CN113701835A - 一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，包括管体，管体在轴向上分为前整流段、测量段、后整流段，测量段两对称侧分别各自安装有超声波发射探头、超声波接收探头；还包括控制器，控制器分别与超声波发射探头控制连接，控制器还分别超声波接收探头信号传递连接，由控制器计算得到校正后煤层气通过管体时的流量。本发明能够提高流量计工作可靠性，减少故障问题，进一步提高测量结果的准确性。

Description

一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计

技术领域

本发明涉及煤矿用流量计领域，具体是一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计。

背景技术

抽采管道流量测量是瓦斯抽采监测系统的重要组成部分，同时可为预抽效果检验提供基础数据。在利用涡街流量计测量煤矿井下瓦斯抽采管道气体流量时，由于含有大量的粉尘、水、煤浆等杂质，容易堵塞、粘连传感器关键部位而造成故障，且易受环境震动的影响。

超声波几乎可以在所有物质中传播，它的传播不受空间、物质的限制。相对于光，超声波的传播速度较慢，因而传播相同距离的条件下，超声波的传播时间远小于光，这降低了捕捉超声波传播时间差的难度，同时也为实现高精度监测带来了便利。因此，有必要考虑基于超声波进行煤矿中抽采管道煤层气流量测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，以解决现有技术煤矿管道用煤层气流量传感器存在易故障、测量结果由于受干扰而误差较大的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，包括用于通过煤层气的管体，管体在轴向上依次分为前整流段、测量段、后整流段，其中测量段两对称侧分别各自安装有超声波发射探头、超声波接收探头，每侧的超声波发射探头、超声波接收探头沿管体轴向分布，两侧的超声波发射探头位置对应，两侧的超声波接收探头位置对应，每侧的超声波发射探头分别与对侧的超声波接收探头工作配合构成发射接收组合；

还包括控制器，所述控制器的信号输出端分别与两侧的超声波发射探头控制电连接，控制器的信号输入端分别与两侧的超声波接收探头信号传递电连接，所述控制器控制两侧超声波发射探头分别向对应发射接收组合中的超声波接收探头发出超声波，由控制器获取每个发射接收组合中超声波接收探头接收超声波时产生的信号；

所述控制器根据两个发射接收组合中超声波发射探头和对应配合的超声波接收探头之间连线的夹角，以及每个发射接收组合中超声波发射探头、超声波接收探头之间间距，以及每个发射接收组合中超声波发射探头发射超声波与超声波接收探头接收超声波之间的时间差，结合计算得到的校正系数，进一步计算得到校正后煤层气通过管体时的流量。

进一步的，所述管体前整流段的轴向长度大于或等于3倍的管体内径。

进一步的，所述管体后整流段的轴向长度大于或等于1.5倍的管体内径。

进一步的，所述管体测量段的轴向长度小于管体后整流段的轴向长度。

进一步的，设一侧的发射接收组合中超声波发射探头为A1、超声波接收探头为B1，另一侧的发射接收组合中超声波发射探头为A2、超声波接收探头为B2，所述控制器中根据公式(1)计算得到通过校正前管体的煤层气的流量，公式(1)如下：

公式(1)中：υ为煤层气流量；

为直线A1-B2和直线B1-A2之间夹角；

L1为A1与B2之间的距离，L2为B1与A2之间的距离，理想情况下L1＝L2，并设理想情况下L1＝L2＝L0；

t_A1-B2为从A1发射超声波开始计时，B2接收到超声波信号时所需的时间；

t_B1-A2为从A2发射超声波开始计时，B1接收到超声波信号时所需的时间。

进一步的，所述校正系数包括第一校正系数k_0，A1-B2、第二校正系数k_0,B1-A2、第三校正系数k_1,A1-B2、第四校正系数k_1,B1-A2，其中：

第一校正系数k_0,A1-B2、第二校正系数k_0,B1-A2是考虑先天干扰因素，将流量计置于密封、无风空间中进行测量得到的；设密封、无风空间中进行测量时的温度为T₀、大气压为p₀，则第一校正系数k_0,A1-B2根据公式(2)计算得到：

公式(2)中，t_0,A1-B2为将流量计置于密封、无风空间中进行测量时从A1发射超声波开始计时、B2接收到超声波信号时所需的时间；c₀为声波在温度为T₀、大气压为p₀的空气中的传播速度；

第二校正系数k_0,B1-A2根据公式(3)计算得到：

公式(3)中，t_0,B1-A2为将流量计置于密封、无风空间中进行测量时从B1发射超声波开始计时、A2接收到超声波信号时所需的时间；

第三校正系数k_1,A1-B2、第四校正系数k_1,B1-A2是考虑流量计使用过程中的由于热胀冷缩以及气流中粉尘的干扰等导致的后期因素，进行测量和计算得到的；第三校正系数k_1,A1-B2根据公式(4)计算得到：

公式(4)中，t_1,A1-B2为本流量计传感器实际使用过程中测得的，从A1发射超声波开始计时、B2接收到超声波信号时所需的时间；c为中间参数，根据煤层气气流中夹杂的粉尘的浓度x确定；

第四校正系数k_1,B1-A2根据公式(8)计算得到：

公式(8)中，t_1,B1-A2为本流量计传感器实际使用过程中测得的，从A2发射超声波开始计时、B1接收到超声波信号时所需的时间；

将公式(2)、(3)、(4)、(8)分别代入公式(1)，得到校正后煤层气流量计算公式如公式(9)所示：

所述控制器根据公式(9)计算得到校正后煤层气通过管体时的流量。

本发明的流量计结构简洁，采用超声波作为测量介质，能够进行煤层气流量测量，并利用超声波传播不受空间、物质的限制原理，能够提高流量计工作可靠性，减少故障问题。并且本发明控制器在考虑各自干扰因素情况下计算得到煤层气流量，能够使测量结果避免干扰，进一步提高测量结果的准确性。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明测量段超声波发射和接收探头布置透视图。

图3是本发明测量段纵剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图3所示，本发明一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，包括用于通过煤层气轴向呈左右水平的管体1，管体1在轴向上依次分为左侧的前整流段1.1、中间的测量段1.2、右侧的后整流段1.3。煤层气流向如图1中单箭头所示，依次流经前整流段1.1、测量段1.2、后整流段1.3。

设管体1的内径为d，管体1的前整流段1.1的轴向长度为La，管体1的测量段1.2的轴向长度为Lb，管体1的后整流段1.3的轴向长度为Lc，则本发明中La大于或等于3d，Lc大于或等于1.5d，Lb小于Lc。

本发明中，在管体1的测量段1.2上侧管壁安装第一超声波发射探头A1、第一超声波接收探头B1，第一超声波发射探头A1在左、第一超声波接收探头B1在右；在管体1的测量段1.2下侧管壁安装第二超声波发射探头A2、第二超声波接收探头B2，第二超声波发射探头A2在左、第二超声波接收探头B2在右。

第一超声波发射探头A1与第二超声波发射探头A2位置对应，第一超声波接收探头B1与第二超声波接收探头B2位置对应。同时，第一超声波发射探头A1与第二超声波接收探头B2工作配合构成第一发射接收组合A1-B2，第二超声波发射探头A2与第一超声波接收探头B1工作配合构成第二发射接收组合B1-A2，每个发射接收组合中均是超声波发射探头发出的超声波被超声波接收探头接收。

本发明还包括控制器2，控制器2可采用单片机编程实现。控制器的信号输出端分别与第一超声波发射探头A1、第二超声波发射探头A2的控制端电连接，控制器的信号输入端分别与第一超声波接收探头B1、第二超声波接收探头B2的信号输出端信号传递电连接。由此，通过控制器同时控制第一发射接收组合A1-B2、第二发射接收组合B1-A2中的超声波发射探头向超声波接收探头发出超声波，并由控制器同时获取每个发射接收组合中超声波接收探头接收超声波时产生的信号。

控制器中设置有程序，该程序运行时控制器进行计算，得到校正后通过管体1的煤层气的流量。控制器的数据处理及计算过程如下：

控制器根据以下公式(1)计算校正前通过管体1的煤层气流量：

公式(1)中：υ为煤层气流量；

为直线A1-B2和直线B1-A2之间夹角，如图3所示；

L1为第一超声波发射探头A1与第二超声波接收探头B2之间的距离，L2为第一超声波接收探头B1与第二超声波发射探头A2之间的距离，如图3所示，理想情况下L1＝L2，并可设理想情况下L1＝L2＝L0；

t_A1-B2为从第一超声波发射探头A1发射超声波开始计时，第二超声波接收探头B2接收到超声波信号时所需的时间；

t_B1-A2为从第二超声波发射探头A2发射超声波开始计时，第一超声波接收探头B1接收到超声波信号时所需的时间。

根据公式(1)，L1和L2为影响煤层气流量υ值的最重要因素，因而必须对由于制造误差等先天因素，以及使用过程中热胀冷缩等后期因素导致L1和L2的数值产生了变化的现象进行校正。考虑先天因素导致L1和L2的数值不相等的自校正系数确定方法如下：

(1)将本发明流量计置于密闭的、完全无风的空间里，记录下此时的温度T₀和大气压p₀。

(2)分别测定从第一超声波发射探头A1发射超声波开始计时，第二超声波接收探头B2接收到超声波信号时所需的时间t_0,A1-B2，则发射接收组合A1-B2的第一校正系数如公式(2)所示：

公式(2)中：c₀为声波在温度为T₀、大气压为p₀的空气中的传播速度。

(3)分别测定从第一超声波接收探头B1发射超声波开始计时，第二超声波发射探头A2接收到超声波信号时所需的时间t_0,B1-A2，则发射接收组合B1-A2的第二校正系数为：

在使用过程中由于热胀冷缩以及气流中粉尘的干扰等导致的后期因素也会导致L1、L2值产生了变化，此时考虑后期因素的自校正系数确定方法如下：

(1)发射接收组合A1-B2的第三校正系数为：

公式(4)中：t_1,A1-B2为本流量计传感器实际使用过程中测得的，从第一超声波发射探头A1发射超声波开始计时，第二超声波接收探头B2接收到超声波信号时所需的时间。

c根据气流中夹杂的粉尘的浓度x确定，计算公式如公式(5)、(6)、(7)所示：

40kHz超声波：c＝307.06x²-43.623x+339.87 (5)，

200kHz超声波：c＝1012.7x²-105.2x+339.85 (6)，

1MHz超声波：c＝1714.5x²-178.2x+339.73 (7)，

(2)发射接收组合B1-A2的第四校正系数为：

公式(8)中：t_1,B1-A2为本流量计传感器实际使用过程中测得的，从B1发射超声波开始计时，A2接收到超声波信号时所需的时间。

得到四个校正系数后，将公式(2)、(3)、(4)、(8)分别代入公式(1)，得到自校正后的煤层气流量的计算公式为：

由此，控制器根据公式(9)，计算得到校正后的煤层气流量，进而本发明可构成一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，其特征在于：包括用于通过煤层气的管体，管体在轴向上依次分为前整流段、测量段、后整流段，其中测量段两对称侧分别各自安装有超声波发射探头、超声波接收探头，每侧的超声波发射探头、超声波接收探头沿管体轴向分布，两侧的超声波发射探头位置对应，两侧的超声波接收探头位置对应，每侧的超声波发射探头分别与对侧的超声波接收探头工作配合构成发射接收组合；

还包括控制器，所述控制器的信号输出端分别与两侧的超声波发射探头控制电连接，控制器的信号输入端分别与两侧的超声波接收探头信号传递电连接，所述控制器控制两侧超声波发射探头分别向对应发射接收组合中的超声波接收探头发出超声波，由控制器获取每个发射接收组合中超声波接收探头接收超声波时产生的信号；

所述控制器根据两个发射接收组合中超声波发射探头和对应配合的超声波接收探头之间连线的夹角，以及每个发射接收组合中超声波发射探头、超声波接收探头之间间距，以及每个发射接收组合中超声波发射探头发射超声波与超声波接收探头接收超声波之间的时间差，结合计算得到的校正系数，进一步计算得到校正后煤层气通过管体时的流量。

2.根据权利要求1所述的一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，其特征在于：所述管体前整流段的轴向长度大于或等于3倍的管体内径。

3.根据权利要求1所述的一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，其特征在于：所述管体后整流段的轴向长度大于或等于1.5倍的管体内径。

4.根据权利要求2或3所述的一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，其特征在于：所述管体测量段的轴向长度小于管体后整流段的轴向长度。

5.根据权利要求1所述的一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，其特征在于：设一侧的发射接收组合中超声波发射探头为A1、超声波接收探头为B1，另一侧的发射接收组合中超声波发射探头为A2、超声波接收探头为B2，所述控制器中根据公式(1)计算得到通过校正前管体的煤层气的流量，公式(1)如下：

公式(1)中：υ为煤层气流量；

为直线A1-B2和直线B1-A2之间夹角；

L1为A1与B2之间的距离，L2为B1与A2之间的距离，理想情况下L1＝L2，并设理想情况下L1＝L2＝L0；

t_A1-B2为从A1发射超声波开始计时，B2接收到超声波信号时所需的时间；

t_B1-A2为从A2发射超声波开始计时，B1接收到超声波信号时所需的时间。

6.根据权利要求5所述的一种高精度自校正超声波煤层气抽采管网流量计，其特征在于：所述校正系数包括第一校正系数k_0，A1-B2、第二校正系数k_0,B1-A2、第三校正系数k_1，A1-B2、第四校正系数k_1,B1-A2，其中：

第一校正系数k_0，A1-B2、第二校正系数k_0,B1-A2是考虑先天干扰因素，将流量计置于密封、无风空间中进行测量得到的；设密封、无风空间中进行测量时的温度为T₀、大气压为p₀，则第一校正系数k_0,A1-B2根据公式(2)计算得到：

公式(2)中，t_0,A1-B2为将流量计置于密封、无风空间中进行测量时从A1发射超声波开始计时、B2接收到超声波信号时所需的时间；c₀为声波在温度为T₀、大气压为p₀的空气中的传播速度；

第二校正系数k_0,B1-A2根据公式(3)计算得到：

公式(3)中，t_0,B1-A2为将流量计置于密封、无风空间中进行测量时从B1发射超声波开始计时、A2接收到超声波信号时所需的时间；

第三校正系数k_1，A1-B2、第四校正系数k_1，B1-A2是考虑流量计使用过程中由于热胀冷缩以及气流中粉尘的干扰等导致的后期因素，进行测量和计算得到的；第三校正系数k_1，A1-B2根据公式(4)计算得到：

公式(4)中，t_1,A1-B2为本流量计传感器实际使用过程中测得的，从A1发射超声波开始计时、B2接收到超声波信号时所需的时间；c为超声波在含粉尘气流中的实际传播速度，根据煤层气气流中夹杂的粉尘的浓度x确定；

第四校正系数k_1，B1-A2根据公式(8)计算得到：

公式(8)中，t_1,B1-A2为本流量计传感器实际使用过程中测得的，从A2发射超声波开始计时、B1接收到超声波信号时所需的时间；

将公式(2)、(3)、(4)、(8)分别代入公式(1)，得到校正后煤层气流量计算公式如公式(9)所示：

所述控制器根据公式(9)计算得到校正后煤层气通过管体时的流量。

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