介紹了煤礦瓦斯抽采監(jiān)測常用流量計(jì)的各種優(yōu)缺點(diǎn)，基于時差法超聲波流量檢測原理，采用40 kHz 超聲波換能器和 CX20106A 集成紅外信號接收芯片對超聲波信號進(jìn)行處理，并利用高速 AＲM芯片計(jì)算超聲波飛行時間，設(shè)計(jì)了礦用管道式超聲波氣體流量計(jì)，相對誤差小于 4．0%、流速下限低至0．2 m /s，且無壓損，是解決煤礦瓦斯抽采監(jiān)測的理想儀器，具有良好的現(xiàn)場表現(xiàn)和環(huán)境適應(yīng)性。

0引言

氣體流量監(jiān)測是煤礦瓦斯抽采監(jiān)測和治理的重要內(nèi)容,但煤礦工況條件復(fù)雜,瓦斯抽放管路內(nèi)流量變化范圍大,而且瓦斯抽采氣體中含有大量的水汽和粉塵,對流量計(jì)的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都產(chǎn)生了極大的不利影響。目前煤礦瓦斯抽采監(jiān)測用流量計(jì)主要有孔板流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、渦街流量計(jì)、V錐流量計(jì)等,上述流量計(jì)在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)主要有:(1)孔板流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì),采用節(jié)流原理實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量。由于節(jié)流件內(nèi)徑遠(yuǎn)小于瓦斯抽放管道內(nèi)徑,導(dǎo)致抽采阻力增加,從而影響瓦斯抽放效果。另外,孔板流量計(jì)的量程比太小,一般為3∶1,不適應(yīng)流量變化較大的瓦斯抽放管道流量監(jiān)測。(2)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)屬于流體振動式流量計(jì),其內(nèi)部采用類似文丘里管結(jié)構(gòu),因此也被稱為“文丘里渦街”。旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的測量下限相對較低,但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在人為縮徑導(dǎo)致壓損巨大,且內(nèi)部容易被粉塵等雜質(zhì)堵塞,不適應(yīng)瓦斯抽放管道的工作條件,煤礦應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。(3)渦街流量計(jì)屬于速度式流量計(jì),具有結(jié)構(gòu)簡單,測量范圍較大,量程比可達(dá)10∶1等優(yōu)點(diǎn),但對直管段要求長,測量下限較高,一般不低于3~4 m/s,對管道振動較敏感，且渦街發(fā)生體對粉塵、水汽較敏感，需要定期清理維護(hù);

( 4) V 錐流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)，具有量程比高、測量精度高、重復(fù)性好等有點(diǎn)，且對直管段要求較短，測量下限較低，但存在壓力損失大、安裝和維護(hù)不便等缺點(diǎn)。

針對上述流量計(jì)存在的缺點(diǎn)，本文基于時差法超聲波流量檢測技術(shù)，采用 40 kHz 超聲波換能器，利用CX20106A 集成紅外信號接收芯片對超聲波信號進(jìn)行處理，并利用 AＲM 芯片 ADuC7024 計(jì)算超聲波飛行時間，設(shè)計(jì)了礦用管道式超聲波氣體流量計(jì)，具有無壓損、準(zhǔn)確性高、可靠性和穩(wěn)定性好、量程比寬、流速測量下限低至 0．2 m /s 等優(yōu)點(diǎn)，并在煤礦鉆場單孔瓦斯管道、鉆場瓦斯匯流管道等極低流速瓦斯抽采領(lǐng)域得到了應(yīng)用，具有良好的現(xiàn)場表現(xiàn)和環(huán)境適應(yīng)性。

1.時差法超聲波流量檢測技術(shù)原理圖

時差法超聲波流量檢測技術(shù)是利用超聲波在管道中順流方向和逆流方向的速度不同，在相同的傳播距離( 聲程) 上順流傳播時間和逆流傳播時間存在時間差，而時間差和管道內(nèi)的流體速度有關(guān)，因此只需要測量時間差就可以求出流體流速，進(jìn)而求得管道內(nèi)的流體流量 。時差法超聲波氣體流量計(jì)的基本原理如圖 1 所示。

設(shè)超聲波在靜止流體中的傳播速度為 c，超聲波順流從 T1 傳播到 T2 的時間為 t1 ，速度為 c1 ，逆流從 T2 傳播到 T1 的時間為 t2 ，速度為 c2 ，則順流和逆流速度為:

式中 Q 為管道中的流量，m3 /s。

2.管道式超聲波氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的管道式超聲波氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)不僅具有流量測量功能，還同時具有管道內(nèi)氣體壓力和溫度的測量功能。其中超聲波換能器安裝方式采用“V”字形安裝方式并采用檢測超聲波首波的檢測方式，簡化后續(xù)軟件設(shè)計(jì)的難度; 信號處理采用集成紅外遙控接收芯片CX20106A; 管道內(nèi)氣體溫度測量通過集成化的數(shù)字溫度傳感器 18B20 來實(shí)現(xiàn)，壓力測量通過量程 30 psi( 1 psi=6．894 kPa) 的 154N 系列壓力傳感器，配合信號處理電路來實(shí)現(xiàn)。

管道式超聲波氣體流量計(jì)的原理框圖如圖 2所示。

圖中管道超聲波氣體流量計(jì)采用高速 AＲM 芯片ADuC7024，利用內(nèi)部高達(dá) 24 MHz 的晶振計(jì)算超聲波飛行時間。當(dāng)發(fā)出超聲波驅(qū)動信號后高速 AＲM 芯片ADuC7024 開始計(jì)時，直到接收到 CX20106A 的輸出方波信號后停止計(jì)時，此段時間即為超聲波飛行

時間。

2．1 超聲驅(qū)動電路

本文采用超聲波收發(fā)一體式換能器 U40D－1410，為使 U40D－1410 超聲波收發(fā)一體式換能器工作于***佳狀態(tài)，設(shè)計(jì)了如圖 3 所示的推挽式驅(qū)動電路。

圖3 所示的推挽式驅(qū)動電路原理簡述為: 40 kHz

驅(qū)動脈沖通過 2 路反相電路后形成極性相反的 2 路信號，分別控制 2 個三極管開關(guān)電路產(chǎn)生更高幅值的驅(qū)動脈沖，再經(jīng)過反相電路后產(chǎn)生***終的發(fā)射驅(qū)動脈沖信號。同時在驅(qū)動換能器之前，設(shè)計(jì)了一級由反相器CD4069 構(gòu)成驅(qū)動電路以解決因三極管導(dǎo)致的信號幅值損失，提高脈沖信號驅(qū)動能力。

2．2 發(fā)射 /接收切換電路

由于超聲波換能器 U40D－1410 為收發(fā)一體式換能器，既要充當(dāng)超聲發(fā)射換能器，又要充當(dāng)超聲接收換能器，因此需要設(shè)計(jì)專門的電路來控制 U40D－1410的收發(fā)狀態(tài)，使發(fā)射 / 接收有序，即采用分時切換方式。發(fā)射 / 接收切換電路如圖 4 所示。

圖中左側(cè)電路為發(fā)射切換電路，右側(cè)電路為接收切換電路。A0 和 A1 為發(fā)射 / 接收切換控制信號，S* _A 和 S* _B 表示用于控制一支換能器的信號對。發(fā)射 / 接收切換電路采用 MAX309 芯片，其導(dǎo)通電阻小于

80 Ω，而超聲波換能器 U40D－1410 的內(nèi)阻為 500 Ω，滿足實(shí)用要求。

2．3 信號處理電路設(shè)計(jì)

由于空氣對超聲波有很強(qiáng)的衰減作用，接收的信號非常微弱，必須對信號進(jìn)行放大、濾波處理后才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號，然后利用整形電路變換出方波提供計(jì)時停止信號，本設(shè)計(jì)采用 CX20106A 集成紅外信號接收芯片。由于對實(shí)時性有較高要求，因此比較電路需要具有極快速的響應(yīng)能力，而 CX20106A 對信號的響應(yīng)速度要求并不高，因此為了計(jì)時的準(zhǔn)確性，沒有采用 CX20106A 內(nèi)部的比較器，而從引腳 6 取出信號并送入到以 CD4013 觸發(fā)器為核心的方波產(chǎn)生電路中。另外為了提高信號質(zhì)量，降低干擾信號對超聲波信號的干擾，在 CX20106A 前級還加入了一級儀表放大器 AD623 為核心的差分放大電路。

信號處理電路處理電路如圖 5 所示。

3.測試結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)管道式超聲波氣體流量計(jì)采用“V”字形安裝方式，利用 CX20106A 對超聲波信號進(jìn)行處理并產(chǎn)生方波計(jì)時停止信號，在流量校驗(yàn)工裝上對該管道式超聲波氣體流量計(jì)進(jìn)行了測試，測試時溫度為

22．2 ℃ ，測試數(shù)據(jù)如表 1 所示。

對表中的時間差與真實(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，如圖 6 所示。

由表 1 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，按照測量時間差計(jì)算出的實(shí)測風(fēng)速與真實(shí)風(fēng)速基本一致，相對誤差小于4%，實(shí)測風(fēng)速與真實(shí)風(fēng)速的吻合度非常高，說明時間差的測量比較準(zhǔn)確。同時圖 6 表明風(fēng)速和時間差的線性度非常好，相關(guān)度達(dá)到 0．999 4，說明本文所設(shè)計(jì)的超聲波氣體流量計(jì)符合時差法測量理論。同時，受限于所用測量裝置的風(fēng)速測量下限( ≥0．2 m /s) ，當(dāng)測試風(fēng)速為 0．2 m /s 時，時間差的變化量較大，具有極低的風(fēng)速測量下限和較高的測量分辨率。

4.結(jié)束語

本文比較了煤礦瓦斯抽采監(jiān)測常用流量計(jì)的各種優(yōu)缺點(diǎn)，基于時差法超聲波流量檢測原理，采用40 kHz超聲波換能器 U40D － 1410 和 CX20106A 集成紅外信號接收芯片對超聲波信號進(jìn)行處理，并利用高速 AＲM 芯片 ADuC7024 計(jì)算超聲波飛行時間，設(shè)計(jì)了礦用管道式超聲波氣體流量計(jì)。通過測試證明，該管道式超聲波氣體流量計(jì)的時間差和風(fēng)速( 流量) 之間具有良好的線性關(guān)系，測量下限低于 0．2 m /s，相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0．999 4，相對誤差不超過 4．0%，具有極高的測量分辨率、極低測量下限和較高的測量準(zhǔn)確度，是煤礦瓦斯抽采監(jiān)測的理想儀器，具有較高的市場應(yīng)用前景。