CN102080976A - 宽范围瓦斯流量检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种宽范围瓦斯流量检测仪，它包括处理器模块，在所述处理器模块的输入端连接有超声波换能器和尾锥差压检测器，在处理器模块的输出端连接有液晶显示器，在处理器模块的I/O端口上连接有存储器；所述处理器模块还通过RS485总线与上位机通信；在所述处理器模块的输入端还分别连接有温度传感器和压力传感器以及用于检测管道内瓦斯浓度的瓦斯浓度传感器。本发明的检测仪彻底解决了低端流速测试不准甚至低流速测试不到的问题，扩大了流量计的检测范围，同时还具有灵敏度较高的特点，并提高了检测精度。

Description

宽范围瓦斯流量检测仪

技术领域

本发明涉及一种瓦斯流量检测装置，具体为一种用于测量煤矿通风管道内瓦斯流量，且具有超宽测量范围的检测仪，属于电子技术领域。

 

背景技术

瓦斯是煤矿井下作业人员的主要危害因素，当其在空气中的浓度达到55%时，能使人因缺氧而窒息死亡，并还可能引起燃烧或爆炸，但是瓦斯也可以作为民用的天燃气的原料，因此在矿井下作业时需要把瓦斯及时的抽出，并通过管道输送至天燃气公司。在输送瓦斯的管道中，通常安装有流量计来实时监测井下输送管道中的瓦斯流量，并以此来计算送往天燃气公司的瓦斯总流量。

目前使用的瓦斯流量计种类很多，尾锥流量计是其中一种，它是由一个尾锥和与尾锥连接的检测电路构成，检测时，尾锥上的差压传感器实时检测尾锥前、后两端的气压大小并输入给检测电路，所述检测电路对尾锥前、后两端的气压差值进行比较、换算后输出工况流量值。但是这种流量计仍然存在一些缺陷，人们在使用过程中发现，当管道内空气流速较大时，这种尾锥流量计检测得到数据还相对较为准确；但是当处于低流速阶段时，则存在检测不到数据或检测灵敏度明显降低的情况，而且检测的数据很不稳定、误差也很大，虽然可以通过校正尾锥的方式来增加低端流速阶段的灵敏度，但这又会对高端流速阶段的测量造成影响。

同样的，目前还有一种涡街传感器也存在这样的缺陷，当管道内流速较大时，在漩涡发生体两侧的漩涡列较为有规律而且信号较为明显，此时可正常检测，但是在低流速尤其是7m/s以下的流速时，所产生的漩涡列的规律性以及信号强度均很弱，这时涡街传感器对于流量信号的检测就极为困难。

 

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明的主要目的在于解决当矿井下管道内瓦斯流速较低时，传统瓦斯流量计难以获取准确的检测数据的问题，而提供一种在低流速和高流速阶段都能检测得到有效的瓦斯流量信号，并且测量精度较高、数据类型较为全面的宽范围瓦斯流量检测仪。

本发明的技术方案：宽范围瓦斯流量检测仪，其特征在于，包括处理器模块，在所述处理器模块的输入端连接有超声波换能器和尾锥差压检测器，在处理器模块的输出端连接有液晶显示器，在处理器模块的I/O端口上连接有存储器；所述处理器模块还通过RS485总线与上位机通信；

所述超声波换能器包括超声波发射单元和超声波接收放大单元，在超声波接收放大单元上还依次连接有超声波变换处理单元和信号整理解调单元，所述超声波发射单元发射的超声波经反射后被超声波接收放大单元接收，所述超声波接收放大单元将接收到的由超声波信号和流量信号组成的复合信号放大后输入超声波变换处理单元，超声波变换处理单元将所述复合信号增大幅值后输入信号整理解调单元，信号整理解调单元再将所述复合信号检波、整形变换为脉冲信号输入到处理器模块；

所述尾锥差压检测器，用于检测尾锥前、后的差压，并将尾锥差压信号输入处理器模块；

所述处理器模块根据所述超声波换能器输入的脉冲信号、尾锥差压检测器输入的尾锥差压信号并结合管道管径数据计算得出瓦斯流量信号；

所述液晶显示器，用于显示处理器模块输出的瓦斯流量信号。

本发明的流量检测仪专门用于检测煤矿矿井下通风管道内的瓦斯流量，它通过超声波换能器和尾锥差压检测器同时采集检测数据，也可以通过超声波换能器和涡街传感器同时采集检测流量信号，进而能够更为准确的计算出实时的瓦斯流量，帮助地面的监控人员监控井下安全。由于超声波换能器在低流速阶段具有更为优良的检测性能，而尾锥差压检测器在流速较高时的检测精度更好，因此二者可以相互补充，使检测仪无论在高流速还是低流速阶段都能采集到准确的流量数据。

进一步，在所述处理器模块的输入端还分别连接有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器用于检测尾锥上的温度，所述压力传感器用于检测管道内的气压。通过结合温度传感器检测得到的温度值和压力传感器检测得到的气压值，处理器模块在计算分析时能够对工况流量进行补偿，进而计算得出的流量数据能够更接近于标况流量，这样流量信号更为准确。

再进一步，在所述处理器模块的输入端还连接有用于检测管道内瓦斯浓度的瓦斯浓度传感器。所述瓦斯浓度传感器的监测信号以频率信号输出到上位机，用于计算工况和标况下的纯流量信号。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、具有超宽的流量检测范围：本发明的流量检测仪结合了尾锥差压检测器和超声波换能器，当通风管道内的流速较大时，通过尾锥差压检测器可以获取较为准确的流量信号；当管道内流速较小时，还可以通过超声波换能器来采集获取流量信号，这样即使经过的气流比较微弱，敏锐的超声波也可以检测和接收到信号，并且可以将信号良好的解调出来，从而扩大了流量计的检测范围，彻底解决了低端流速测试不准甚至低流速阶段检测不到的问题，其测试范围比传统流量计（尤其是气体测量）在低端时明显加宽，甚至低至0.3m/s的流速亦可以检测到。

2、灵敏度和检测精度较高：本发明的检测仪在尾锥本体上加入了温度和压力信号传感器，通过温度和压力信号可以对工况流量进行补偿，这样既可以输出未经过补偿的工况流量信号，也可以输出经过补偿后的标况流量信号，更方便监测人员进行对比判断。

3、在检测仪中还加入了用于测量管道瓦斯浓度的瓦斯浓度传感器，通过结合瓦斯浓度传感器的检测数据可以计算得到纯瓦斯流量数据，使得瓦斯流量数据更为准确。

 

附图说明

图1为本发明流量检测仪的结构示意图；

图2为本发明中超声波换能器的结构示意图。

图中，1—处理器模块，2—超声波换能器，21—超声波发射单元，22—超声波接收放大单元，23—超声波变换处理单元，24—信号整理解调单元，3—尾锥差压检测器，4—温度传感器，5—压力传感器，6—液晶显示器，7—存储器，8—上位机，9—瓦斯浓度传感器，10—红外接收器，11—涡街传感器。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种宽范围瓦斯流量检测仪，包括处理器模块1，所述处理器模块1由单片机和外围电路构成，用于对各种输入的信号进行分析处理，本发明的处理器模块1可采用现有技术中的外围处理电路，其中单片机可采用MSP430系列芯片；在所述处理器模块1上连接有超声波换能器2、尾锥差压检测器3、温度传感器4、压力传感器5、液晶显示器6、存储器7和瓦斯浓度传感器9；所述处理器模块1还通过RS485总线与上位机8通信。

参见图2，所述超声波换能器2包括超声波发射单元21和超声波接收放大单元22，在超声波接收放大单元22上还依次连接有超声波变换处理单元23和信号整理解调单元24。所述超声波发射单元21内的振荡电路单元在高频率脉冲驱动下，将电能转化为超声波能量发射，并经反射后被超声波接收放大单元22接收；所述超声波接收放大单元22将接收到的由超声波信号和流量信号组成的复合信号放大后输入超声波变换处理单元23，超声波变换处理单元23利用内部的运算放大器将所述复合信号增大幅值后输入信号整理解调单元24，信号整理解调单元24采用内部的硬件电路将所述复合信号检波、整形变换为脉冲信号输入到处理器模块1，其中检波的目的在于滤除复合信号中的超声波信号，只保留流量信号。

所述超声波换能器2工作时是利用压电材料的压电效应，把电能加到超声波发射单元21的压电元件上，使其产生超声波振动，发射出的超声波以一定角度射入到流体中传播，然后由超声波接收放大单元22接收，并经压电元变换为电压信号，从而实现流量检测。超声波在流动的流体中传播时就载上了流体流速的信息，因此超声波接收放大单元22接收到的复合信号既包含超声波信号也包括流量信号，通过超声波变换处理单元23和信号整理解调单元24滤除超声波信号，就可以得到单纯的流量信号，从而检测出流体的流速，并换算成流量。由于超声波发射的频率很高，普遍范围在145KHz~200KHz，因此其具有敏锐的特性，即使微弱的气流经过都能够被其捕捉到，因此本发明中，超声波换能器主要用于检测低流速阶段管道内瓦斯流量。

参见图1，所述尾锥差压检测器3主要用于检测尾锥前、后两端的差压，在流体流过所述尾锥差压检测器3时，在椎体前后会产生压力差，不同的压力差代表着不同的流量，尾锥上装有差压检测电路，将差压信号线性的转化为毫伏级电压信号，再经过运算放大电路精密放大后，输入到处理器模块1。同时，所述温度传感器4和压力传感器5也分别将流量计尾锥上的温度和管道内的气压的实时数据输入处理器模块1内。所述温度传感器4采用铂电阻式检测，用于检测温度的铂电阻组成惠斯登电桥电路，温度变化时，铂电阻阻值变化，同时电桥电路中的输出端电压也得到变化，这个变化的电压信号中就包含了管道内部的温度信息，处理器模块1将这个电压信号进行A/D转化为数字信号，进过计算后得到管道内的温度值。所述压力传感器5用于检测抽放管道内的气压，其采用应变式结构，测量管道内部的压力时，压力传感器将管道内的流体压力变化为4~20毫安的电流，在处理器模块1的前端装有一个精密的电阻，当电流流过这个流过这个电阻时电流信号就转化为电压信号，处理器模块1将这个电压值进行A/D转换为数字信号，从而可以计算得到管道内部的压力值。

参见图1，为进一步提高检测数据的精度，处理器模块1还通过瓦斯浓度传感器9接收管道内的瓦斯浓度实时数据，通过检测瓦斯浓度数据信号可以直接计算出纯瓦斯流量。

参见图1，在所述处理器模块1的输入端还连接有涡街传感器11，所述涡街传感器11用于检测流体流过柱形漩涡发生体时，在其两侧交替产生的有规则的漩涡的频率，不同的流量下涡街将输出不同幅值和频率的脉冲信号，其测量流速范围可以达到60m/s，因此通过涡街传感器11也可以实现对瓦斯流量的检测。在实际使用中，尾锥差压检测器和涡街传感器都是在流速较快的情况下检测效果更好，因此用户可以根据需要采用超声波换能器+尾锥差压检测器的结构模式，或者超声波换能器+涡街传感器的结构模式。

参见图1，在所述处理器模块1的I/O端口上还连接有用于与红外遥控器通信的红外接收器10，工作人员通过红外遥控器可以直接调节处理器模块的工作状态以及对检测仪进行校正等处理。

工作时，所述处理器模块1根据所述超声波换能器2输入的脉冲信号、尾锥差压检测器3输入的尾锥差压信号并结合管道管径数据建立数学模型，进而计算得出瓦斯流量信号，并通过液晶显示器6输出显示，同时也将瓦斯流量数据输出给上位机8，连接在处理器模块1上的存储器7还同步实时存储瓦斯流量数据，存储器7存储的数据也可供处理器模块1查询调取。所述瓦斯流量数据中包括管道内的实时温度值、管道内的压力值、瓦斯工况流量值、瓦斯标况流量值以及管道内瓦斯浓度值等，监控人员可以根据需要自由调取各个参数值进行查看。本发明中在处理器模块1中建立的数学模型是现有的计算方法，其数学模型的具体建立方法由于在本行业中已属于现有技术，因此在此不详细描述，本发明中只需将各个信号输入该模型即可计算出瓦斯流量数据。

本发明的检测仪彻底解决了在煤矿通风管道内瓦斯在低流速情况下测量不准甚至检测不到的问题，同时还具有测量速度快、精度高的特点，方便矿方可以更加精确的掌控瓦斯总量，有利于提高井下作业的安全性，有很好的针对性和实用价值。

Claims (5)

1.宽范围瓦斯流量检测仪，其特征在于，包括处理器模块（1），在所述处理器模块（1）的输入端连接有超声波换能器（2）和尾锥差压检测器（3），在处理器模块（1）的输出端连接有液晶显示器（6），在处理器模块（1）的I/O端口上连接有存储器（7）；所述处理器模块（1）还通过RS485总线与上位机（8）通信；

所述超声波换能器（2）包括超声波发射单元（21）和超声波接收放大单元（22），在超声波接收放大单元（22）上还依次连接有超声波变换处理单元（23）和信号整理解调单元（24），所述超声波发射单元（21）发射的超声波经反射后被超声波接收放大单元（22）接收，所述超声波接收放大单元（22）将接收到的由超声波信号和流量信号组成的复合信号放大后输入超声波变换处理单元（23），超声波变换处理单元（23）将所述复合信号增大幅值后输入信号整理解调单元（24），信号整理解调单元（24）再将所述复合信号检波、整形变换为脉冲信号输入到处理器模块（1）；

所述尾锥差压检测器（3），用于检测尾锥前、后的差压，并将尾锥差压信号输入处理器模块（1）；

所述处理器模块（1）根据所述超声波换能器（2）输入的脉冲信号、尾锥差压检测器（3）输入的尾锥差压信号并结合管道管径数据计算得出瓦斯流量信号；

所述液晶显示器（6），用于显示处理器模块（1）输出的瓦斯流量信号。

2.根据权利要求1所述的宽范围瓦斯流量检测仪，其特征在于，在所述处理器模块（1）的输入端还分别连接有温度传感器（4）和压力传感器（5），所述温度传感器（4）用于检测尾锥上的温度，所述压力传感器（5）用于检测通风管道内的气压。

3.根据权利要求1所述的宽范围瓦斯流量检测仪，其特征在于，在所述处理器模块（1）的输入端还连接有涡街传感器（11），所述涡街传感器（11）用于检测流体流过柱形漩涡发生体时，在其两侧交替产生的有规则的漩涡的频率。

4.根据权利要求2所述的宽范围瓦斯流量检测仪，其特征在于，在所述处理器模块（1）的输入端还连接有用于检测管道内瓦斯浓度的瓦斯浓度传感器（9）。

5.根据权利要求1、2或3所述的宽范围瓦斯流量检测仪，其特征在于，所述处理器模块（1）的I/O端口上还连接有用于与红外遥控器通信的红外接收器（10）。

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