摘要：分析了煤礦井下瓦斯抽放管道常用的孔板流量計、V錐流量計、旋進旋渦流量計、渦街流量計主要優缺點；介紹了瓦斯抽放管道氣體超聲流量計工作原理，設計瓦斯抽放管道氣體超聲流量計測量系統；重點論述了氣體超聲流量計測量系統數字信號處理技術；詳細說明了氣體超聲流量計在煤礦井下瓦斯抽放及壓風中的應用情況。

 

       煤礦井下壓風、瓦斯抽采等過程中的氣體流量的測量，是關乎煤礦安全生產的重要環節。在煤礦瓦斯抽放管路流量監測中[1]，瓦斯抽放管路中氣體雜質多、濕度高、流速低和負壓高，難度大，常規的流量檢測儀表很難滿足要求。目前煤礦井下瓦斯流量的檢測技術相對落后，市場上還沒有完全能適應井下環境的流量監測儀表。鑒于以上原因，研制一款能適用井下復雜工礦的礦用瓦斯流量儀表是十分必要的。

 

目前煤礦瓦斯抽采流量檢測用儀表主要有孔板流量計、旋進漩渦流量計、渦街流量計、V錐流量計等[2]，這些流量計的主要優缺點主要有:

 

       1）孔板流量計屬于差壓式流量計，利用流體通過節流部件、在節流件前部和后部形成差壓的原理，實現流量的檢測[3]。由于放置管道內的節流件會造成管道產生較大的壓力損失，實際上就增加了瓦斯管道抽采阻力，這樣會影響井下瓦斯抽采效果。還有，孔板流量計的量程比一般為1∶3，量程較小，很難適應流量范圍變化較大的瓦斯抽放管道的流量檢測。

 

       2）旋進漩渦流量計屬于流體振動式流量計。流量傳感器類似文丘里管，當流體進入流量傳感器時，安裝在傳感器內的導流葉片，隨流體流動產生旋渦流，當流體再次進入流量傳感器的擴散段時，旋渦流受到回流的作用，二次旋轉后形成陀螺式的渦流進動現象。渦流進動頻率與流量大小成正比，這就是其工作原理[4]。旋進漩渦流量計測量流體的流量下限比較低，由于流量傳感器內部的縮徑結構，會導致安裝的管道系統產生壓力損失，另外，這種縮徑結構極易被粉塵、臟污雜質等堵塞，也不適合長期運行于瓦斯抽放管道的工作環境之中。

 

       3）渦街流量計屬于速度式流量計，結構相對簡單，測量流量范圍較大，量程比可達1∶10，但是對安裝直管段要求較高，一般要求上游直管段長度為20倍被測管道直徑[5]。其次，其測量流量下限值較高，一般要求被測流體流速不得低于3m/s。還有，渦街流量計對管道振動極為敏感，如渦街發生體迎流截面被粉塵、含水臟污物等雜質包裹，就需清理維護。

 

       4）V錐流量計屬于差壓式流量計，它是孔板流量計的改進品，在測量精度及量程比、對直管段要求等方面，優于孔板流量計[6]。它的缺點有：一是其測量下限還是較高，一般要求被測介質流速不得低于2～3m/s；二是測量流量的計算值受被測氣體密度影響；三是結構較為復雜、安裝和維護不便等。針對以上問題，研究了一種基于超聲測流技術的礦用氣體流量計，為煤礦提供了一種全新的井下瓦斯氣體流量測量方案[7]。基于超聲測流技術的礦用氣體流量計其測量工況流速與介質密度無關，測量基本不受介質中水份及臟污雜質影響，測量管內無任何活動部件，其特點是精度高,范圍度極寬,可適應極低流速（0.5m/s以下）,安裝直管段長度短,從根本上解決了上述孔板流量計、旋進旋渦流量計、渦街流量計、V錐流量計等測量瓦斯流量時存在的問題。

 

1、氣體超聲流量計工作原理

       根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法（直接時差法、時差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等[8]。基于超聲測流技術的礦用氣體流量其工作原理為時差法。時差法超聲波氣體流量計的工作原理是根據超聲波波束在氣體中的順流與逆流傳播時的渡越時間差與被測流體流速之間的關系來求得流速，再根據管道的橫截面積換算求得被測氣體體積流量[9]。氣體超聲流量計工作原理如圖1。圖1中，θ為超聲波傳播路徑與管壁的夾角，（°）；D為管壁的直徑，m；L為超聲波傳播的路徑長度，m；V為超聲波傳輸路徑方向上的氣體平均流速，m/s；C為超聲波在被測氣體介質中的傳播速度，m/s。超聲波從T1發射到T2接收的傳播時間，即順流渡越時間ts為：

 

超聲波從T2發射到T1接收的傳播時間，即逆流渡越時間tn為：

由式（1）和式（2）可得：

通過測量超聲波順流渡越時間ts和超聲波逆流渡越時間tn可得氣體的工況流速。根據采集的介質溫度和介質壓力得管道中介質的標況流速與流量。

 

2氣體超聲流量計

氣體超聲流量計硬件設計框圖如圖2。

硬件設計包含3個部分。①STM32F4非常小系統模塊：它是電路核心，時序控制、高速A／D數字化處理程序、數字濾波、軟件時差、輸入輸出控制等均有它完成，還包括外部晶振電路和復位電路；②流量測量模塊：包括超聲驅動信號電路（超聲信號發射）、聲道切換電路、超聲波接收信號調理電路（超聲信號接收）；③工業應用中必備的功能模塊：包括有電源及本安保護電路、鐵電存儲電路、RS－485通信電路、壓力和溫度采集電路和人機交互、液晶顯示電路等。通過對整個系統的調試與驗證，從而實現對氣體流量高的精度測量。

 

3\數字信號處理技術

       由于在超聲傳感器與瓦斯氣體之間的聲阻抗不匹配，特別是煤礦的瓦斯氣體介質含水分較高，并且含有贓物雜質使得接收信號特別微弱，且超聲波氣體流量計工作在有噪聲環境中（如控制閥門產生的噪聲、介質流動時與管道摩擦產生的噪聲），有時信號會淹沒在噪聲中，這就需要用復合壓電傳感器提高聲阻抗匹配及更有效的信號處理技術。所以，超聲波氣體流量計的開發不能再用液體超聲波流量計中使用的傳統接收信號閾值過零檢測方法，必須采用新數字信號處理技術。

 

 

3.1\超聲信號數字化與均值去噪聲

       接收到的超聲信號經過前置多路開關選通、前置放大電路、AGC放大電路送至STM32F4內部12位高速AD采樣，將模擬的超聲信號轉換為離散的數字化信號，DMA模塊將采集的數字化信號數據存儲到指定的STM32F4存儲區域。如果管道直徑為DN529，在超聲順流和逆流方向上典型傳播時間在毫秒數量級，當氣體流動時，傳播時間之差非常微小，在低速時，也就在幾個納秒數量級，所以，傳播時間的精確測量是至關重要的。

 

       在工作頻率范圍內，噪聲要用數字平均的方法（噪聲壓縮）處理。這方法是基于噪聲是隨機成份，而信號是固定不變的，這樣數字平均的結果可使噪聲消除，而信號得到加強。按統計規律，噪聲信號的消弱是按數字平均次數的平方根來降低的，例如：當超聲波發射傳感器發射同樣信號16次，被接收傳感器接收到后，進行累加平均，可以使噪聲信號降低為原來1/4，即信噪比提高4倍。

 

       當然，數字平均次數越多，就需要越長的反應時間來進行數據的采集，當時間太長時，會對信號的固定性產生影響，因信號可能會隨流速的改變而變化，事實上，當流速變化很快時，數字平均處理的效果不是很理想，這需要根據實際情況進行折中，一般采洗數字平均次數不會超過32次。

 

       對于時差法氣體超聲波流量計需要精確及可靠的技術來測量超聲波信號的傳播時間，為保證測量的精度，由式（3）可知，2個時間需進行精確測量：①傳播時間ts與tn的時間差，對于低流速時，只有幾個納秒大小；②傳播時間ts和tn的絕對值，其值大小取決于所測管道直徑。雖然經數字平均技術的處理可以降低信號中的噪聲含量，但仍不能完全消除，所以，不能采用液體流量計的閾值電平比較式的時間測量方式，需用相關技術來進行測量，采用相關法測量時差非常大的優點在于其對噪聲的免疫性，這主要是由于噪聲信號間不具有相關性，所進行相關運算時，其結果基本上不受噪聲的影響。結合合適的傳感器技術，互相關技術可以用來測量超聲波的絕對傳播時間及渡越時間差。

 

3.2FIR數字濾波與數據處理

 

       在超聲傳感器工作頻率范圍之外的噪聲可通過FIR數字濾波剔除。瓦斯超聲流量計傳感器工作頻率位200kHz。設定FIR的頻率范圍為160～240kHz。一般工業現場的旋轉設備產生的噪聲和瓦斯氣體在管道中流動與管壁產生的摩擦噪聲小于100kHz。這樣對于FIR數字濾波范圍以外的干擾噪聲就都被抑制住。為克服噪聲的影響，時差測量采用相關處理方法。

 

設2個信號分別為s（1t）和s（2t），互相關函數Cs1s2（t）為：

假設s（1t）和s（2t）為相差時間τ的相同信號，即s（2t）＝s（1t＋τ），相關函數在t＝τ時達到非常大值，即通過求解相關函數的非常大值，即可求得2個信號的時差。相關計算可通過高速STM32F4對接收的超聲信號數字化離散數據進行處理后得到，但對大量數據進行逐點的相關運算，從而得到非常大值產生時間來計算時差，其運算量非常大。為解決此問題，可以利用傅里葉變換，式（4）的傅里葉變換為:

 

 

從而將相關運算轉換為求2個信號的傅里葉變換及相乘后的傅里葉逆變換，在相關運算結果中確定非常大值對應時間，即為2個信號時差。對于傅里葉變換，STM32F4完全能勝任，且有運算效率很高的成熟軟件可以利用，使相關運算變得方便，利于時差測量的實現。由此方法計算的時差測量非常大精度為信號采樣周期間隔80ns（采樣頻率為12．5MHz），如此難以達到流量測量的對時間分辨力（幾納秒）的要求，為此，通過線性插值的辦法提高時間測量分辨力，使時間分辨力＜1ns，滿足瓦斯流量測量要求。

 

4基于超聲測流技術的礦用氣體流量計應用

4.1基于超聲測流技術的礦用氣體流量計特點

       基于超聲測流技術的礦用氣體流量計解決了煤礦井下瓦斯氣體流量測量的4大難題。

       1）低流速瓦斯氣體流量的測量。煤礦井下瓦斯管道大口徑、低流速的情況較常見，如瓦斯抽采末端管道。差壓式流量計，如孔板、V錐、巴類等，以及渦街流量計、旋進旋渦流量計，其測量流速下限一般為3～5m/s，氣體流速低于該下限不能準確測量，甚至儀表不能正常工作，這是由其測量原理決定的。山西潞安化工集團很多礦使用孔板、V錐、渦街、旋進旋渦等流量計，計量瓦斯氣體體積流量，在低流量時，這些流量計都不能穩定工作，甚至無法工作。氣體超聲流量計，在低流速時，流體噪音更小，相對于高流速，測量更穩定。現場工況流速為0.5m/s時，也能準確測量。

 

       2）瓦斯氣體含大量煤灰、煤粉、臟污雜質及水分的工況下儀表長期在線穩定運行。瓦斯抽放管道中含大量煤灰、煤粉、等臟污雜質及水分，介質組分及密度變化大，氣體密度很難準確計算，氣體中水分會形成一定的分壓，雜物易易堵塞取壓孔，等等，就造成孔板、V錐等差壓式流量計不能在這種復雜工況下長期穩定、可靠地工作。渦街流量計，其插入管道道內的流量檢測部件易被雜質粘附、包裹，從而改變了其迎流面幾何尺寸，影響正常測量。旋進旋渦流量計對臟污雜質容忍度更低，所以也不能在這種工況下長期穩定、可靠地工作。氣體超聲流量計測量與介質密度無關，測量介質中水分對其測量無影響，超聲波穿透能力較強，臟污雜質即使包裹測量探頭，對測量也基本沒影響，測量無需取壓孔，不會存在取壓孔堵塞問題。因此，這種工況下氣體超聲流量計能長期、穩定、可靠地運行，這是其區別于其他氣體流量計的非常關鍵、非常本質的特性。

 

       3）管道瓦斯氣體流速范圍變化較大場合的流量測量。為滿足智能化礦山、綠色礦山的建設需求，節約能源，瓦斯抽采會根據現場情況適時調整抽采動力，這樣管道內瓦斯氣體流速會不斷變化，而且變化范圍較大。孔板流量計、V錐流量計、渦街流量計等量程比達到1∶10時，其精度已經很難保證了。氣體超聲流量計，正常流速范圍0.5～30m/s，量程比通常為1∶60，極端惡劣工況下至少也能保證量程比1∶30，能適應瓦斯抽采時流速范圍變化大的工況。4）解決瓦斯氣體流量儀表日常維護量大的難題。孔板、V錐、渦街、旋進旋渦等流量計，需要定時維護流量檢測部件，否則不能正常工作。根據目前山西潞安化工集團五陽煤礦井下瓦斯抽放情況，一般1～2月左右需維護1次瓦斯流量計。氣體超聲流量計，安裝在管內的探頭無活動部件、無取壓孔、無旋渦渦流發生體，能容忍瓦斯氣體中的水分及臟污雜質，儀表安裝調試正常工作后，較長時間內無需維護。

 

 

4.2現場應用

2020年11月，在山西潞安化工集團五陽煤礦井下瓦斯抽放管道安裝了1套LJS100/850Q隔爆兼本安型礦用氣體超聲流量計（插入式），這也是山西潞安化工集團首臺礦用氣體超聲流量計的現場試驗應用。

 

現場管道直徑為DN529mm，測量介質為井下瓦斯氣體，氣體含大量水分及煤粉、煤灰等臟污雜質，該管道上先后安裝過渦街流量計及V錐流量計。但是，在安裝后約1～2個月左右，發現測量值明顯不對，拔出探頭，清理后重新插入，正常工作。還發現瓦斯氣體流速在2～3m/s左右時，無論渦街流量計還是V錐流量計，工作均不正常，流速變大后又恢復正常。之后，該測點再次改用插入式礦用氣體超聲流量計，安裝后其測量瓦斯氣體流量值與理論推算值基本一致，運行近4個月，儀表顯示信號強度正常，沒有做任何維護，測量值一直穩定，沒有發現以前渦街流量計及V錐流量計工作時出現的問題。另外，在管道內瓦斯氣體流速為0.6m/s左右時，流量計工作穩定。

3種流量計使用情況見表1。

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4.3產品升級及完善

1）目前礦用氣體超聲流量計采用插入式探頭，需要管道焊接底座及打孔，所以無法實現井下在線不停產安裝，期望下一步能研發外夾式探頭，可不停產、管道外安裝[10]。在MICONEX2004上，康樂創展出的1010GC外夾式超聲流量計就可用于氣體流量測量，其精確度優于±0.5％。

2）進一步降低產品功耗，做成電池供電式礦用本安型氣體超聲流量計，省去電源供電，可以在井下無電源或供電不方便的地點安裝，也大大降低了產品的主機重量及體積[11]。在2節19Ah鋰電池供電的條件下,可以連續工作超過4年,這就基本上能滿足煤礦要求了。

3）煤礦瓦斯抽采時,單個鉆孔的流量0.01～0.5

m3/min之間。由于其流量太小,常規氣體流量計無法檢測這么小的瓦斯氣體流量，希望以此為契機，發揮氣體超聲流量計測量下限低的特點，解決單個鉆孔微小流量準確測量的難題[12]。

 

5結語

介紹了瓦斯抽放管道氣體超聲流量計工作原理,設計瓦斯抽放管道氣體超聲流量計測量系統;重點論述了氣體超聲流量計測量系統數字信號處理技

術;詳細說明了氣體超聲流量計在煤礦井下瓦斯抽放及壓風中的應用情況。針對煤礦井下瓦斯抽放管道內氣體雜質多、水多、臟污、低流速的工況，發現氣體超聲流量計與常用的孔板流量計、V錐流量計、渦街流量計、旋進旋渦流量計等相比較，在性能上有著明顯的差異，能適應井下瓦斯抽放流量測量的惡劣環境，可長期在線、穩定、可靠的運行。