瓦斯抽采管路状态变化实时监控装置设计

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【摘 要】实践发现，抽采管路中经常出现煤泥、岩粉、速凝剂等等沉积物。这些沉积物的存在会使管道的断面逐渐变小。有时当抽采管路拆除时才发现管道截面只有原来的一半甚至更少。管径的变化势必对实际流量的测算产生巨大的影响。而目前使用的自动计量装置几乎都需要手动输入管径，且管径的值是固定不变的。人工计量中孔板系数也是根据管径的大小而测定的。这种情况严重影响计量的准确性。对煤矿瓦斯治理工作产生不良的后果。

【关键词】自动计量；实时监测；管径监测

一、设计背景：

煤矿用瓦斯抽采自动计量装置的计算原理是：流量=混合量*浓度*时间。实践发现，抽采管路中经常出现积水和煤泥、岩粉、速凝剂等等沉积物。水和沉积物的存在会使管道的断面变小。有时当抽采管路拆除时才发现管道截面只有原来的一半甚至更少。管径的变化势必对实际流量的测算产生巨大的影响。而目前使用的自动计量装置几乎都需要手动输入管径，且管径D的值是固定不变的。人工计量中孔板系数也是根据管径的大小而测定的。这种情况严重影响计量的准确性。对煤矿瓦斯治理工作产生不良的后果。

二、主要技术参数

（一）设计原理

煤矿生产活动的特殊性决定了仪器仪表必须具有高精度和高可靠性因此只能选择非接触式测量法。回波测距原理。它是利用能量波在空间中的传播时间来进行度量的一种方法。能量波在信号源与被测对象之间传递，能量波到达被测对象后被反射并返回到探头上被接收。可以利用的能量波有机械波（声或超声波）、电磁波（通常为K波段或x波段的微波）和激光（通常为红外波段的激光）。具体被称为：超声波法、微波法和激光法。

天线发射器向距离为R的被测物体发出能量波，经被测物体的反射，由天线的接收器接收能量波来回经过的时间用T表示，可得到距离R与t的关系为：R=C×T/2其中c为空气中能量波的传播速度，当以声波为能量源时C=340m/s。当以电磁波为能量源时C=300000000m/s利用式中距离R与时间T的关系，以不同的方式通过时间差求得距离。因抽采管路的直径E已知，则沉积物L为：

L=E-R

E/2-L=D

假设设沉积物的为一条割线，则割线到圆心距离为D，已知圆半径为r，连接圆心到割线与圆相交的两点，则圆心与割线组成等腰三角形，设顶角（两半径所夹角）为t，则cos（t/2）=D/r，t=2arccos（D/r），

则沉积物的面积=扇形面积-三角形面积=[2arccos（D/r）/360]*∏*r^2-（1/2）*[2*√（r^2-D^2）]*D=[2arccos（D/r）/360]*∏*r^2-[√（r^2-D^2）]*D计算此公式可得出管道内实际截面的大小。再将这个值带入流量计中参与计算即可得到管道内的实际流量。

（二）传感器的选型

超声波技术由声纳技术衍化而来，超声波的声波信号是在不同声阻率的界面上反射的。由于空气和物料的密度差别很大，所以它们的声阻率相差也很大，声波在空气和物体的分界面上就像在镜面上一 样反射，并由接收器接收回波信号。但是，由于超声波是机械波，在空气中传播的波长小于17 mm，传播速度受温度影响较大，如当温度为0℃时，声速为331.6In/s。当温度为20℃时，声速为344 In/s。同时受压力影响也很大。因此，必须进行温度及压力补偿。

电磁波法是通过发射能量很低的极短的微波脉冲通过天线系统发射并接收。雷达波以光速运行。运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。一种特殊的时间延伸方法可以确保极短时间内稳定和精确的测量。即使工况比较复杂的情况下，存在虚假回波，运用微处理技术和调试软件也可以准确的分析出沉积物的回波。通过计算即可得出管道内截面的实际大小。

红外法主要由调制光发射单元、接收单元，测相单元、计数显示单元、逻辑控制单元和电源变换器等部分组成，其光源通常为砷化镓（GaAs）半导体发光二极管。当有相当大的电流正向通过GaAs二极管的P―N结时，P―N结里就会发射出波长为O 72pm～o 94，删的近红外光，这是由于在掺杂的GaAs半导体中电子一空穴复合时，过剩的能量以光子形式放出而产生的。而且所射出的光强会随着注入电流的变化而变化。因此将它作为测距仪的光源，便可以通过改变馈电电流的大小对射出的光强直接进行幅度调制，即这种半导体发光器件兼有“辐射”一“调制”双重功能。用于接收调制光的红外光电探测转换器件通常为硅光敏二极管或雪崩式光敏二极管.这些器件具有“光电压效应”。当外来光照射到它的P―N结上时，由于光电能量转换的效应能在P―N两极产生一个电位差，其大小会随入射光的强弱而变化，从而起到“退调制”的作用。

三、使用效果

三正集团旋进旋涡流量计和光力公司CGWZ-100（A）管道瓦斯综合参数测定仪都集成了温度和压力传感器，方便将此装置直接接入系统计算。将此装置接入现有自动计量设备即可实现管道参数的实时改变。且不需要额外增加供电电压和通讯信道。在本装置使用之后能极大的提高瓦斯抽采计量的准确性，为煤矿瓦斯抽采率的计算提供更为可靠的依据。为煤矿瓦斯治理提供保障。

四、推广前景

本装置实际上是测量物位的变化。不仅可以测量瓦斯抽采管道的截面大小，还可以运用到矿井其他方面。例如：

（一）实时监测风门开关状态：使用超声波传感器代替磁石和干簧管。将传感器安装在门框或墙上，可以避免因风门开启和关闭造成的震动而损坏磁石或者干簧管。大大减少风门传感器误报次数和维护次数。

（二）合理调控自动放水器开关状态：将传感器安装于电磁阀式放水器腔体内，根据实际需要设定一个上限与下线。当水位上升（下降）达到上（下）限时，传感器发出信号，控制电磁阀动作。合理调节了放水器的动作周期。节省原有放水器对通信信道的占用。

（三）监测某地点风速变化：将两组传感器交叉安放在被测风地点的巷道壁。计算出巷道截面积，再配以风速传感器即可实时监测某地点的风速变化。

（四）监测巷道变化情况：将多组传感器平均安设于一段巷道内，即可通过对截面积的计算时时了解此巷道的变化状况。

（五）实时监测井下或选煤厂煤仓存量。

参考文献：

[1]安效正主编.安全仪器监测工. 北京：煤炭工业出版社，2006