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差压式流量计在瓦斯气体中的应用
发布时间:2016-03-14

0 引言
   针对瓦斯抽放管道中流量计量装置不同的安装环境,目前煤矿使用的流量计主要有差压式V锥流量计威力巴流量计、热线式流量计。差压式V锥流量计和威力巴流量计需要配置信号处理仪表,但市场上配置的信号处理仪表只能采集1个差压信号用于计算瓦斯抽放管道流量,且没有考虑环境条件变化对流量的影响,不能进行实时补偿,造成流量测量结果误差较大。鉴此,本文设计了一种具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表,可同时测试管道差压、管道负压、环境绝压、管道温度、管道瓦斯浓度5个环境参数,并对管道瓦斯流量测量进行实时补偿,提高了流量测量的准确性。
1 测量原理及补偿方法
1.1 传感器测量原理
   差压式V锥流量计和威力巴流量计是由传感器和信号处理仪表组成的测量装置。传感器产生一个依据流量大小而变化的差压。具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表采集相应管道差压、管道负压、环境绝压、管道温度和管道瓦斯浓度5个环境参数,用于计算流量。常用的差压式流量计体积流量计算公式为

式中:QV为体积流量;k为传感器的结构系数;Δp为传感器检测的差压;ρ为被测介质的密度。
   在实际生产和测试中,k,Δp和ρ都可能造成不同程度的测量误差。其中k取决于结构加工精密度,出厂前通过水流量计量装置实流标定确定;Δp取决于差压传感器精度,出厂前精度通过压力计量标校装置标校;ρ取决于现场测试介质状态,需要根据介质状态的变化进行实时动态补偿。
   瓦斯抽放管道内气体压力变化范围一般为-80~20kPa,温度变化范围为0~40℃。管道内气体一般由空气、CH4及其他烷类气体组成,空气和CH4比例占99%以上,因此瓦斯抽放管道内其他气体组分几乎可以忽略不计,但空气和CH4的组分比例在不停变化。由此可见,介质密度动态补偿需要从气体压力、温度和浓度3方面来考虑。
1.2 仪表补偿方法
理想气体状态方程:

式中:P为绝压;V为体积;n为物质的量;R为比例常数;T为温度。
摩尔质量计算公式:
M=m/n (3)
式中:M为摩尔质量;m为质量。
密度计算公式:
ρ=m/V (4)
由式(2)—式(4)可得
ρ=PM/RT (5)
由式(1)和式(5)可得

由于管道内气体主要由CH4和空气组成,所以混合气体的摩尔质量为
M=MK(1-C)+MJC    (7)
式中:MK为空气的摩尔质量;MJ为CH4的摩尔质量;C为管道气体中CH4比例。
由式(6)和式(7)可得


式(8)为管道内气体体积流量实时动态补偿模型,包含了气体温度、压力和浓度补偿,可以完全兼容应用在瓦斯抽放系统中,使整个流量计量装置准确度达到1级。针对现场不能采集管道气体浓度信号的特殊情况,如果浓度变化范围不大,可在仪表参数中设置管道浓度定值来进行补偿。
2 硬件和软件设计
2.1 硬件设计
2.1.1 硬件结构
   具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表的硬件结构如图1所示。该仪表具有4个传感器模块,分别为差压、绝压、表压和温度检测模块,其中差压和绝压检测模块输出信号经外部16位A/D模块AD7705转换后通过SPI总线由MCU采集处理计算,温度和表压检测模块输出信号由MCU内部10位A/D转换器采集转换后参与计算。CH4信号来自瓦斯抽放装置内的CH4传感器,MCU通过频率信号采集电路采集其输入的频率进行计算,终计算的流量结果通过LCD显示。在实际使用中通信方式和管径等参数可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2种数据传输方式,并增加光耦隔离处理,提高抗干扰性。
具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表硬件结构图
2.1.2 压力信号处理
   差压、表压和绝压3路信号处理模块基本一致,选用1210A系列电流型压力传感器模块。压力测量范围内1.25mA电流输入,0~40mV电压信号输出。输出信号经过运算放大器AD8572及外围电路器件进行放大处理,终差压(量程0~10kPa)和绝压(量程0~200kPa)信号通过外部16位A/D处理,表压(量程-100~0kPa)信号通过MCU内部10位A/D转换。A/D转换精度满足差压准确度等级0.5和分辨率0.02kPa、绝压和表压准确度等级1和分辨率0.3kPa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频率信号正负输入端,经过光耦TLP521隔离,输出信号PWM_IN直接接入MCU进行采集处理。
频率信号采集电路图
2.2 软件设计
   瓦斯抽放管道内气体介质比较特殊,体现在以下方面:①气体介质由多种气体混合而成;②气体介质受抽放管道前端钻孔影响,水汽成分会瞬间增大;③现场管道布置不合理会导致管道内待测气流不稳定。这些情况都会影响传感器数据采集的稳定性,造成测量结果漂动或瞬时失真。硬件上无法解决该问题,因此在软件上采用中位值平均滤波算法,该算法融合了中位值滤波算法和算术平均滤波算法的优点,可对偶然出现的脉冲干扰起到很好的抑制作用,同时也可提高信号的平滑度。
   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,仪表不能开盖,采用红外遥控按键方式设置仪表参数;②根据现场不同分站通信格式的要求,设计基于标准Modbus RTU协议的RS485和200~1000kHz频率输出的2种通信方式;③根据现场管道内气流复杂度,增加滤波次数设置功能;④根据客户使用习惯,增加工况流量和标况流量换算以及显示功能;⑤根据现场特殊情况,增加单参数和多参数补偿设置功能。
具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表的主程序流程如图3所示。
具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表主程序流程图
3 性能测试
   为验证具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表在水汽较大、直管段短、有振动环境下的补偿性能,将该流量仪表配合V锥流量计安装于2套不同的瓦斯抽放管道。第1酞贵州小牛煤矿地面抽放泵站附近DN700抽放管道,该管道距离抽放泵较近,伴有一定振动,且直管段不足,流量范围为0~300m3/min;第2酞贵州米箩煤矿井下回风巷DN300抽放管道,该管道经常伴有突然的水流流过,流量范围为0~80m3/min。每套瓦斯抽放管道前端50cm处焊接测试孔用于安装标准流量计测试,标准流量计采用认可度较高的热式质量流量计。仪表在2套管道上的实测数据分别见表1和表2。

   从表1和表2可看出,若不采用温度、压力和瓦斯浓度补偿,小牛煤矿的流量测试实时相对误差为29.6%,米箩煤矿的流量测试实时相对误差为21.7%,补偿后的数据和标准流量偏差在准确度1级以内。目前为止,具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表已稳定运行2个月,没有出现由干扰引起的数据波动。
4 结语
   介绍了一种差压式流量仪表测量瓦斯抽放管道气体流量的补偿公式及方法,给出了该仪表的软硬件设计。现场测试结果表明,该仪表可从气体温度、压力和浓度3方面对瓦斯抽放管道气体流量进行实时补偿,减小了管道流量测量误差,能较好地抑制现场干扰对数据采集造成的波动。

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