压力，管道温度，管道瓦斯浓度和5个环境参数，管道气体流量测量实时补偿，提高了流量测量的准确性。

1测量原理和补偿方法

1.1传感器测量原理

   差压V锥流量计和Verabar流量计是由传感器和信号处理仪器组成的测量设备。传感器产生的差压根据流量的大小而变化。采用动态补偿的差压式瓦斯抽放流量计收集相应的管路压差，管道负压，环境压力，管道温度和管道瓦斯浓度5计算流量的环境参数。常用的差压流量计体积流量公式是

其中：QV是体积流量; k是传感器的结构因素; Δp是传感器检测到的压差; ρ是被测介质的密度。

   在实际生产和测试中，k，Δp和ρ可能导致不同程度的测量误差。 k取决于结构处理的精度，通过水流量测量装置出厂前的流量校准确定; Δp取决于差压传感器的准确度，并且交付前的准确度由压力测量校准装置校准; ρ取决于现场测试介质的状态，需要根据介质状态的变化进行实时动态补偿。

   瓦斯抽放管线中的瓦斯压力范围一般为-80〜20kPa，温度范围为0〜40℃。管道中的气体一般由空气，甲烷和其他烷烃组成。空气和CH4的比例超过99％。因此，瓦斯抽放管道中的其他气体组分几乎可以忽略不计，但空气和CH4组分的比例并未停止。品种。可以看出，需要从气体压力，温度和浓度等方面考虑中密度的动态补偿。

1.2仪器补偿方法

理想的气体状态方程：

其中：P是绝对压力; V是音量; n是物质的量; R是比例常数;

摩尔质量公式：

M = m / n（3）

其中：M是摩尔质量; m是质量。

密度计算公式：

ρ= m / V（4）

它可以从公式（2） - 公式（4）

ρ= PM / RT（5）

从等式（1）和等式（5）

由于管道中的气体主要由CH4和空气组成，因此混合气体的摩尔质量为

M = MK（1-C）+ MJC（7）

其中：MK是空气的摩尔质量; MJ是CH4的摩尔质量; C是管道气中CH4的比例。

从等式（6）和等式（7）

公式（8）为管道内气体体积流量的实时动态补偿模型，包括气体温度，压力和浓度补偿，可与排气系统完全兼容，从而使整个流量计量的精度设备可以达到1级。对于现场不能采集管道瓦斯浓度信号的特殊情况，如果浓度变化范围不大，可以在仪器参数中设置管道浓度设置进行补偿。

2硬件和软件设计

2。1硬件设计

2.1.1硬件结构

   具有动态补偿功能的差压排气流量计的硬件结构如图1所示。该仪表有四个传感器模块，即差压，绝对压力，表压和温度检测模块，其中差压和绝压输出信号压力检测模块由外部16位A / D模块AD7705转换，然后由MCU通过SPI总线收集。处理计算，温度和表压检测模块输出信号由MCU的内部10位A / D转换器捕获并转换，以参与计算。 CH4信号来自排气装置中的CH4传感器。 MCU通过频率信号采集电路采集其输入频率进行计算，最后通过LCD显示器计算流量结果。实际应用中，通信方式，管径等参数可以通过红外遥控器直接设置。另外，电源处理模块增加了限流和软启动处理，信号传输分为总线和频率两种数据传输方式，增加了光隔离处理，提高了抗干扰性能。

带有动态补偿的压差式瓦斯排放流量计硬件结构图

2.1.2压力信号处理

   差压，表压和绝对压力信号处理模块基本相同，选用1210A系列电流型压力传感器模块。压力测量范围内的电流输入为1.25mA，电压信号输出为0-40mV。输出信号由运算放大器AD8572和外部电路器件放大。最终压差（范围从0到10 kPa）和绝对压力（范围从0到200 kPa）由外部16位A / D和表压（范围从-100到0 kPa）处理。信号通过通过MCU的内部10位A / D转换。 A / D转换精度满足差压精度等级0.5和分辨率0.02 kPa，绝对压力和仪表精度等级1以及分辨率0.3 kPa的要求。

2.1.3频率信号采集

    CH4频率信号采集电路如图2所示.IN_CH4 +和IN_CH4-分别为CH4频率信号的正负输入端，并由光耦TLP521隔离。输出信号PWM_IN直接连接到MCU进行采集和处理。

频率信号采集电路

2.2软件设计

    排气管道中的气态介质比较特殊，主要体现在以下几个方面：1，气体介质是由各种气体混合而成; 2由于排水管道前部钻孔的影响，水蒸汽的组成会瞬间增加， 3现场管道布置不合理会导致管道内气流不稳定。这些条件将影响传感器数据采集的稳定性，导致测量结果的徘徊或瞬间失真。硬件无法解决问题。因此，在软件中使用中值中值滤波算法。该算法结合了中值滤波算法和算术平均滤波算法的优点，可以抑制意外脉冲干扰。 ，而且还可以提高信号的平滑度。

   该软件在实用性方面增加了以下设计：1考虑到现场防爆要求，仪器无法打开外壳，使用红外遥控器键设置仪器参数; 2根据现场不同变电站通讯格式要求，根据标准Modbus RTU协议设计RS485两种通讯方式，频率输出200〜1000kHz;根据现场管线中的气流复杂程度，增加过滤次数设置功能; 4，根据客户习惯，增加工作流程和标准条件流量转换和显示功能; 5根据现场特殊情况，增加单参数和多参数补偿设定功能。

带动态补偿的差压排气流量计主程序流程如图3所示。

带动态补偿的差压式瓦斯抽放流量计主程序流程图

3性能测试

   在大水汽，短直管段和振动环境下，对带有动态补偿的差压排气流量计的补偿性能进行验证，在两个不同的排气管上安装带有V锥流量计的流量计。 。贵州小牛队煤矿地面泵站附近排放1号DN700排水管。管道靠近泵并伴有一定的振动。直管段不足，流量范围为0〜300m3 / min。米河煤矿地下回流巷道DN300排水管常伴有突然流水。流量范围从0到80立方米/分钟。每个排气管前端50cm用于测试标准流量计。标准流量计使用具有更高接受度的热式质量流量计。两组管道上仪器的实测数据分别见表1和表2。

   从表1和表2可以看出，如果不采用温度，压力和气体浓度补偿，Maverick煤矿流量测试的实时相对误差为29.6％，实时相对误差米河矿井流量测试结果为21.7％。数据和标准流量偏差在1度精度内。到目前为止，具有动态补偿的差压气体排水流量计已稳定2个月，没有干扰造成数据波动。

4。结论

     本文介绍了一种用差压式流量计测量瓦斯抽放管道的气体流量补偿公式和方法，并给出了仪器的硬件和软件设计。 现场测试结果表明，该仪表可以根据气体温度，压力，浓度3实时补偿排气管道的气体流量，减少了管道流量的测量误差，更好地抑制了由 现场对数据采集的干扰。

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