具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表设计.pdf

第 4 1卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd Mi n e Aut o ma t i on VO 1 ． 4l NO ． 5 M a y 2 0 1 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 1 0 6 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 2 6 杨绪军 ， 王文龙 ， 高文平 ， 等． 具有动态补偿的差压式瓦斯抽放 流量仪表设计 [ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 5 1 0 6 1 0 8． 具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表设计 杨绪 军 ， 王文 龙 ， 高文 平 ， 朱承 建 天地 常州 自动 化股份 有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 针对现有瓦斯抽放流量仪表不能对管道流量参数进行 实时补偿 而导致流量测量结果存在较大误 差 的 问题 ， 设计 了一 种具有 动 态补 偿 的 差压 式 瓦斯抽 放 流 量 仪 表 。给 出 了气体 温 度 、 压 力 和 浓度 的补偿 方 法， 介绍了该仪表的软硬件设计 。现场测试结果表明， 该仪表测量数据准确、 稳定， 满足煤矿 瓦斯抽放计量的 精度要 求 。 关 键 词 瓦斯抽放 ；管道 ；流量仪表 ；差压 式 ；动 态补 偿 中图分类号 T D6 0 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 一 O 4 3 O O 8 5 6 网络 出版地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 4 3 0 ． 0 8 5 6 ． 0 2 6 ． h t ml De s i gn o f d i f f e r e n t i a l pr e s s u r e t y pe g a s d r a i na g e f l o w me t e r wi t h d y n a mi c c o mp e ns a t i o n YANG Xu j u n， WANG W e n l o n g ， Ti a n d i C h a n g z h o u Au t o ma t i o n Co GAO We n p i n g， ZHU Ch e n g j i a n Lt d． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m of l a r ge f l o w m e a s u r e me nt e r r o r c a u s e d by e xi s t i n g g a s dr a i na ge f l o w m e t e r whi c h c a nn ot r e a l i z e r e a l t i m e c o mpe ns a t i o n f o r pi p e l i n e f l o w p a r a me t e r s，a di f f e r e nt i a l pr e s s u r e t y p e ga s d r a i n a ge f l o w m e t e r wi t h dy n a m i c c ompe ns a t i o n wa s d e s i gn e d． The c omp e ns a t i o n m e t ho ds o f ga s t e mpe r a t ur e ，pr e s s ur e a nd c o nc e n t r a t i o n we r e ga v e ，a nd d e s i gn s c he me s o f h a r dwa r e a n d s o f t wa r e o f t h e f l o w me t e r we r e i nt r o du c e d．The f i e l d t e s t r e s u l t s s ho w t h a t t he f l o w me t e r me e t s a c c ur a c y r e qu i r e me n t o f c o a l m i ne ga s dr a i na g e m e a s u r e me n t wi t h a c c ur a t e a nd s t a b l e d a t a． Ke y wo r d s ga s dr a i na g e；pi p e l i ne；f l ow me t e r；di f f e r e nt i a l p r e s s ur e t y p e；d y na mi c c omp e ns a t i on 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 和威 力 巴 流 量 计 、 热 线 式 流 量 计口 ] 。 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_ 5 ] ， 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 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 0 6 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 3 1 7 ； 责任编辑 盛男。 基金项目 天地 常州 自动化股份有限公司研 发项 目 1 3 S YO I O - O I 。 作者简介 杨绪军 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山西朔州人 ， 助理工程师 ， 硕士 ， 主要从事煤矿 仪器仪表研发工作 ， Ema il y a n g 1 9 8 6 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 5年 第 5期 杨绪军等 具有动态补偿的差压式瓦斯抽放流量仪表设计 1 0 7 Q v 一 ．b| p 式 中 Q 、 ， 为 体 积 流 量 ； 为 传 感 器 的 结 构 系 数 ； A p 为 传感 器 检测 的差压 ； ．0 为 被测 介质 的密度 。 在实 际 生产 和测 试 中 ， 尼 ， a P和 p都 可 能造 成 不 同程 度 的测 量 误 差 。其 中 愚取 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 ； A p 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 ； p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 为一8 O ～ 2 0 k P a ， 温 度 变 化 范 围为 0 ～4 O℃ 。管 道 内气 体 一 般 由空 气 、 CH 及 其 他 烷 类 气 体 组 成 ， 空 气 和 CH 比例占 9 9 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 CH 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 PV n RT 2 式中 P为绝压 ； V为体积 ； 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 P ／ V 4 由式 2 一 式 4 可 得 D P M ／ RT 5 由式 1 和式 5 可 得 Q v 一 | p R T 患 、／ 而 6 由于 管道 内气 体 主要 由 C H 和空 气 组 成 ， 所 以 混 合气 体 的摩 尔质 量 为 M M K 1一 C Mj C 7 式 中 Mx为空气 的摩 尔 质 量 ； Mj 为 C H 的摩 尔 质 量 ； C为管道气体中 C H 比例 。 由式 6 和式 7 可 得 8 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 1 6位 A／ D模块 AD 7 7 0 5转换 后通 过 S P I 总线 由 MC U 采 集 处 理计 算 ， 温 度 和 表 压 检 测 模 块 输 出信 号 由 MC U 内部 1 0位 A／ D转换器采集转换后参与计算 。C H 信号 来 自瓦斯抽放装置 内的 C H 传感器 ， MC U通过频 率信 号采 集 电路 采集 其 输 入 的频 率 进 行 计 算 ， 最 终 计算 的流 量 结果 通 过 L C D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 。 差 压 检 测 模 块 I- 绝 压 检 测 模 块 卜 _ _ C H 信 号 采 集 I- - M C U L P C 1 2 2 7 温 度 检 测 模 块 卜 ． _ 表 压 检 测 模 块l 图 1 具 有 动 态 补 偿 的 差 压 式 瓦斯 抽 放 流 量 仪 表 硬 件 结 构 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 1 2 1 0 A系列 电流 型压力传感器模块 。压力测 量范 围 内 1 ． 2 5 mA 电流 输 入 ， 0 ～ 4 0 mV 电压 信 号 输出。输 出信号经过运算放大器 AD 8 5 7 2及外 围电 路器 件进 行 放 大 处 理 ， 最 终 差 压 量 程 0 ～ 1 0 k P a 和绝压 量程 0 2 0 0 k P a 信号通过外部 1 6位 A／ D 处理 ， 表压 量程 一1 0 0 ～0 k P a 信号通过 MC U 内 部 1 0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 ． 0 2 k P a 、 绝压和表压准确度 等级 1和分辨 率 0 ． 3 k P a的要 求 。 2 ． 1 ． 3 频率信号采集 C H 频 率信 号 采集 电路 如 图 2所 示 。I N CH 和 I Nc H 分别为 C H 频率信 号正负输入端 ， 经 过光 耦 TL P 5 2 1隔离 ， 输 出信 号 P W MI N 直 接接 入 MC U 进 行采 集处 理 。 1 0 8 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 2频 率 信 号 采 集 电 路 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 Mo d b u s R TU 协 议 的 R 4 8 5 和 2 0 0 ～ 1 0 0 0 k Hz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 。 DN3 0 0抽 放 管 道 ， 该 管 道 经 常 伴 有 突 然 的水 流 流 过 ， 流量范 围为 0 ～8 0 r n 。 ／ mi n 。每套 瓦斯 抽 放管 道 前端 5 0 c m 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 。 表 1 小 牛 煤 矿 测 试 数 据 m。 ／ rai n 注 环境绝压 8 1 ． 2 k P a ； 管道负压 2 7 ． 1 k P a ； 管道温度 1 9 ． 4℃ 瓦斯体积分数 1 8 ． 5 。 表 2米箩煤矿测试数据 m。 ／ rai n 注 环 境 绝 压 8 5． 1 k Pa； 管道 负压 1 5 ． 8 k Pa ； 管 道 温 度 2 2 ． 3℃ ； 瓦斯体积分数 2 2 ． 5 ％。 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 2 9 ． 6 ， 米 箩 煤 矿 的 流 量 测 试 实 时 相 对 误 差 为 2 1 ． 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 。 图 3 具有动 态补偿 的差压式瓦斯抽放流量仪表 主程序流程 参 考文 献 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套为贵州小牛煤矿地面抽放 泵站 附近 D N7 O 0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 ～ 3 0 0 m。 ／ mi n ； 第 2套 为 贵 州 米 箩 煤 矿 井 下 回 风 巷 E l i 谭飞． 威力 巴流 量计在煤 矿管道 瓦斯流量 计量 中的应 用[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 6 1 3 1 6 ． E 2 ] 罗志成 ， 张柳燕 ， 李凤 ． 威 力 巴流量计 在煤 气计 量 中的 应用_ J ] ． 冶金动力 ， 2 o l O 6 6 0 6 2 ． E 3 J 杨绪军 ， 程大伟 ， 杨康 ． 矿 用多参数气 体流 量传感 器设 计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 5 1 2 - 1 4 ． [ 4 ] 李涛． 煤矿管道 瓦斯流量 计量技 术研 究[ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 o 1 2 ， 3 8 1 1 1 4 1 7 ． E 5 ] 王晓蕾． 动态补 偿质量 流量仪表 在蒸汽计 量上 的应用 [ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 8 ， 4 4 4 6 2 6 4 ． 睦 ～ H C一 一 一