介紹了煤礦瓦斯抽采監(jiān)測常用流量計的各種優(yōu)缺點，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行處理，并利用高速 AＲM芯片計算超聲波飛行時間，設計了礦用管道式超聲波氣體流量計，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，具有良好的現場表現和環(huán)境適應性。

0引言

氣體流量監(jiān)測是煤礦瓦斯抽采監(jiān)測和治理的重要內容,但煤礦工況條件復雜,瓦斯抽放管路內流量變化范圍大,而且瓦斯抽采氣體中含有大量的水汽和粉塵,對流量計的測量準確性和穩(wěn)定性都產生了極大的不利影響。目前煤礦瓦斯抽采監(jiān)測用流量計主要有孔板流量計、旋進漩渦流量計、渦街流量計、V錐流量計等,上述流量計在應用中的優(yōu)缺點主要有:(1)孔板流量計屬于差壓式流量計,采用節(jié)流原理實現流量計量。由于節(jié)流件內徑遠小于瓦斯抽放管道內徑,導致抽采阻力增加,從而影響瓦斯抽放效果。另外,孔板流量計的量程比太小,一般為3∶1,不適應流量變化較大的瓦斯抽放管道流量監(jiān)測。(2)旋進漩渦流量計屬于流體振動式流量計,其內部采用類似文丘里管結構,因此也被稱為“文丘里渦街”。旋進漩渦流量計的測量下限相對較低,但由于內部結構存在人為縮徑導致壓損巨大,且內部容易被粉塵等雜質堵塞,不適應瓦斯抽放管道的工作條件,煤礦應用受到嚴重限制。(3)渦街流量計屬于速度式流量計,具有結構簡單,測量范圍較大,量程比可達10∶1等優(yōu)點,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;

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

針對上述流量計存在的缺點，本文基于時差法超聲波流量檢測技術，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行處理，并利用 AＲM 芯片 ADuC7024 計算超聲波飛行時間，設計了礦用管道式超聲波氣體流量計，具有無壓損、準確性高、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，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域得到了應用，具有良好的現場表現和環(huán)境適應性。

1.時差法超聲波流量檢測技術原理圖

時差法超聲波流量檢測技術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，而時間差和管道內的流體速度有關，因此只需要測量時間差就可以求出流體流速，進而求得管道內的流體流量 。時差法超聲波氣體流量計的基本原理如圖 1 所示。

設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設計

本文設計的管道式超聲波氣體流量計設計不僅具有流量測量功能，還同時具有管道內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)軟件設計的難度; 信號處理采用集成紅外遙控接收芯片CX20106A; 管道內氣體溫度測量通過集成化的數字溫度傳感器 18B20 來實現，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現。

管道式超聲波氣體流量計的原理框圖如圖 2所示。

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

時間。

2．1 超聲驅動電路

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)，設計了如圖 3 所示的推挽式驅動電路。

圖3 所示的推挽式驅動電路原理簡述為: 40 kHz

驅動脈沖通過 2 路反相電路后形成極性相反的 2 路信號，分別控制 2 個三極管開關電路產生更高幅值的驅動脈沖，再經過反相電路后產生***終的發(fā)射驅動脈沖信號。同時在驅動換能器之前，設計了一級由反相器CD4069 構成驅動電路以解決因三極管導致的信號幅值損失，提高脈沖信號驅動能力。

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，既要充當超聲發(fā)射換能器，又要充當超聲接收換能器，因此需要設計專門的電路來控制 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。

圖中左側電路為發(fā)射切換電路，右側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，其導通電阻小于

80 Ω，而超聲波換能器 U40D－1410 的內阻為 500 Ω，滿足實用要求。

2．3 信號處理電路設計

由于空氣對超聲波有很強的衰減作用，接收的信號非常微弱，必須對信號進行放大、濾波處理后才能產生足夠強的信號，然后利用整形電路變換出方波提供計時停止信號，本設計采用 CX20106A 集成紅外信號接收芯片。由于對實時性有較高要求，因此比較電路需要具有極快速的響應能力，而 CX20106A 對信號的響應速度要求并不高，因此為了計時的準確性，沒有采用 CX20106A 內部的比較器，而從引腳 6 取出信號并送入到以 CD4013 觸發(fā)器為核心的方波產生電路中。另外為了提高信號質量，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.測試結果與分析

本文設計管道式超聲波氣體流量計采用“V”字形安裝方式，利用 CX20106A 對超聲波信號進行處理并產生方波計時停止信號，在流量校驗工裝上對該管道式超聲波氣體流量計進行了測試，測試時溫度為

22．2 ℃ ，測試數據如表 1 所示。

對表中的時間差與真實風速數據進行曲線擬合，如圖 6 所示。

由表 1 的數據統計可以看出，按照測量時間差計算出的實測風速與真實風速基本一致，相對誤差小于4%，實測風速與真實風速的吻合度非常高，說明時間差的測量比較準確。同時圖 6 表明風速和時間差的線性度非常好，相關度達到 0．999 4，說明本文所設計的超聲波氣體流量計符合時差法測量理論。同時，受限于所用測量裝置的風速測量下限( ≥0．2 m /s) ，當測試風速為 0．2 m /s 時，時間差的變化量較大，具有極低的風速測量下限和較高的測量分辨率。

4.結束語

本文比較了煤礦瓦斯抽采監(jiān)測常用流量計的各種優(yōu)缺點，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行處理，并利用高速 AＲM 芯片 ADuC7024 計算超聲波飛行時間，設計了礦用管道式超聲波氣體流量計。通過測試證明，該管道式超聲波氣體流量計的時間差和風速( 流量) 之間具有良好的線性關系，測量下限低于 0．2 m /s，相關系數達到 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，具有較高的市場應用前景。