矿用管道式超声波气体流量计设计

介绍了煤矿瓦斯抽采监测常用流量计的各种优缺点，基于时差法超声波流量检测原理，采用40 kHz 超声波换能器和 CX20106A 集成红外信号接收芯片对超声波信号进行处理，并利用高速 AＲM芯片计算超声波飞行时间，设计了矿用管道式超声波气体流量计，相对误差小于 4．0%、流速下限低至0．2 m /s，且无压损，是解决煤矿瓦斯抽采监测的理想仪器，具有良好的现场表现和环境适应性。

0引言

气体流量监测是煤矿瓦斯抽采监测和治理的重要内容,但煤矿工况条件复杂,瓦斯抽放管路内流量变化范围大,而且瓦斯抽采气体中含有大量的水汽和粉尘,对流量计的测量准确性和稳定性都产生了极大的不利影响。目前煤矿瓦斯抽采监测用流量计主要有孔板流量计、旋进漩涡流量计、涡街流量计、V锥流量计等,上述流量计在应用中的优缺点主要有:(1)孔板流量计属于差压式流量计,采用节流原理实现流量计量。由于节流件内径远小于瓦斯抽放管道内径,导致抽采阻力增加,从而影响瓦斯抽放效果。另外,孔板流量计的量程比太小,一般为3∶1,不适应流量变化较大的瓦斯抽放管道流量监测。(2)旋进漩涡流量计属于流体振动式流量计,其内部采用类似文丘里管结构,因此也被称为“文丘里涡街”。旋进漩涡流量计的测量下限相对较低,但由于内部结构存在人为缩径导致压损巨大,且内部容易被粉尘等杂质堵塞,不适应瓦斯抽放管道的工作条件,煤矿应用受到严重限制。(3)涡街流量计属于速度式流量计,具有结构简单,测量范围较大,量程比可达10∶1等优点,但对直管段要求长,测量下限较高,一般不低于3~4 m/s,对管道振动较敏感，且涡街发生体对粉尘、水汽较敏感，需要定期清理维护;

( 4) V 锥流量计属于差压式流量计，具有量程比高、测量精度高、重复性好等有点，且对直管段要求较短，测量下限较低，但存在压力损失大、安装和维护不便等缺点。

针对上述流量计存在的缺点，本文基于时差法超声波流量检测技术，采用 40 kHz 超声波换能器，利用CX20106A 集成红外信号接收芯片对超声波信号进行处理，并利用 AＲM 芯片 ADuC7024 计算超声波飞行时间，设计了矿用管道式超声波气体流量计，具有无压损、准确性高、可靠性和稳定性好、量程比宽、流速测量下限低至 0．2 m /s 等优点，并在煤矿钻场单孔瓦斯管道、钻场瓦斯汇流管道等极低流速瓦斯抽采领域得到了应用，具有良好的现场表现和环境适应性。

1.时差法超声波流量检测技术原理图

时差法超声波流量检测技术是利用超声波在管道中顺流方向和逆流方向的速度不同，在相同的传播距离( 声程) 上顺流传播时间和逆流传播时间存在时间差，而时间差和管道内的流体速度有关，因此只需要测量时间差就可以求出流体流速，进而求得管道内的流体流量 。时差法超声波气体流量计的基本原理如图 1 所示。

设超声波在静止流体中的传播速度为 c，超声波顺流从 T1 传播到 T2 的时间为 t1 ，速度为 c1 ，逆流从 T2 传播到 T1 的时间为 t2 ，速度为 c2 ，则顺流和逆流速度为:

式中 Q 为管道中的流量，m3 /s。

2.管道式超声波气体流量计设计

本文设计的管道式超声波气体流量计设计不仅具有流量测量功能，还同时具有管道内气体压力和温度的测量功能。其中超声波换能器安装方式采用“V”字形安装方式并采用检测超声波首波的检测方式，简化后续软件设计的难度; 信号处理采用集成红外遥控接收芯片CX20106A; 管道内气体温度测量通过集成化的数字温度传感器 18B20 来实现，压力测量通过量程 30 psi( 1 psi=6．894 kPa) 的 154N 系列压力传感器，配合信号处理电路来实现。

管道式超声波气体流量计的原理框图如图 2所示。

图中管道超声波气体流量计采用高速 AＲM 芯片ADuC7024，利用内部高达 24 MHz 的晶振计算超声波飞行时间。当发出超声波驱动信号后高速 AＲM 芯片ADuC7024 开始计时，直到接收到 CX20106A 的输出方波信号后停止计时，此段时间即为超声波飞行

时间。

2．1 超声驱动电路

本文采用超声波收发一体式换能器 U40D－1410，为使 U40D－1410 超声波收发一体式换能器工作于***佳状态，设计了如图 3 所示的推挽式驱动电路。

图3 所示的推挽式驱动电路原理简述为: 40 kHz

驱动脉冲通过 2 路反相电路后形成极性相反的 2 路信号，分别控制 2 个三极管开关电路产生更高幅值的驱动脉冲，再经过反相电路后产生***终的发射驱动脉冲信号。同时在驱动换能器之前，设计了一级由反相器CD4069 构成驱动电路以解决因三极管导致的信号幅值损失，提高脉冲信号驱动能力。

2．2 发射 /接收切换电路

由于超声波换能器 U40D－1410 为收发一体式换能器，既要充当超声发射换能器，又要充当超声接收换能器，因此需要设计专门的电路来控制 U40D－1410的收发状态，使发射 / 接收有序，即采用分时切换方式。发射 / 接收切换电路如图 4 所示。

图中左侧电路为发射切换电路，右侧电路为接收切换电路。A0 和 A1 为发射 / 接收切换控制信号，S* _A 和 S* _B 表示用于控制一支换能器的信号对。发射 / 接收切换电路采用 MAX309 芯片，其导通电阻小于

80 Ω，而超声波换能器 U40D－1410 的内阻为 500 Ω，满足实用要求。

2．3 信号处理电路设计

由于空气对超声波有很强的衰减作用，接收的信号非常微弱，必须对信号进行放大、滤波处理后才能产生足够强的信号，然后利用整形电路变换出方波提供计时停止信号，本设计采用 CX20106A 集成红外信号接收芯片。由于对实时性有较高要求，因此比较电路需要具有极快速的响应能力，而 CX20106A 对信号的响应速度要求并不高，因此为了计时的准确性，没有采用 CX20106A 内部的比较器，而从引脚 6 取出信号并送入到以 CD4013 触发器为核心的方波产生电路中。另外为了提高信号质量，降低干扰信号对超声波信号的干扰，在 CX20106A 前级还加入了一级仪表放大器 AD623 为核心的差分放大电路。

信号处理电路处理电路如图 5 所示。

3.测试结果与分析

本文设计管道式超声波气体流量计采用“V”字形安装方式，利用 CX20106A 对超声波信号进行处理并产生方波计时停止信号，在流量校验工装上对该管道式超声波气体流量计进行了测试，测试时温度为

22．2 ℃ ，测试数据如表 1 所示。

对表中的时间差与真实风速数据进行曲线拟合，如图 6 所示。

由表 1 的数据统计可以看出，按照测量时间差计算出的实测风速与真实风速基本一致，相对误差小于4%，实测风速与真实风速的吻合度非常高，说明时间差的测量比较准确。同时图 6 表明风速和时间差的线性度非常好，相关度达到 0．999 4，说明本文所设计的超声波气体流量计符合时差法测量理论。同时，受限于所用测量装置的风速测量下限( ≥0．2 m /s) ，当测试风速为 0．2 m /s 时，时间差的变化量较大，具有极低的风速测量下限和较高的测量分辨率。

4.结束语

本文比较了煤矿瓦斯抽采监测常用流量计的各种优缺点，基于时差法超声波流量检测原理，采用40 kHz超声波换能器 U40D － 1410 和 CX20106A 集成红外信号接收芯片对超声波信号进行处理，并利用高速 AＲM 芯片 ADuC7024 计算超声波飞行时间，设计了矿用管道式超声波气体流量计。通过测试证明，该管道式超声波气体流量计的时间差和风速( 流量) 之间具有良好的线性关系，测量下限低于 0．2 m /s，相关系数达到 0．999 4，相对误差不超过 4．0%，具有极高的测量分辨率、极低测量下限和较高的测量准确度，是煤矿瓦斯抽采监测的理想仪器，具有较高的市场应用前景。