0 引言
   針對(duì)瓦斯抽放管道(dao)中流量計量裝(zhuāng)置不同的安裝(zhuang)環境，目前煤礦(kuang)使用的流量計(jì)主要有 差壓式(shi)V錐流量計 和 威(wei)力巴流量計 、熱(rè)線式流量計。差(cha)壓式V錐流量計(ji)和威力巴流量(liàng)計需㊙️要配置信(xìn)号處理儀表，但(dan)市場上配置的(de)信号處理儀表(biǎo)隻能采集1個差(cha)壓信号用于計(ji)算瓦斯抽放管(guan)道流量，且沒‼️有(yǒu)考慮環境條件(jiàn)變化對流量的(de)影響，不能進行(háng)實時補償，造成(chéng)流量測量結果(guo)誤差較大。鑒此(cǐ)，一種具有動态(tai)補🈲償的差壓式(shì)瓦斯抽放流量(liàng)儀表 ，可同時測(cè)試管道差壓、管(guan)道負壓、環境絕(jue)壓、管道溫☎️度、管(guan)道瓦斯濃度5個(ge)環境參數，并對(dui)管道瓦斯流量(liàng)測量進行實時(shí)補償⛱️，提高了流(liú)量測量的準确(que)性。
1 測量原理及(ji)補償方法
1.1 傳感(gǎn)器測量原理
   差(chà)壓式V錐流量計(jì)和威力巴流量(liàng)計是由傳感器(qì)和信号👣處理💃🏻儀(yi)表組成的測量(liàng)裝置。傳感器産(chǎn)生一個依據流(liú)量🤩大小而變化(huà)的差壓。具有動(dong)态補償的差🤩壓(ya)式瓦❤️斯抽放♋流(liu)量儀表采集相(xiàng)應管道差壓、管(guǎn)道負壓、環境絕(jue)壓、管道🔞溫度和(he)管道瓦斯濃度(du)5個環境參數，用(yòng)于計算流量。常(cháng)用的差壓式流(liu)量計體積流量(liàng)計算公式爲

式(shì)中：QV爲體積流量(liàng)；k爲傳感器的結(jie)構系數；Δp爲傳感(gan)器檢測的差壓(yā)🔴；ρ爲被測介質的(de)密度。
   在實際生(sheng)産和測試中，k，Δp和(he)ρ都可能造成不(bu)同程度的🔞測量(liang)誤差✉️。其中k取決(jué)于結構加工精(jīng)密度，出廠前通(tong)⛹🏻‍♀️過水流量計量(liang)裝置實流标定(ding)确定；Δp取決于差(chà)壓傳感器精度(dù)，出廠前精度通(tōng)過壓力計量标(biao)校裝置标校；ρ取(qu)決于現場測試(shi)介質狀态，需要(yao)根據🤩介質狀态(tài)的變化進行🤞實(shi)時動态補償。
   瓦(wa)斯抽放管道内(nèi)氣體壓力變化(huà)範圍一般爲-80～20kPa，溫(wen)度變化範圍爲(wei)❤️0～40℃。管道内氣體一(yi)般由空氣、CH4及其(qí)他烷類氣體組(zu)成，空氣和CH4比例(lì)占🔴99%以上，因此瓦(wa)斯抽放管道内(nei)其他💯氣體組分(fèn)幾乎可以忽略(lue)不計，但空氣和(he)CH4的組分比例在(zài)不停變化。由此(ci)可見，介質密度(dù)動态補🈲償需要(yao)從氣體壓力、溫(wēn)度和濃度3方面(miàn)🙇‍♀️來考慮。
1.2 儀表補(bǔ)償方法
理想氣(qì)體狀态方程：

式(shi)中：P爲絕壓；V爲體(ti)積；n爲物質的量(liang)；R爲比例常數；T爲(wei)溫度。
摩爾質量(liàng)計算公式：
M＝m/n （3）
式中(zhong)：M爲摩爾質量；m爲(wèi)質量。
密度計算(suàn)公式：
ρ＝m/V （4）
由式（2）—式（4）可(ke)得
ρ＝PM/RT （5）
由式（1）和式（5）可(ke)得

由于管道内(nei)氣體主要由CH4和(he)空氣組成，所以(yi)混合氣體的摩(mó)爾🚶質量爲
M＝MK（1－C）＋MJC    （7）
式中(zhōng)：MK爲空氣的摩爾(er)質量；MJ爲CH4的摩爾(ěr)質量；C爲管道氣(qi)🐪體㊙️中CH4比例。
由式(shì)（6）和式（7）可得

式（8）爲(wei)管道内氣體體(ti)積流量實時動(dòng)态補償模型，包(bao)❄️含🤩了氣體💔溫度(dù)、壓力和濃度補(bǔ)償，可以完全兼(jiān)容應用在瓦斯(sī)抽放系統中，使(shǐ)🌈整個流量計量(liàng)裝置準确⭐度達(da)到1級。針對現場(chang)不能采集管道(dào)氣🈲體濃度信号(hao)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的特殊情況，如(rú)果濃🏃‍♂️度變化範(fàn)圍不大，可在儀(yi)表參♻️數中設置(zhi)管道濃度定值(zhi)來進行補償🈲。
2 硬(ying)件和軟件設計(ji)
2.1 硬件設計
2.1.1 硬件(jiàn)結構
   具有動态(tài)補償的差壓式(shì)瓦斯抽放流量(liàng)儀表的硬件😄結(jié)💋構如圖1所示。該(gai)儀表具有4個傳(chuan)感器模塊，分别(bie)爲差壓、絕壓、表(biǎo)壓和♌溫度㊙️檢測(ce)模塊，其中差壓(ya)和絕📐壓檢測模(mó)塊輸出信号經(jing)外部16位A/D模塊AD7705轉(zhuan)換後通過SPI總線(xian)由MCU采集處理計(jì)💜算，溫度和表壓(yā)檢測模塊輸出(chu)信号由MCU内部10位(wei)A/D轉換器采⛱️集轉(zhuǎn)換後參與計算(suàn)。CH4信号來自瓦斯(sī)抽放裝置内的(de)CH4傳感器，MCU通過頻(pín)率信号采集電(diàn)路采集其輸入(rù)的頻率進行計(ji)算，最終計算的(de)流量結果通過(guò)LCD顯示🌈。在實際使(shǐ)用中通信方式(shì)和管徑等參數(shù)可通過紅外遙(yáo)控器直接設置(zhi)。另外，電源處理(li)模塊增加了限(xian)流和☎️軟啓動處(chù)理；信号傳輸分(fen)爲總線和頻率(lü)2種數據傳輸👈方(fāng)式，并增加光耦(ou)隔離👈處理，提高(gāo)抗幹擾性。

2.1.2 壓力信(xin)号處理
   差壓、表(biǎo)壓和絕壓3路信(xìn)号處理模塊基(ji)本一緻，選用1210A系(xi)列電流型壓力(lì)傳感器模塊。壓(yā)力測量範圍内(nèi)1.25mA電流輸入，0～40mV電壓(ya)信号輸出。輸出(chū)信号經過運算(suàn)放大器🧑🏾‍🤝‍🧑🏼AD8572及外圍(wei)🔴電路器件進行(háng)👨‍❤️‍👨放大處理，最終(zhōng)🎯差壓（量程0～10kPa）和絕(jue)壓（量程0～200kPa）信号通(tōng)過外部16位A/D處理(li)，表壓（量程－100～0kPa）信号(hao)通過MCU内部10位A/D轉(zhuan)換。A/D轉換精度滿(man)足差壓準🌈确度(du)等級0.5和🈲分辨率(lü)0.02kPa、絕壓和表壓準(zhun)确度等級1和分(fèn)辨率0.3kPa的要求。
2.1.3 頻(pín)率信号采集
   CH4頻(pin)率信号采集電(dian)路如圖2所示。IN＿CH4＋和(he)IN＿CH4－分别爲CH4頻率信(xìn)号正負輸入端(duān)，經過光耦TLP521隔離(lí)，輸出信号PWM＿IN直接(jie)接入MCU進☀️行采集(ji)處理。

2.2 軟(ruan)件設計
   瓦斯抽(chou)放管道内氣體(ti)介質比較特殊(shū)，體現在以下方(fang)面：①氣體介質由(yóu)多種氣體混合(he)而成；②氣體介質(zhì)受抽放管道前(qián)端鑽孔影響，水(shui)汽成分會瞬間(jian)增大；③現場管道(dào)布置不合理會(huì)導緻管道内待(dài)測氣流不穩定(dìng)。這些情況都會(huì)影響傳感器數(shù)據采集的穩定(ding)性，造成測量結(jié)果漂動或瞬時(shí)失真。硬件上無(wu)法解決該問題(tí)，因此在軟件上(shàng)采用中位值平(ping)均濾波算法，該(gāi)算法融⛱️合了中(zhong)🔞位值濾波算法(fa)和算術平均濾(lü)波算法的優點(dian)，可對偶然出現(xiàn)的脈沖幹擾起(qi)到很好的抑制(zhì)作🐕用，同時也可(kě)提高信号的平(ping)滑度。
   軟件在實(shi)用性方面增加(jiā)了以下設計：①考(kao)慮到現場防爆(bào)要求，儀表不能(neng)開蓋，采用紅外(wai)遙控按鍵方式(shi)設置🔞儀表參數(shu)；②根據現場不同(tóng)分站通信格式(shì)的要求，設計基(jī)于标準Modbus RTU協議⭐的(de)RS485和200～1000kHz頻率輸出的(de)2種通信方式；③根(gen)據現場管道内(nei)氣流複雜度，增(zēng)加濾波次數設(she)💔置功能；④根據客(ke)戶使用習慣，增(zeng)加工況🐆流量和(hé)标況流量換算(suan)以及顯示功能(néng)；⑤根據現場特殊(shu)情況，增加單參(can)數和多參數補(bu)償設置功能。
具(ju)有動态補償的(de)差壓式瓦斯抽(chou)放流量儀表的(de)主程序🌏流程💁如(rú)圖3所示。

3 性能測(cè)試
   爲驗證具有(yǒu)動态補償的差(chà)壓式瓦斯抽放(fàng)流量儀表在水(shui)汽較☂️大、直管段(duan)短、有振動環境(jing)下的補償性😍能(neng)，将👅該流量儀表(biǎo)配合V錐🔅流量計(ji)安裝于2套不同(tóng)的😍瓦斯抽放管(guan)道。第1套爲貴州(zhou)小牛煤礦地面(miàn)抽放泵站附近(jìn)DN700抽放管道，該管(guǎn)道距離抽放泵(bèng)較近，伴有一定(dìng)振動，且直管段(duan)不足，流量範圍(wéi)爲0～300m3/min；第2套爲貴州(zhou)米🙇‍♀️籮煤礦井下(xia)回風巷DN300抽放管(guǎn)道，該管道經常(chang)伴有突然的水(shui)流流過，流🙇🏻量範(fàn)圍🐉爲0～80m3/min。每套瓦斯(si)抽放管道前㊙️端(duan)✂️50cm處焊接測試孔(kǒng)用于安裝标準(zhun)流量計🈚測試，标(biao)準流量計采用(yòng)認可度較高的(de)熱式質量流量(liàng)計。儀表在2套管(guǎn)道上的實測數(shù)據分别見表1和(he)表2。

   從表1和表2可(kě)看出，若不采用(yòng)溫度、壓力和瓦(wa)斯濃度補償🚶，小(xiǎo)牛煤礦的流量(liang)測試實時相對(duì)誤差爲29.6%，米籮煤(méi)礦的流量測試(shi)實時相對誤差(chà)爲21.7%，補償後的數(shù)據和标準流量(liang)偏差在準确度(dù)1級以内。目前爲(wèi)止，具有動态補(bǔ)償的差壓式瓦(wa)斯抽放流量儀(yi)表🔞已穩定運🔴行(háng)2個月，沒有出現(xian)由幹擾引起的(de)數據波動。
4 結語(yǔ)
   介紹了一種差(chà)壓式流量儀表(biao)測量瓦斯抽放(fàng)管道🌏氣體流量(liàng)的補償公式及(ji)方法，給出了該(gai)儀表的軟硬件(jiàn)設計✍️。現場測試(shi)結果表明，該儀(yi)表可從氣體溫(wen)💔度、壓力和濃度(du)3方面對瓦斯抽(chou)放管道氣體流(liu)量進行實時補(bǔ)償，減小了管道(dao)流量測量誤差(chà)，能較好地🚩抑制(zhi)現場幹擾對數(shù)據采集造成的(de)波動。

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