CN102830164B - 一种甲烷浓度在线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甲烷浓度在线检测方法及装置，使待测气体在流过测量管时自由扩散到与测量管相连通的静速管中，静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器，根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度C_f，将C_f代入甲烷浓度计算公式中，得到待测气体中的甲烷浓度p，t为测量管中待测气体的当前温度，C_air为温度t下空气中的超声波传播速度。本专利所提供的在线检测方法中使用的静速管的结构简单，可以直接应用在煤矿井下等测量场所，实现对甲烷浓度实施的在线检测。

Description

一种甲烷浓度在线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种甲烷浓度在线检测方法及装置。

背景技术

煤矿井下环境中甲烷浓度的测量一般采用催化元件，在实际应用中由于易受到水汽和其它气体的干扰，必须至少7天标校一次，工作量大、维护繁琐；另外，矿井下的瓦斯抽采管道内的瓦斯含量较高，对它的监测则常采用热导方法和红外测量方法，但这两种方法测量结果极易受水汽和粉尘的影响，由于瓦斯抽采管道内的气体是从煤层中抽出来的，势必含尘、含水，因此，上述两种方法在这样的环境下应用是有很大的局限性的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种甲烷浓度在线检测方法，以解决现有技术中测量甲烷浓度结果受水汽和其它杂质干扰的技术问题；同时，本发明还提供一种用于实施上述检测方法的甲烷浓度在线检测装置。

为实现上述目的，本发明所提供的甲烷浓度在线检测方法采用如下技术方案：一种甲烷浓度在线检测方法，使待测气体在流过测量管时自由扩散到与测量管相连通的静速管中，该静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器，根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度C_f，将C_f代入如下甲烷浓度计算公式中：

$p=\frac{C_f-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(1\right)$

即可得到待测流体的甲烷浓度，其中t为测量管中待测气体的当前温度，C_air为测量得到的温度t下空气中的超声波传播速度，k₁、k₂为校正系数；

其中，上述k₁、k₂两个校正系数通过如下两点校准的方法计算得到：测量在温度为t、甲烷浓度为p_A的甲烷与空气的混合气体中的超声波传播速度C_fA，测量在温度为t、甲烷浓度为p_B的甲烷与空气的混合气体中的超声波传播速度C_fB，将p_A、p_B、C_fA、C_fB、C_air及t带入上述计算公式（1）中，得到如下两个方程式；

$p_A=\frac{C_{\mathrm{fA}}-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(2\right)$

$p_B=\frac{C_{\mathrm{fB}}-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(3\right)$

然后将上述两方程式（2）、（3）联合求解得到k₁和k₂。

所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替作为发射和接收元件。

所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

本发明所提供的甲烷浓度在线检测装置采用如下技术方案：一种甲烷浓度在线检测装置，包括待测气体流过的测量管，该测量管上固连有与测量管相连通的供测量管中的待测气体自由扩散的静速管，在静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波以用于测量超声波传播速度的超声波换能器。

所述的静速管上设有用于检测静速管中流体温度的温度传感器。

所述的静速管通过扩散管与测量管相连通。

所述的静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

所述的静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替作为发射和接收元件。

所述的静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

本发明的有益效果是：本发明所提供的甲烷浓度在线检测方法中，待测气体在流过测量管时自由扩散到静速管中，静速管中不存在压差，这样在静速管中可以直接测量计算得到的超声波在静止状态下的待测气体中的传播速度C_f，由于静速管和测量管的环境因素如气体组分、温度、压力等均一致，可以认为在静速管中测量计算得到的超声波传播速度C_f即为超声波在测量管中的待测流体静态下的传播速度，避免气体组分对超声波传播速度C_f测量计算时的影响，省去需要进行针对各环境因素而进行的补偿计算，实现时差法超声波测气体流量的自补偿，使得可以快捷、准确的得到超声波传播速度C_f，在将其带入相应计算公式中后，即可得到待测的甲烷浓度。本专利所提供的在线检测方法中使用的静速管的结构简单，静速管上的超声波换能器压力小、功耗小，可以直接应用在煤矿井下等测量场所，实现对甲烷浓度实施的在线检测，避免测量结果延迟而导致危险系数提高。同时，上述测量防采用声波测量，所以可以同时避免受水汽或其他杂质的干扰。

本发明所提供的甲烷浓度在线检测装置中，在测量管上固连有供测量管中的待测气体自由扩散的静速管，在静速管中布置有用于测量超声波在静速管的气体中的传播速度的超声波换能器，测量时，待测气体在流过测量管时自由扩散到静速管中，静速管中不存在压差，这样在静速管中可以直接测量计算得到的超声波在静止状态下的待测气体中的传播速度C_f，由于静速管和测量管的环境因素如气体组分、温度、压力等均一致，可以认为在静速管中测量计算得到的超声波传播速度C_f即为超声波在测量管中的待测流体静态下的传播速度，避免气体组分对超声波传播速度C_f测量计算时的影响，省去需要进行针对各环境因素而进行的补偿计算，实现时差法超声波测气体流量的自补偿，使得可以快捷、准确的得到超声波传播速度C_f，在将其代入相应计算公式中后，即可得到待测的甲烷浓度。本发明所提供的在线检测装置所使用的压力小、功耗小，可以直接应用在煤矿井下等测量场所，实现对甲烷浓度实施的在线检测，避免测量结果延迟而导致危险系数提高。同时，上述测量防采用声波测量，所以可以同时避免受水汽或其他杂质的干扰。

附图说明

图1是本发明所提供的甲烷浓度在线检测装置一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

一种甲烷浓度在线检测方法的实施例，该实施例中的在线检测方法为：使待测气体在流过测量管时自由扩散到与测量管相连通的静速管中，该静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器，根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度C_f，将C_f代入如下甲烷浓度计算公式：

$p=\frac{C_f-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(1\right)$

即可得到待测流体的甲烷浓度，其中t为测量管中待测气体的当前温度，C_air为测量得到的温度t下空气中的超声波传播速度，k₁、k₂为校正系数；

其中，上述k₁、k₂两个校正系数通过如下两点校准的方法计算得到：首先测量得到温度t下超声波在甲烷浓度在5％即p＝5％时的甲烷与空气的混合气体中的超声波传播速度C_f5％，然后测量得到温度t下超声波在甲烷浓度在50％即p＝50％时的甲烷与空气的混合气体中的超声波传播速度C_f50％，然后测量得到在温度t下的空气中的超声波传播速度C_air，将p=5％、p=50％、C_f5％、C_f50％、C_air及t带入上述甲烷浓度得到如下两个方程式；

$p=5\%=\frac{C_{f5\%}-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(2\right)$

$p_B=50\%=\frac{C_{f50\%}-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(3\right)$

然后将上述两方程式（2）、（3）联合求解得到k₁和k₂。

上述检测方法中采用的是p＝5％和p＝50％的两种不同甲烷浓度的甲烷和空气的混合气体，在其他实施例中，也可以选用其他不同浓度条件下如p＝4％和p＝60％等条件下的混合气体来测量超声波在已知混合气体中的速度，从而计算得到校正系数k₁和k₂。

在具体实施例时，上述实施例中的C_f5％、C_f50％及C_air可以通过如图1所示的测量装置来测量超声波在混合气体和空气中的传播速度，将空气和不同甲烷浓度的甲烷与空气的混合气体分批次充入测量管中，通过静速管中的超声波换能器测量得到超声波传播速度。或者通过实验时预制好的实验管，在实验管的轴向两端对应安装一个发射元件和一个接受元件，测量时向实验管中充入相应的空气和混合气体，进而测量得到超声波传播速度。

上述检测方法中的温度t可通过设在静速管上的温度传感器测得，也可以通过温度计等他温度测量方式测得。

上述检测方法中的布局可以根据实际情况布置，例如可以采用下述三种布局形式：

静速管上的超声波换能器的布局1为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

静速管上的超声波换能器的布局2为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替作为发射和接收元件。

静速管上的超声波换能器的布局3为：所述静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

在上述列举的布局1和布局2中，静速管上的超声波换能器均采用对射结构，在其他实施例中，静速管上的超声波换能器还可以采用V型反射结构布局或其他布局，只要可以测量出超声波在静速管中的声程及传播时间即可。

在上述检测方法中，超声波在静速管中的实际传播时间是由测量到的超声波在静速管中的发射元件和接收元件之间的传播时间减去测量电路中的延迟时间而得到的。

上述时差法超声波流量检测方法适用于煤矿瓦斯抽放管道和天然气计量，也适用于其他环境下的气体流量测量，特别是对超声波传播速度影响较大的气体的测量。

事实上，因为超声波的传播速度受传输介质的影响，不同介质中超声波的传播速度不同。上述检测方法的原理就是依据超声波在不同浓度甲烷中的传播速度不同，则超声波的传播时间也不同，从而通过测量超声波的传播时间而计算出甲烷浓度。

下面结合附图1介绍用于实施上述检测方法的甲烷浓度在线检测装置的实施例，该实施例中的在线检测装置包括待测气体流过的测量管4，该测量管4上固连有与测量管相连通的供测量管中的待测气体自由扩散的静速管5，在静速管上设有用于检测静速管内流体温度的温度传感器。所述静速管5通过扩散管6固连在测量管上，且静速管5通过扩散管6与测量管4相连通，此处的扩散管6沿静速管轴向布置有两个，且这两个扩散管相距较近以防止静速管中出现气体波动。在静速管5上布置有向静速管中发射并接收超声波以用于测量超声波传播速度C_f的超声波换能器1和2，此处的静速管中的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

上述实施例中，静速管上的超声波换能器的布局还可以为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替作为发射和接收元件。

或者采用如下布局：所述静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

在上述列举的布局中，静速管上的超声波换能器均采用对射结构，在其他实施例中，静速管上的超声波换能器还可以采用V型反射结构布局或其他布局，只要可以测量出超声波在静速管中的声程及传播时间即可。

Claims (10)

1.一种甲烷浓度在线检测方法，其特征在于，使待测气体在流过测量管时自由扩散到与测量管相连通的静速管中，所述静速管通过扩散管固连在测量管上，该静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器，根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度C_f，将C_f代入如下甲烷浓度计算公式中：

$p=\frac{C_f-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(1\right)$

即可得到待测气体中的甲烷浓度，其中t为测量管中待测气体的当前温度，C_air为测量得到的温度t下空气中的超声波传播速度，k₁、k₂为校正系数；

其中，上述k₁、k₂两个校正系数通过如下两点校准的方法计算得到：测量在温度为t、甲烷浓度为p_A的甲烷与空气的混合气体中的超声波传播速度C_fA，测量在温度为t、甲烷浓度为p_B的甲烷与空气的混合气体中的超声波传播速度C_fB，测量在温度为t下的空气中的超声波传播速度C_air，将p_A、p_B、C_fA、C_fB及t带入上述计算公式(1)中，得到如下两个方程式：

$p_A=\frac{C_{\mathrm{fA}}-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(2\right)$

$p_B=\frac{C_{\mathrm{fB}}-C_{\mathrm{air}}}{k_1+k_{2}t}---\left(3\right)$

然后将上述两方程式(2)、(3)联合求解得到k₁和k₂。

2.根据权利要求1所述的甲烷浓度在线检测方法，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

3.根据权利要求1所述的甲烷浓度在线检测方法，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替作为发射和接收元件。

4.根据权利要求1所述的甲烷浓度在线检测方法，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

5.一种用于实施如权利要求1所述的在线检测方法的甲烷浓度在线检测装置，其特征在于，包括待测气体流过的测量管，该测量管上固连有与测量管相连通的供测量管中的待测气体自由扩散的静速管，测量时待测气体在流过测量管时自由扩散到静速管中，在静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波以用于测量超声波传播速度的超声波换能器。

6.根据权利要求5所述的甲烷浓度在线检测装置，其特征在于：所述的静速管上设有用于检测静速管中流体温度的温度传感器。

7.根据权利要求5所述的甲烷浓度在线检测装置，其特征在于，所述的静速管通过扩散管与测量管相连通。

8.根据权利要求5或6或7所述的甲烷浓度在线检测装置，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

9.根据权利要求5或6或7所述的甲烷浓度在线检测装置，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替作为发射和接收元件。

10.根据权利要求5或6或7所述的甲烷浓度在线检测装置，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。