0 引(yin)言
   針(zhen)對瓦(wa)斯抽(chou)放管(guan)道中(zhong)流量(liang)計量(liang)裝置(zhi)不同(tong)的安(an)裝♉環(huan)境，目(mu)🔞前煤(mei)😍礦使(shi)用的(de)流量(liang)計主(zhu)要有(you) 差壓(ya)式V錐(zhui)流量(liang)計 和(he) 威力(li)巴流(liu)量計(ji) 、熱線(xian)式流(liu)量計(ji)。差壓(ya)式V錐(zhui)流量(liang)計和(he)威力(li)巴流(liu)量計(ji)🐆需要(yao)㊙️配置(zhi)信号(hao)處理(li)儀表(biao)，但市(shi)場上(shang)配置(zhi)的信(xin)号處(chu)理儀(yi)表隻(zhi)能采(cai)集1個(ge)差壓(ya)信号(hao)用于(yu)計算(suan)瓦斯(si)抽放(fang)管道(dao)流🏃‍♀️量(liang)，且沒(mei)有考(kao)慮環(huan)境條(tiao)件變(bian)化對(dui)流量(liang)的影(ying)響，不(bu)能進(jin)行實(shi)時補(bu)償，造(zao)成流(liu)量測(ce)量結(jie)果誤(wu)差較(jiao)🎯大。鑒(jian)此，一(yi)種具(ju)有動(dong)态補(bu)償的(de)差壓(ya)式瓦(wa)斯抽(chou)放流(liu)量儀(yi)表 ，可(ke)同時(shi)測試(shi)管道(dao)差壓(ya)、管道(dao)負壓(ya)、環境(jing)絕壓(ya)、管道(dao)溫度(du)、管道(dao)🏃‍♀️瓦斯(si)濃度(du)5個環(huan)境參(can)數，并(bing)對管(guan)道瓦(wa)斯流(liu)量測(ce)量♋進(jin)行🆚實(shi)時補(bu)償，提(ti)高了(le)流量(liang)測量(liang)的準(zhun)确性(xing)。
1 測量(liang)原理(li)及補(bu)償方(fang)法
1.1 傳(chuan)感器(qi)測量(liang)原理(li)
   差壓(ya)式V錐(zhui)流量(liang)計和(he)威力(li)巴流(liu)量計(ji)是由(you)傳感(gan)器和(he)💰信号(hao)😘處理(li)儀表(biao)組成(cheng)的測(ce)量裝(zhuang)置。傳(chuan)感器(qi)産生(sheng)一個(ge)依據(ju)流量(liang)大小(xiao)而變(bian)化的(de)差壓(ya)。具有(you)動态(tai)補償(chang)的差(cha)壓式(shi)瓦斯(si)抽放(fang)👌流量(liang)儀表(biao)采集(ji)相應(ying)管道(dao)差壓(ya)、管道(dao)負壓(ya)、環境(jing)絕壓(ya)、管道(dao)溫度(du)和管(guan)道瓦(wa)斯濃(nong)度5個(ge)環境(jing)🔱參數(shu)，用于(yu)計算(suan)流量(liang)。常用(yong)的差(cha)壓式(shi)流🈚量(liang)計體(ti)積流(liu)♌量計(ji)算公(gong)式爲(wei)🏒

式中(zhong)：QV爲體(ti)積流(liu)量；k爲(wei)傳感(gan)器的(de)結構(gou)系數(shu)；Δp爲傳(chuan)感器(qi)檢測(ce)的差(cha)壓；ρ爲(wei)被測(ce)介質(zhi)的密(mi)度。
   在(zai)實際(ji)生産(chan)和測(ce)試中(zhong)，k，Δp和ρ都(dou)可能(neng)造成(cheng)不同(tong)程度(du)的測(ce)量誤(wu)差🈲。其(qi)中k取(qu)決于(yu)結構(gou)加工(gong)精密(mi)度，出(chu)廠前(qian)通過(guo)水流(liu)量計(ji)量裝(zhuang)置實(shi)流标(biao)定确(que)定；Δp取(qu)決于(yu)差壓(ya)傳感(gan)器精(jing)度，出(chu)廠前(qian)精度(du)通過(guo)壓🏃力(li)計量(liang)标校(xiao)裝置(zhi)标校(xiao)；ρ取決(jue)于現(xian)場測(ce)試介(jie)質狀(zhuang)态，需(xu)要根(gen)據介(jie)質狀(zhuang)态💋的(de)變化(hua)進行(hang)實時(shi)動态(tai)補償(chang)。
   瓦斯(si)抽放(fang)管道(dao)内氣(qi)體壓(ya)力變(bian)化範(fan)圍一(yi)般爲(wei)-80～20kPa，溫度(du)變化(hua)範👅圍(wei)爲0～40℃。管(guan)道内(nei)氣體(ti)一般(ban)由空(kong)氣、CH4及(ji)其他(ta)烷類(lei)氣體(ti)組成(cheng)，空氣(qi)和CH4比(bi)例占(zhan)99%以上(shang)，因此(ci)瓦斯(si)抽放(fang)管道(dao)内其(qi)他氣(qi)體組(zu)分幾(ji)乎可(ke)以忽(hu)略不(bu)計🆚，但(dan)空氣(qi)和CH4的(de)組分(fen)比例(li)👉在不(bu)停變(bian)化。由(you)此可(ke)見，介(jie)質密(mi)度動(dong)态補(bu)償需(xu)要從(cong)氣體(ti)壓力(li)、溫度(du)和濃(nong)度3方(fang)面來(lai)考慮(lü)。
1.2 儀表(biao)補償(chang)方法(fa)
理想(xiang)氣體(ti)狀态(tai)方程(cheng)：

式中(zhong)：P爲絕(jue)壓；V爲(wei)體積(ji)；n爲物(wu)質的(de)量；R爲(wei)比例(li)常數(shu)；T爲溫(wen)度🌈。
摩(mo)爾質(zhi)量計(ji)算公(gong)式：
M＝m/n （3）
式(shi)中：M爲(wei)摩爾(er)質量(liang)；m爲質(zhi)量。
密(mi)度計(ji)算公(gong)式：
ρ＝m/V （4）
由(you)式（2）—式(shi)（4）可得(de)
ρ＝PM/RT （5）
由式(shi)（1）和式(shi)（5）可得(de)

由于(yu)管道(dao)内氣(qi)體主(zhu)要由(you)CH4和空(kong)氣組(zu)成，所(suo)以混(hun)合氣(qi)體的(de)摩爾(er)質㊙️量(liang)爲
M＝MK（1－C）＋MJC    （7）
式(shi)中：MK爲(wei)空氣(qi)的摩(mo)爾質(zhi)量；MJ爲(wei)CH4的摩(mo)爾質(zhi)量；C爲(wei)管道(dao)氣體(ti)👨‍❤️‍👨中CH4比(bi)例。
由(you)式（6）和(he)式（7）可(ke)得

式(shi)（8）爲管(guan)道内(nei)氣體(ti)體積(ji)流量(liang)實時(shi)動态(tai)補償(chang)模型(xing)，包含(han)🐕了氣(qi)體❄️溫(wen)度、壓(ya)力和(he)濃度(du)補償(chang)，可以(yi)完全(quan)兼容(rong)應🏃用(yong)在瓦(wa)斯✌️抽(chou)放系(xi)統中(zhong)，使整(zheng)個流(liu)量計(ji)量裝(zhuang)置準(zhun)确度(du)達到(dao)1級。針(zhen)對現(xian)場不(bu)能采(cai)集管(guan)道氣(qi)體濃(nong)度信(xin)号的(de)特殊(shu)情況(kuang)，如果(guo)濃度(du)變化(hua)範圍(wei)不大(da)，可在(zai)儀表(biao)參數(shu)中設(she)置管(guan)道濃(nong)度定(ding)值來(lai)進行(hang)補償(chang)✂️。
2 硬件(jian)和軟(ruan)件設(she)計
2.1 硬(ying)件設(she)計
2.1.1 硬(ying)件結(jie)構
   具(ju)有動(dong)态補(bu)償的(de)差壓(ya)式瓦(wa)斯抽(chou)放流(liu)量儀(yi)表的(de)硬件(jian)結構(gou)如圖(tu)1所示(shi)。該儀(yi)表具(ju)有4個(ge)傳感(gan)器模(mo)塊，分(fen)别爲(wei)差壓(ya)、絕壓(ya)、表壓(ya)和溫(wen)度🈲檢(jian)測模(mo)塊，其(qi)中差(cha)壓和(he)絕☀️壓(ya)檢測(ce)🤩模塊(kuai)輸出(chu)信号(hao)經外(wai)部16位(wei)A/D模塊(kuai)AD7705轉換(huan)後通(tong)過SPI總(zong)線由(you)MCU采集(ji)處理(li)計算(suan)，溫度(du)和表(biao)壓檢(jian)測模(mo)塊輸(shu)出🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信(xin)号由(you)MCU内部(bu)♊10位A/D轉(zhuan)換器(qi)采集(ji)轉換(huan)後參(can)與計(ji)算。CH4信(xin)号來(lai)自瓦(wa)斯抽(chou)放裝(zhuang)置内(nei)的CH4傳(chuan)感器(qi)，MCU通過(guo)頻率(lü)信号(hao)采集(ji)電路(lu)采集(ji)其輸(shu)入的(de)頻率(lü)進行(hang)計算(suan)，最終(zhong)計算(suan)的💰流(liu)😄量結(jie)果通(tong)過LCD顯(xian)示。在(zai)實際(ji)使用(yong)中通(tong)信👨‍❤️‍👨方(fang)式和(he)管徑(jing)等參(can)數可(ke)通過(guo)紅外(wai)遙控(kong)器直(zhi)接設(she)置。另(ling)外，電(dian)源處(chu)理模(mo)塊增(zeng)加了(le)限流(liu)和軟(ruan)啓動(dong)處理(li)；信号(hao)傳輸(shu)分爲(wei)總線(xian)和頻(pin)率2種(zhong)數據(ju)傳輸(shu)🔞方式(shi)，并增(zeng)加光(guang)耦隔(ge)離處(chu)理，提(ti)高抗(kang)幹擾(rao)性。

2.1.2 壓力(li)信号(hao)處理(li)
   差壓(ya)、表壓(ya)和絕(jue)壓3路(lu)信号(hao)處理(li)模塊(kuai)基本(ben)一緻(zhi)，選用(yong)1210A系列(lie)電流(liu)型壓(ya)力傳(chuan)感器(qi)模塊(kuai)。壓力(li)測量(liang)範圍(wei)内1.25mA電(dian)流輸(shu)入，0～40mV電(dian)壓信(xin)号輸(shu)出。輸(shu)🍉出信(xin)号經(jing)過運(yun)算放(fang)大器(qi)🔞AD8572及外(wai)圍電(dian)路器(qi)📞件進(jin)行放(fang)大處(chu)理，最(zui)終差(cha)壓（量(liang)程0～10kPa）和(he)絕壓(ya)（量程(cheng)⛹🏻‍♀️0～200kPa）信号(hao)通過(guo)外部(bu)16位A/D處(chu)理，表(biao)壓（量(liang)程－100～0kPa）信(xin)号通(tong)過MCU内(nei)部10位(wei)A/D轉換(huan)。A/D轉換(huan)精度(du)滿足(zu)差壓(ya)準确(que)度等(deng)級0.5和(he)分辨(bian)率0.02kPa、絕(jue)壓和(he)表壓(ya)準确(que)度等(deng)💚級1和(he)分辨(bian)率0.3kPa的(de)要求(qiu)。
2.1.3 頻率(lü)信号(hao)采集(ji)
   CH4頻率(lü)信号(hao)采集(ji)電路(lu)如圖(tu)2所示(shi)。IN＿CH4＋和IN＿CH4－分(fen)别爲(wei)CH4頻率(lü)信号(hao)正負(fu)輸入(ru)✔️端，經(jing)過光(guang)耦TLP521隔(ge)離，輸(shu)出信(xin)号PWM＿IN直(zhi)接接(jie)入MCU進(jin)行采(cai)集處(chu)理。

2.2 軟件(jian)設計(ji)
   瓦斯(si)抽放(fang)管道(dao)内氣(qi)體介(jie)質比(bi)較特(te)殊，體(ti)現在(zai)以下(xia)方面(mian)：①氣體(ti)🌏介質(zhi)由多(duo)種氣(qi)體混(hun)合而(er)成；②氣(qi)體介(jie)質受(shou)抽放(fang)管道(dao)前端(duan)鑽孔(kong)影響(xiang)，水汽(qi)成分(fen)會瞬(shun)間增(zeng)大；③現(xian)場管(guan)道布(bu)置不(bu)💚合理(li)會導(dao)緻管(guan)道内(nei)待測(ce)氣流(liu)不穩(wen)定。這(zhe)些情(qing)♈況都(dou)會影(ying)響傳(chuan)感器(qi)數據(ju)采集(ji)的穩(wen)定性(xing)✍️，造成(cheng)測量(liang)結果(guo)漂動(dong)或瞬(shun)時失(shi)真。硬(ying)件上(shang)無法(fa)解決(jue)該問(wen)題，因(yin)此在(zai)軟件(jian)上采(cai)用中(zhong)位值(zhi)平均(jun)濾波(bo)算法(fa)，該算(suan)法融(rong)合了(le)中位(wei)值濾(lü)波算(suan)法和(he)算術(shu)平均(jun)濾波(bo)算法(fa)的優(you)點，可(ke)對偶(ou)♌然出(chu)現的(de)脈沖(chong)幹擾(rao)起到(dao)很好(hao)的抑(yi)制作(zuo)👌用，同(tong)時也(ye)可提(ti)高信(xin)号的(de)平滑(hua)度。
   軟(ruan)件在(zai)實用(yong)性方(fang)面增(zeng)加了(le)以下(xia)設計(ji)：①考慮(lü)到現(xian)場防(fang)爆要(yao)求♌，儀(yi)表不(bu)能開(kai)蓋，采(cai)用紅(hong)外遙(yao)控按(an)鍵方(fang)式⛹🏻‍♀️設(she)置🔞儀(yi)表💞參(can)數；②根(gen)據現(xian)場不(bu)同分(fen)站通(tong)信格(ge)式的(de)要求(qiu)，設計(ji)基于(yu)标準(zhun)Modbus RTU協議(yi)的RS485和(he)200～1000kHz頻率(lü)輸出(chu)♉的2種(zhong)通信(xin)方式(shi)；③根據(ju)現場(chang)管道(dao)内氣(qi)流複(fu)雜度(du)，增加(jia)濾波(bo)次數(shu)設🌈置(zhi)功能(neng)；④根據(ju)客戶(hu)使用(yong)習慣(guan)，增加(jia)工況(kuang)㊙️流量(liang)和标(biao)況✌️流(liu)量換(huan)算以(yi)及顯(xian)示功(gong)能；⑤根(gen)據🐪現(xian)場特(te)殊情(qing)況，增(zeng)加單(dan)參數(shu)和多(duo)參數(shu)補償(chang)設置(zhi)功能(neng)。
具有(you)動态(tai)補償(chang)的差(cha)壓式(shi)瓦斯(si)抽放(fang)流量(liang)儀表(biao)的主(zhu)程序(xu)流程(cheng)如圖(tu)3所示(shi)。

3 性能(neng)測試(shi)
   爲驗(yan)證具(ju)有動(dong)态補(bu)償的(de)差壓(ya)式瓦(wa)斯抽(chou)放流(liu)量儀(yi)表在(zai)⛹🏻‍♀️水汽(qi)較🤞大(da)、直管(guan)段短(duan)、有振(zhen)動環(huan)境下(xia)的補(bu)償性(xing)能，将(jiang)該流(liu)量儀(yi)🏃‍♀️表配(pei)合V錐(zhui)流量(liang)計安(an)裝于(yu)2套不(bu)同的(de)瓦斯(si)抽放(fang)管道(dao)。第1套(tao)爲💞貴(gui)州小(xiao)牛煤(mei)礦地(di)面抽(chou)放泵(beng)站附(fu)近DN700抽(chou)放管(guan)道，該(gai)管道(dao)距離(li)抽放(fang)泵較(jiao)近，伴(ban)有一(yi)🔱定振(zhen)動，且(qie)直☎️管(guan)段不(bu)足，流(liu)量範(fan)圍爲(wei)0～300m3/min；第2套(tao)爲貴(gui)州米(mi)🏃‍♀️籮煤(mei)礦井(jing)下回(hui)風巷(xiang)DN300抽放(fang)管道(dao)，該管(guan)道經(jing)常伴(ban)🥵有突(tu)然的(de)水流(liu)流過(guo)，流量(liang)範圍(wei)爲0～80m3/min。每(mei)套瓦(wa)斯抽(chou)放管(guan)道前(qian)端🔱50cm處(chu)焊接(jie)測試(shi)孔用(yong)于安(an)裝标(biao)準流(liu)量計(ji)測試(shi)，标準(zhun)流量(liang)計采(cai)用認(ren)可度(du)較高(gao)的熱(re)式質(zhi)量流(liu)量計(ji)。儀表(biao)在2套(tao)管道(dao)上的(de)實測(ce)數據(ju)分别(bie)見表(biao)1和表(biao)⭕2。

   從表(biao)1和表(biao)2可看(kan)出，若(ruo)不采(cai)用溫(wen)度、壓(ya)力和(he)瓦斯(si)濃度(du)㊙️補🙇🏻償(chang)，小牛(niu)煤礦(kuang)的流(liu)量測(ce)試實(shi)時相(xiang)對誤(wu)差爲(wei)29.6%，米籮(luo)煤礦(kuang)🈚的流(liu)量測(ce)‼️試實(shi)時相(xiang)對誤(wu)差爲(wei)21.7%，補償(chang)後的(de)數據(ju)和标(biao)準流(liu)量偏(pian)差在(zai)準确(que)度1級(ji)以内(nei)。目📞前(qian)爲止(zhi)，具有(you)動态(tai)補償(chang)的差(cha)壓式(shi)瓦斯(si)抽放(fang)流量(liang)儀表(biao)已穩(wen)定運(yun)行2個(ge)月，沒(mei)有出(chu)現由(you)幹擾(rao)引起(qi)的數(shu)據波(bo)動。
4 結(jie)語
   介(jie)紹了(le)一種(zhong)差壓(ya)式流(liu)量儀(yi)表測(ce)量瓦(wa)斯抽(chou)放管(guan)道氣(qi)體流(liu)量的(de)補償(chang)公式(shi)及方(fang)法，給(gei)出了(le)該儀(yi)表的(de)軟硬(ying)件設(she)計。現(xian)場測(ce)試結(jie)果✏️表(biao)明，該(gai)儀表(biao)可從(cong)氣體(ti)溫✉️度(du)、壓力(li)🔴和濃(nong)度3方(fang)面對(dui)‼️瓦斯(si)抽放(fang)管道(dao)♌氣體(ti)流量(liang)進行(hang)實時(shi)補償(chang)，減小(xiao)了🐪管(guan)道流(liu)量測(ce)量誤(wu)差，能(neng)較好(hao)地抑(yi)制現(xian)場幹(gan)擾對(dui)數據(ju)采集(ji)造成(cheng)的波(bo)動。

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