氣體超聲流量計(jì)在煤礦井下瓦斯抽放及壓風(fēng)中的應(yīng)用

馮 超，朱艷軍

（山西潞安化工集團(tuán) 五陽煤礦，山西 長治 046200）

煤礦井下壓風(fēng)、瓦斯抽采等過程中的氣體流量的測(cè)量，是關(guān)乎煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。在煤礦瓦斯抽放管路流量監(jiān)測(cè)中[1]，瓦斯抽放管路中氣體雜質(zhì)多、濕度高、流速低和負(fù)壓高，難度大，常規(guī)的流量檢測(cè)儀表很難滿足要求。目前煤礦井下瓦斯流量的檢測(cè)技術(shù)相對(duì)落后，市場上還沒有完全能適應(yīng)井下環(huán)境的流量監(jiān)測(cè)儀表。鑒于以上原因，研制一款能適用井下復(fù)雜工礦的礦用瓦斯流量儀表是十分必要的。

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

2）旋進(jìn)漩渦流量計(jì)屬于流體振動(dòng)式流量計(jì)。流量傳感器類似文丘里管，當(dāng)流體進(jìn)入流量傳感器時(shí)，安裝在傳感器內(nèi)的導(dǎo)流葉片，隨流體流動(dòng)產(chǎn)生旋渦流，當(dāng)流體再次進(jìn)入流量傳感器的擴(kuò)散段時(shí)，旋渦流受到回流的作用，二次旋轉(zhuǎn)后形成陀螺式的渦流進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。渦流進(jìn)動(dòng)頻率與流量大小成正比，這就是其工作原理[4]。旋進(jìn)漩渦流量計(jì)測(cè)量流體的流量下限比較低，由于流量傳感器內(nèi)部的縮徑結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致安裝的管道系統(tǒng)產(chǎn)生壓力損失，另外，這種縮徑結(jié)構(gòu)極易被粉塵、臟污雜質(zhì)等堵塞，也不適合長期運(yùn)行于瓦斯抽放管道的工作環(huán)境之中。

3）渦街流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，測(cè)量流量范圍較大，量程比可達(dá)1∶10，但是對(duì)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(cè)管道直徑[5]。其次，其測(cè)量流量下限值較高，一般要求被測(cè)流體流速不得低于3 m/s。還有，渦街流量計(jì)對(duì)管道振動(dòng)極為敏感，如渦街發(fā)生體迎流截面被粉塵、含水臟污物等雜質(zhì)包裹，就需清理維護(hù)。

4）V錐流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)，它是孔板流量計(jì)的改進(jìn)品，在測(cè)量精度及量程比、對(duì)直管段要求等方面，優(yōu)于孔板流量計(jì)[6]。它的缺點(diǎn)有：一是其測(cè)量下限還是較高，一般要求被測(cè)介質(zhì)流速不得低于2～3 m/s；二是測(cè)量流量的計(jì)算值受被測(cè)氣體密度影響；三是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、安裝和維護(hù)不便等。

針對(duì)以上問題，研究了一種基于超聲測(cè)流技術(shù)的礦用氣體流量計(jì)，為煤礦提供了一種全新的井下瓦斯氣體流量測(cè)量方案[7]。基于超聲測(cè)流技術(shù)的礦用氣體流量計(jì)其測(cè)量工況流速與介質(zhì)密度無關(guān)，測(cè)量基本不受介質(zhì)中水份及臟污雜質(zhì)影響，測(cè)量管內(nèi)無任何活動(dòng)部件，其特點(diǎn)是精度高,范圍度極寬,可適應(yīng)極低流速（0.5 m/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(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、渦街流量計(jì)、V錐流量計(jì)等測(cè)量瓦斯流量時(shí)存在的問題。

1 氣體超聲流量計(jì)工作原理

根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等[8]?；诔暅y(cè)流技術(shù)的礦用氣體流量其工作原理為時(shí)差法。

覆蓋竹林出筍時(shí)間長，一般在50～70 d左右，開始時(shí)出筍量較少，每天出幾支或十幾支，由于礱糠隆起，很容易就能找到筍，采收比較容易，勞動(dòng)相對(duì)輕松。在采收過程中，先把隆起的礱糠沿筍尖部位進(jìn)行清理，一般控制在筍周圍15 cm之內(nèi)，在泥土露出后再用筍鍬取出泥土，當(dāng)筍根部分外露后即用鐵鍬切斷。挖筍后先施100 g左右的復(fù)合肥或配方肥，填回泥土再依次將竹葉、礱糠覆蓋并恢復(fù)原狀，保持覆蓋地塊溫度，不影響周邊出筍。覆蓋竹林不留新竹。

時(shí)差法超聲波氣體流量計(jì)的工作原理是根據(jù)超聲波波束在氣體中的順流與逆流傳播時(shí)的渡越時(shí)間差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系來求得流速，再根據(jù)管道的橫截面積換算求得被測(cè)氣體體積流量[9]。氣體超聲流量計(jì)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(cè)氣體介質(zhì)中的傳播速度，m/s。

圖1 氣體超聲流量計(jì)工作原理Fig.1 Working principle of gas ultrasonic flowmet

超聲波從T1發(fā)射到T2接收的傳播時(shí)間，即順流渡越時(shí)間ts為：

超聲波從T2發(fā)射到T1接收的傳播時(shí)間，即逆流渡越時(shí)間tn為：

由式（1）和式（2）可得：

通過測(cè)量超聲波順流渡越時(shí)間ts和超聲波逆流渡越時(shí)間tn可得氣體的工況流速。根據(jù)采集的介質(zhì)溫度和介質(zhì)壓力得管道中介質(zhì)的標(biāo)況流速與流量。

2 氣體超聲流量計(jì)

氣體超聲流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 氣體超聲流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Hardware design of gas ultrasonic flowmeter

硬件設(shè)計(jì)包含3個(gè)部分。①STM32F4最小系統(tǒng)模塊：它是電路核心，時(shí)序控制、高速A／D數(shù)字化處理程序、數(shù)字濾波、軟件時(shí)差、輸入輸出控制等均有它完成，還包括外部晶振電路和復(fù)位電路；②流量測(cè)量模塊：包括超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路（超聲信號(hào)發(fā)射）、聲道切換電路、超聲波接收信號(hào)調(diào)理電路（超聲信號(hào)接收）；③工業(yè)應(yīng)用中必備的功能模塊：包括有電源及本安保護(hù)電路、鐵電存儲(chǔ)電路、RS－485通信電路、壓力和溫度采集電路和人機(jī)交互、液晶顯示電路等。通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試與驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流量高的精度測(cè)量。

3 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

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(zhì)含水分較高，并且含有贓物雜質(zhì)使得接收信號(hào)特別微弱，且超聲波氣體流量計(jì)工作在有噪聲環(huán)境中（如控制閥門產(chǎn)生的噪聲、介質(zhì)流動(dòng)時(shí)與管道摩擦產(chǎn)生的噪聲），有時(shí)信號(hào)會(huì)淹沒在噪聲中，這就需要用復(fù)合壓電傳感器提高聲阻抗匹配及更有效的信號(hào)處理技術(shù)。所以，超聲波氣體流量計(jì)的開發(fā)不能再用液體超聲波流量計(jì)中使用的傳統(tǒng)接收信號(hào)閾值過零檢測(cè)方法，必須采用新數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

3.1 超聲信號(hào)數(shù)字化與均值去噪聲

接收到的超聲信號(hào)經(jīng)過前置多路開關(guān)選通、前置放大電路、AGC放大電路送至STM32F4內(nèi)部12位高速AD采樣，將模擬的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字化信號(hào)，DMA模塊將采集的數(shù)字化信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的STM32F4存儲(chǔ)區(qū)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(shí)間在毫秒數(shù)量級(jí)，當(dāng)氣體流動(dòng)時(shí)，傳播時(shí)間之差非常微小，在低速時(shí)，也就在幾個(gè)納秒數(shù)量級(jí)，所以，傳播時(shí)間的精確測(cè)量是至關(guān)重要的。

在工作頻率范圍內(nèi)，噪聲要用數(shù)字平均的方法（噪聲壓縮）處理。這方法是基于噪聲是隨機(jī)成份，而信號(hào)是固定不變的，這樣數(shù)字平均的結(jié)果可使噪聲消除，而信號(hào)得到加強(qiáng)。按統(tǒng)計(jì)規(guī)律，噪聲信號(hào)的消弱是按數(shù)字平均次數(shù)的平方根來降低的，例如：當(dāng)超聲波發(fā)射傳感器發(fā)射同樣信號(hào)16次，被接收傳感器接收到后，進(jìn)行累加平均，可以使噪聲信號(hào)降低為原來1/4，即信噪比提高4倍。當(dāng)然，數(shù)字平均次數(shù)越多，就需要越長的反應(yīng)時(shí)間來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)時(shí)間太長時(shí)，會(huì)對(duì)信號(hào)的固定性產(chǎn)生影響，因信號(hào)可能會(huì)隨流速的改變而變化，事實(shí)上，當(dāng)流速變化很快時(shí)，數(shù)字平均處理的效果不是很理想，這需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行折中，一般采洗數(shù)字平均次數(shù)不會(huì)超過32次。

對(duì)于時(shí)差法氣體超聲波流量計(jì)需要精確及可靠的技術(shù)來測(cè)量超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間，為保證測(cè)量的精度，由式（3）可知，2個(gè)時(shí)間需進(jìn)行精確測(cè)量：①傳播時(shí)間ts與tn的時(shí)間差，對(duì)于低流速時(shí)，只有幾個(gè)納秒大?。虎趥鞑r(shí)間ts和tn的絕對(duì)值，其值大小取決于所測(cè)管道直徑。雖然經(jīng)數(shù)字平均技術(shù)的處理可以降低信號(hào)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(jì)的閾值電平比較式的時(shí)間測(cè)量方式，需用相關(guān)技術(shù)來進(jìn)行測(cè)量，采用相關(guān)法測(cè)量時(shí)差最大的優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)噪聲的免疫性，這主要是由于噪聲信號(hào)間不具有相關(guān)性，所進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時(shí)，其結(jié)果基本上不受噪聲的影響。結(jié)合合適的傳感器技術(shù)，互相關(guān)技術(shù)可以用來測(cè)量超聲波的絕對(duì)傳播時(shí)間及渡越時(shí)間差。

3.2 FIR數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理

在超聲傳感器工作頻率范圍之外的噪聲可通過FIR數(shù)字濾波剔除。瓦斯超聲流量計(jì)傳感器工作頻率位200 kHz。設(shè)定FIR的頻率范圍為160～240 kHz。一般工業(yè)現(xiàn)場的旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生的噪聲和瓦斯氣體在管道中流動(dòng)與管壁產(chǎn)生的摩擦噪聲小于100 kHz。這樣對(duì)于FIR數(shù)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(shí)差測(cè)量采用相關(guān)處理方法。

設(shè)2個(gè)信號(hào)分別為s1（t）和s2（t），互相關(guān)函數(shù)Cs1s2（t）為：

假設(shè)s1（t）和s2（t）為相差時(shí)間τ的相同信號(hào)，即s2（t）＝s1（t＋τ），相關(guān)函數(shù)在t＝τ時(shí)達(dá)到最大值，即通過求解相關(guān)函數(shù)的最大值，即可求得2個(gè)信號(hào)的時(shí)差。相關(guān)計(jì)算可通過高速STM32F4對(duì)接收的超聲信號(hào)數(shù)字化離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到，但對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)的相關(guān)運(yùn)算，從而得到最大值產(chǎn)生時(shí)間來計(jì)算時(shí)差，其運(yùn)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:

逆變換為:

從而將相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為求2個(gè)信號(hào)的傅里葉變換及相乘后的傅里葉逆變換，在相關(guān)運(yùn)算結(jié)果中確定最大值對(duì)應(yīng)時(shí)間，即為2個(gè)信號(hào)時(shí)差。對(duì)于傅里葉變換，STM32F4完全能勝任，且有運(yùn)算效率很高的成熟軟件可以利用，使相關(guān)運(yùn)算變得方便，利于時(shí)差測(cè)量的實(shí)現(xiàn)。

由此方法計(jì)算的時(shí)差測(cè)量最大精度為信號(hào)采樣周期間隔80 ns（采樣頻率為12.5 MHz），如此難以達(dá)到流量測(cè)量的對(duì)時(shí)間分辨力（幾納秒）的要求，為此，通過線性插值的辦法提高時(shí)間測(cè)量分辨力，使時(shí)間分辨力＜1 ns，滿足瓦斯流量測(cè)量要求。

4 基于超聲測(cè)流技術(shù)的礦用氣體流量計(jì)應(yīng)用

4.1 基于超聲測(cè)流技術(shù)的礦用氣體流量計(jì)特點(diǎn)

基于超聲測(cè)流技術(shù)的礦用氣體流量計(jì)解決了煤礦井下瓦斯氣體流量測(cè)量的4大難題。

1）低流速瓦斯氣體流量的測(cè)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(jì)，如孔板、V錐、巴類等，以及渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，其測(cè)量流速下限一般為3～5 m/s，氣體流速低于該下限不能準(zhǔn)確測(cè)量，甚至儀表不能正常工作，這是由其測(cè)量原理決定的。山西潞安化工集團(tuán)很多礦使用孔板、V錐、渦街、旋進(jìn)旋渦等流量計(jì)，計(jì)量瓦斯氣體體積流量，在低流量時(shí)，這些流量計(jì)都不能穩(wěn)定工作，甚至無法工作。氣體超聲流量計(jì)，在低流速時(shí)，流體噪音更小，相對(duì)于高流速，測(cè)量更穩(wěn)定?，F(xiàn)場工況流速為0.5 m/s時(shí)，也能準(zhǔn)確測(cè)量。

2）瓦斯氣體含大量煤灰、煤粉、臟污雜質(zhì)及水分的工況下儀表長期在線穩(wěn)定運(yùn)行。瓦斯抽放管道中含大量煤灰、煤粉、等臟污雜質(zhì)及水分，介質(zhì)組分及密度變化大，氣體密度很難準(zhǔn)確計(jì)算，氣體中水分會(huì)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(jì)不能在這種復(fù)雜工況下長期穩(wěn)定、可靠地工作。渦街流量計(jì)，其插入管道道內(nèi)的流量檢測(cè)部件易被雜質(zhì)粘附、包裹，從而改變了其迎流面幾何尺寸，影響正常測(cè)量。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)對(duì)臟污雜質(zhì)容忍度更低，所以也不能在這種工況下長期穩(wěn)定、可靠地工作。氣體超聲流量計(jì)測(cè)量與介質(zhì)密度無關(guān)，測(cè)量介質(zhì)中水分對(duì)其測(cè)量無影響，超聲波穿透能力較強(qiáng)，臟污雜質(zhì)即使包裹測(cè)量探頭，對(duì)測(cè)量也基本沒影響，測(cè)量無需取壓孔，不會(huì)存在取壓孔堵塞問題。因此，這種工況下氣體超聲流量計(jì)能長期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，這是其區(qū)別于其他氣體流量計(jì)的最關(guān)鍵、最本質(zhì)的特性。

3）管道瓦斯氣體流速范圍變化較大場合的流量測(cè)量。為滿足智能化礦山、綠色礦山的建設(shè)需求，節(jié)約能源，瓦斯抽采會(huì)根據(jù)現(xiàn)場情況適時(shí)調(diào)整抽采動(dòng)力，這樣管道內(nèi)瓦斯氣體流速會(huì)不斷變化，而且變化范圍較大?？装辶髁坑?jì)、V錐流量計(jì)、渦街流量計(jì)等量程比達(dá)到1∶10時(shí)，其精度已經(jīng)很難保證了。氣體超聲流量計(jì)，正常流速范圍0.5～30 m/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(yīng)瓦斯抽采時(shí)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(hù)量大的難題。孔板、V錐、渦街、旋進(jìn)旋渦等流量計(jì)，需要定時(shí)維護(hù)流量檢測(cè)部件，否則不能正常工作。根據(jù)目前山西潞安化工集團(tuán)五陽煤礦井下瓦斯抽放情況，一般1～2月左右需維護(hù)1次瓦斯流量計(jì)。氣體超聲流量計(jì)，安裝在管內(nèi)的探頭無活動(dòng)部件、無取壓孔、無旋渦渦流發(fā)生體，能容忍瓦斯氣體中的水分及臟污雜質(zhì)，儀表安裝調(diào)試正常工作后，較長時(shí)間內(nèi)無需維護(hù)。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2020年11月，在山西潞安化工集團(tuán)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(jì)（插入式），這也是山西潞安化工集團(tuán)首臺(tái)礦用氣體超聲流量計(jì)的現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用。

現(xiàn)場管道直徑為DN529 mm，測(cè)量介質(zhì)為井下瓦斯氣體，氣體含大量水分及煤粉、煤灰等臟污雜質(zhì)，該管道上先后安裝過渦街流量計(jì)及V錐流量計(jì)。但是，在安裝后約1～2個(gè)月左右，發(fā)現(xiàn)測(cè)量值明顯不對(duì)，拔出探頭，清理后重新插入，正常工作。還發(fā)現(xiàn)瓦斯氣體流速在2～3 m/s左右時(shí)，無論渦街流量計(jì)還是V錐流量計(jì)，工作均不正常，流速變大后又恢復(fù)正常。之后，該測(cè)點(diǎn)再次改用插入式礦用氣體超聲流量計(jì)，安裝后其測(cè)量瓦斯氣體流量值與理論推算值基本一致，運(yùn)行近4個(gè)月，儀表顯示信號(hào)強(qiáng)度正常，沒有做任何維護(hù)，測(cè)量值一直穩(wěn)定，沒有發(fā)現(xiàn)以前渦街流量計(jì)及V錐流量計(jì)工作時(shí)出現(xiàn)的問題。另外，在管道內(nèi)瓦斯氣體流速為0.6 m/s左右時(shí)，流量計(jì)工作穩(wěn)定。3種流量計(jì)使用情況見表1。

表1 DN529 mm瓦斯抽采管道流量計(jì)使用分析表Table 1 DN529 mm gas extraction pipeline flowmeter usage analysis table

4.3 產(chǎn)品升級(jí)及完善

1）目前礦用氣體超聲流量計(jì)采用插入式探頭，需要管道焊接底座及打孔，所以無法實(shí)現(xiàn)井下在線不停產(chǎn)安裝，期望下一步能研發(fā)外夾式探頭，可不停產(chǎn)、管道外安裝[10]。在MICONEX 2004上，康樂創(chuàng)展出的1010GC外夾式超聲流量計(jì)就可用于氣體流量測(cè)量，其精確度優(yōu)于±0.5%。

2）進(jìn)一步降低產(chǎn)品功耗，做成電池供電式礦用本安型氣體超聲流量計(jì)，省去電源供電，可以在井下無電源或供電不方便的地點(diǎn)安裝，也大大降低了產(chǎn)品的主機(jī)重量及體積[11]。在2節(jié)19 Ah鋰電池供電的條件下,可以連續(xù)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(shí),單個(gè)鉆孔的流量0.01～0.5 m3/min之間。由于其流量太小,常規(guī)氣體流量計(jì)無法檢測(cè)這么小的瓦斯氣體流量，希望以此為契機(jī)，發(fā)揮氣體超聲流量計(jì)測(cè)量下限低的特點(diǎn)，解決單個(gè)鉆孔微小流量準(zhǔn)確測(cè)量的難題[12]。

5 結(jié)語

介紹了瓦斯抽放管道氣體超聲流量計(jì)工作原理,設(shè)計(jì)瓦斯抽放管道氣體超聲流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng);重點(diǎn)論述了氣體超聲流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù);詳細(xì)說明了氣體超聲流量計(jì)在煤礦井下瓦斯抽放及壓風(fēng)中的應(yīng)用情況。針對(duì)煤礦井下瓦斯抽放管道內(nèi)氣體雜質(zhì)多、水多、臟污、低流速的工況，發(fā)現(xiàn)氣體超聲流量計(jì)與常用的孔板流量計(jì)、V錐流量計(jì)、渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)等相比較，在性能上有著明顯的差異，能適應(yīng)井下瓦斯抽放流量測(cè)量的惡劣環(huán)境，可長期在線、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。