瓦斯抽采管路狀態(tài)變化實時監(jiān)控裝置設(shè)計

【摘 要】實踐發(fā)現(xiàn)，抽采管路中經(jīng)常出現(xiàn)煤泥、巖粉、速凝劑等等沉積物。這些沉積物的存在會使管道的斷面逐漸變小。有時當(dāng)抽采管路拆除時才發(fā)現(xiàn)管道截面只有原來的一半甚至更少。管徑的變化勢必對實際流量的測算產(chǎn)生巨大的影響。而目前使用的自動計量裝置幾乎都需要手動輸入管徑，且管徑的值是固定不變的。人工計量中孔板系數(shù)也是根據(jù)管徑的大小而測定的。這種情況嚴(yán)重影響計量的準(zhǔn)確性。對煤礦瓦斯治理工作產(chǎn)生不良的后果。

【關(guān)鍵詞】自動計量；實時監(jiān)測；管徑監(jiān)測

一、設(shè)計背景：

煤礦用瓦斯抽采自動計量裝置的計算原理是：流量=混合量*濃度*時間。實踐發(fā)現(xiàn)，抽采管路中經(jīng)常出現(xiàn)積水和煤泥、巖粉、速凝劑等等沉積物。水和沉積物的存在會使管道的斷面變小。有時當(dāng)抽采管路拆除時才發(fā)現(xiàn)管道截面只有原來的一半甚至更少。管徑的變化勢必對實際流量的測算產(chǎn)生巨大的影響。而目前使用的自動計量裝置幾乎都需要手動輸入管徑，且管徑D的值是固定不變的。人工計量中孔板系數(shù)也是根據(jù)管徑的大小而測定的。這種情況嚴(yán)重影響計量的準(zhǔn)確性。對煤礦瓦斯治理工作產(chǎn)生不良的后果。

二、主要技術(shù)參數(shù)

（一）設(shè)計原理

煤礦生產(chǎn)活動的特殊性決定了儀器儀表必須具有高精度和高可靠性因此只能選擇非接觸式測量法?；夭y距原理。它是利用能量波在空間中的傳播時間來進行度量的一種方法。能量波在信號源與被測對象之間傳遞，能量波到達(dá)被測對象后被反射并返回到探頭上被接收?？梢岳玫哪芰坎ㄓ袡C械波（聲或超聲波）、電磁波（通常為K波段或x波段的微波）和激光（通常為紅外波段的激光）。具體被稱為：超聲波法、微波法和激光法。

天線發(fā)射器向距離為R的被測物體發(fā)出能量波，經(jīng)被測物體的反射，由天線的接收器接收能量波來回經(jīng)過的時間用T表示，可得到距離R與t的關(guān)系為：R=C×T/2其中c為空氣中能量波的傳播速度，當(dāng)以聲波為能量源時C=340m/s。當(dāng)以電磁波為能量源時C=300000000m/s利用式中距離R與時間T的關(guān)系，以不同的方式通過時間差求得距離。因抽采管路的直徑E已知，則沉積物L(fēng)為：

L=E-R

E/2-L=D

假設(shè)設(shè)沉積物的為一條割線，則割線到圓心距離為D，已知圓半徑為r，連接圓心到割線與圓相交的兩點，則圓心與割線組成等腰三角形，設(shè)頂角（兩半徑所夾角）為t，則cos（t/2）=D/r，t=2arccos（D/r），

則沉積物的面積=扇形面積-三角形面積=[2arccos（D/r）/360]*∏*r^2-（1/2）*[2*√（r^2-D^2）]*D=[2arccos（D/r）/360]*∏*r^2-[√（r^2-D^2）]*D計算此公式可得出管道內(nèi)實際截面的大小。再將這個值帶入流量計中參與計算即可得到管道內(nèi)的實際流量。

（二）傳感器的選型

超聲波技術(shù)由聲納技術(shù)衍化而來，超聲波的聲波信號是在不同聲阻率的界面上反射的。由于空氣和物料的密度差別很大，所以它們的聲阻率相差也很大，聲波在空氣和物體的分界面上就像在鏡面上一 樣反射，并由接收器接收回波信號。但是，由于超聲波是機械波，在空氣中傳播的波長小于17 mm，傳播速度受溫度影響較大，如當(dāng)溫度為0℃時，聲速為331.6In/s。當(dāng)溫度為20℃時，聲速為344 In/s。同時受壓力影響也很大。因此，必須進行溫度及壓力補償。

電磁波法是通過發(fā)射能量很低的極短的微波脈沖通過天線系統(tǒng)發(fā)射并接收。雷達(dá)波以光速運行。運行時間可以通過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號。一種特殊的時間延伸方法可以確保極短時間內(nèi)穩(wěn)定和精確的測量。即使工況比較復(fù)雜的情況下，存在虛假回波，運用微處理技術(shù)和調(diào)試軟件也可以準(zhǔn)確的分析出沉積物的回波。通過計算即可得出管道內(nèi)截面的實際大小。

紅外法主要由調(diào)制光發(fā)射單元、接收單元，測相單元、計數(shù)顯示單元、邏輯控制單元和電源變換器等部分組成，其光源通常為砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體發(fā)光二極管。當(dāng)有相當(dāng)大的電流正向通過GaAs二極管的P—N結(jié)時，P—N結(jié)里就會發(fā)射出波長為O 72pm～o 94，刪的近紅外光，這是由于在摻雜的GaAs半導(dǎo)體中電子一空穴復(fù)合時，過剩的能量以光子形式放出而產(chǎn)生的。而且所射出的光強會隨著注入電流的變化而變化。因此將它作為測距儀的光源，便可以通過改變饋電電流的大小對射出的光強直接進行幅度調(diào)制，即這種半導(dǎo)體發(fā)光器件兼有“輻射”一“調(diào)制”雙重功能。用于接收調(diào)制光的紅外光電探測轉(zhuǎn)換器件通常為硅光敏二極管或雪崩式光敏二極管.這些器件具有“光電壓效應(yīng)”。當(dāng)外來光照射到它的P—N結(jié)上時，由于光電能量轉(zhuǎn)換的效應(yīng)能在P—N兩極產(chǎn)生一個電位差，其大小會隨入射光的強弱而變化，從而起到“退調(diào)制”的作用。

三、使用效果

三正集團旋進旋渦流量計和光力公司CGWZ-100（A）管道瓦斯綜合參數(shù)測定儀都集成了溫度和壓力傳感器，方便將此裝置直接接入系統(tǒng)計算。將此裝置接入現(xiàn)有自動計量設(shè)備即可實現(xiàn)管道參數(shù)的實時改變。且不需要額外增加供電電壓和通訊信道。在本裝置使用之后能極大的提高瓦斯抽采計量的準(zhǔn)確性，為煤礦瓦斯抽采率的計算提供更為可靠的依據(jù)。為煤礦瓦斯治理提供保障。

四、推廣前景

本裝置實際上是測量物位的變化。不僅可以測量瓦斯抽采管道的截面大小，還可以運用到礦井其他方面。例如：

（一）實時監(jiān)測風(fēng)門開關(guān)狀態(tài)：使用超聲波傳感器代替磁石和干簧管。將傳感器安裝在門框或墻上，可以避免因風(fēng)門開啟和關(guān)閉造成的震動而損壞磁石或者干簧管。大大減少風(fēng)門傳感器誤報次數(shù)和維護次數(shù)。

（二）合理調(diào)控自動放水器開關(guān)狀態(tài)：將傳感器安裝于電磁閥式放水器腔體內(nèi)，根據(jù)實際需要設(shè)定一個上限與下線。當(dāng)水位上升（下降）達(dá)到上（下）限時，傳感器發(fā)出信號，控制電磁閥動作。合理調(diào)節(jié)了放水器的動作周期。節(jié)省原有放水器對通信信道的占用。

（三）監(jiān)測某地點風(fēng)速變化：將兩組傳感器交叉安放在被測風(fēng)地點的巷道壁。計算出巷道截面積，再配以風(fēng)速傳感器即可實時監(jiān)測某地點的風(fēng)速變化。

（四）監(jiān)測巷道變化情況：將多組傳感器平均安設(shè)于一段巷道內(nèi)，即可通過對截面積的計算時時了解此巷道的變化狀況。

（五）實時監(jiān)測井下或選煤廠煤倉存量。

參考文獻(xiàn)：

[1]安效正主編.安全儀器監(jiān)測工. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2006