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

0引言

氣體流量監(jiān)測(cè)是煤礦瓦斯抽采監(jiān)測(cè)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(duì)流量計(jì)的測(cè)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(cè)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(cè)。(2)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)屬于流體振動(dòng)式流量計(jì),其內(nèi)部采用類(lèi)似文丘里管結(jié)構(gòu),因此也被稱(chēng)為“文丘里渦街”。旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的測(cè)量下限相對(duì)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(jiǎn)單,測(cè)量范圍較大,量程比可達(dá)10∶1等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)直管段要求長(zhǎng),測(cè)量下限較高,一般不低于3~4 m/s,對(duì)管道振動(dòng)較敏感，且渦街發(fā)生體對(duì)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(cè)量精度高、重復(fù)性好等有點(diǎn)，且對(duì)直管段要求較短，測(cè)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(duì)上述流量計(jì)存在的缺點(diǎn)，本文基于時(shí)差法超聲波流量檢測(cè)技術(shù)，采用 40 kHz 超聲波換能器，利用CX20106A 集成紅外信號(hào)接收芯片對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，并利用 AＲM 芯片 ADuC7024 計(jì)算超聲波飛行時(shí)間，設(shè)計(jì)了礦用管道式超聲波氣體流量計(jì)，具有無(wú)壓損、準(zhǔn)確性高、可靠性和穩(wěn)定性好、量程比寬、流速測(cè)量下限低至 0．2 m /s 等優(yōu)點(diǎn)，并在煤礦鉆場(chǎng)單孔瓦斯管道、鉆場(chǎng)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(chǎng)表現(xiàn)和環(huán)境適應(yīng)性。

1.時(shí)差法超聲波流量檢測(cè)技術(shù)原理圖

時(shí)差法超聲波流量檢測(cè)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(shí)間和逆流傳播時(shí)間存在時(shí)間差，而時(shí)間差和管道內(nèi)的流體速度有關(guān)，因此只需要測(cè)量時(shí)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(shí)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(shí)間為 t1 ，速度為 c1 ，逆流從 T2 傳播到 T1 的時(shí)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(cè)量功能，還同時(shí)具有管道內(nèi)氣體壓力和溫度的測(cè)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(cè)超聲波首波的檢測(cè)方式，簡(jiǎn)化后續(xù)軟件設(shè)計(jì)的難度; 信號(hào)處理采用集成紅外遙控接收芯片CX20106A; 管道內(nèi)氣體溫度測(cè)量通過(guò)集成化的數(shù)字溫度傳感器 18B20 來(lái)實(shí)現(xiàn)，壓力測(cè)量通過(guò)量程 30 psi( 1 psi=6．894 kPa) 的 154N 系列壓力傳感器，配合信號(hào)處理電路來(lái)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(shí)間。當(dāng)發(fā)出超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)后高速 AＲM 芯片ADuC7024 開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到接收到 CX20106A 的輸出方波信號(hào)后停止計(jì)時(shí)，此段時(shí)間即為超聲波飛行

時(shí)間。

2．1 超聲驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。

圖3 所示的推挽式驅(qū)動(dòng)電路原理簡(jiǎn)述為: 40 kHz

驅(qū)動(dòng)脈沖通過(guò) 2 路反相電路后形成極性相反的 2 路信號(hào)，分別控制 2 個(gè)三極管開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生更高幅值的驅(qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)過(guò)反相電路后產(chǎn)生***終的發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。同時(shí)在驅(qū)動(dòng)換能器之前，設(shè)計(jì)了一級(jí)由反相器CD4069 構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路以解決因三極管導(dǎo)致的信號(hào)幅值損失，提高脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(zhuān)門(mén)的電路來(lái)控制 U40D－1410的收發(fā)狀態(tài)，使發(fā)射 / 接收有序，即采用分時(shí)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(hào)，S* _A 和 S* _B 表示用于控制一支換能器的信號(hào)對(duì)。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(mǎn)足實(shí)用要求。

2．3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

由于空氣對(duì)超聲波有很強(qiáng)的衰減作用，接收的信號(hào)非常微弱，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理后才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號(hào)，然后利用整形電路變換出方波提供計(jì)時(shí)停止信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用 CX20106A 集成紅外信號(hào)接收芯片。由于對(duì)實(shí)時(shí)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(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度要求并不高，因此為了計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，沒(méi)有采用 CX20106A 內(nèi)部的比較器，而從引腳 6 取出信號(hào)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(hào)質(zhì)量，降低干擾信號(hào)對(duì)超聲波信號(hào)的干擾，在 CX20106A 前級(jí)還加入了一級(jí)儀表放大器 AD623 為核心的差分放大電路。

信號(hào)處理電路處理電路如圖 5 所示。

3.測(cè)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(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理并產(chǎn)生方波計(jì)時(shí)停止信號(hào)，在流量校驗(yàn)工裝上對(duì)該管道式超聲波氣體流量計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)溫度為

22．2 ℃ ，測(cè)試數(shù)據(jù)如表 1 所示。

對(duì)表中的時(shí)間差與真實(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)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(cè)量時(shí)間差計(jì)算出的實(shí)測(cè)風(fēng)速與真實(shí)風(fēng)速基本一致，相對(duì)誤差小于4%，實(shí)測(cè)風(fēng)速與真實(shí)風(fēng)速的吻合度非常高，說(shuō)明時(shí)間差的測(cè)量比較準(zhǔn)確。同時(shí)圖 6 表明風(fēng)速和時(shí)間差的線(xiàn)性度非常好，相關(guān)度達(dá)到 0．999 4，說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的超聲波氣體流量計(jì)符合時(shí)差法測(cè)量理論。同時(shí)，受限于所用測(cè)量裝置的風(fēng)速測(cè)量下限( ≥0．2 m /s) ，當(dāng)測(cè)試風(fēng)速為 0．2 m /s 時(shí)，時(shí)間差的變化量較大，具有極低的風(fēng)速測(cè)量下限和較高的測(cè)量分辨率。

4.結(jié)束語(yǔ)

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