一种矿用弯管流量计研制目的，由于煤矿抽采瓦斯气体是含有较多煤渣、水分等杂质成分的多相流体,在气体流动冲计和腐蚀下,孔板和涡街等流量计的检测元件极易浸蚀,降低其计量精度。如果流体所含杂质成分较多,流速较快,这种浸蚀程度会更严重,计量精度会在较短时间内发生“飘移”,抗干扰能力差。由于某些其它流量计都各有利弊,一种流量计也不能满足各种情况的需要,因此迫切需要开发种新型式的流量计以满足煤矿瓦斯抽放计量的需要。
弯管流量计是简单的差压式流量计,利用流体的惯性原理测量流量。其传感器是由90°标准弯管加处理而成的没有任何节流件和插入件。它是一个空弯管,两端与工艺管道直接连接。弯管流量传感器结构如图1所示。
其工作原理是:流体流经弯曲管道时,由于基于惯性原理的离心作用,在弯管的内、外两侧会引起压力的变化,即外侧压力增大,内侧压力减小,根据伯努利方程,推导可得流经管道的流体平均流速与这一内外侧压差关系其差压值大小与流经工艺管道内流体流量半方成正比。当弯管传感器的几何结构尺寸确定后,只要测取弯管45°截面的内、外侧压差△P和流体密度就可以确定流体的平均流速V,从而得知检测流量。
(1)结构简单
(2)耐磨性好,对微量膺损不敏感
(3)可测量容易脏污、堵塞传感器的流体
(4)量程范围宽、直管段要求不严格,适应性强;
(5)可采用直接焊接法进行安装
(6)精度高、重复性好
(7)无任何附加节流件或插入件,可大大降低流体在
管道内输送的动力消耗,节约能源。弯管流量计一般采用焊接方法进行安装,取消了一般流量计所固有的连接法兰及紧固件。解决了普通流量计存在的易泄漏的难题,使用户安全生产更有保证,生产操作费用也大大降低。目前从弯管流量计在液体、气体和蒸汽的流量测量应用中证实,它的技术性能、结构、适用范围、性能价格比及应用效益等方面,显示出无比的优越性。而且一般情况下,管道系统都有弯头,弯管流量计在安装时代替传统弯头既可以起连接作用,又可以计量管道流量,可谓一举两得
弯管流量计也有缺点,由于弯管流量计是利用测量介质在管道内白然流动而产生的惯性离心力的大小来获得流量测量的。因此,它是·种低差压流量计。但是,它的这个缺点可以通过选择合适的管径和高精度的差压变送器来克服。
综合以上,弯管流量计只有众多的优点,是目前其他抽放计量仪器所不能比拟的。
2、矿用弯管流量计结构设计方案
在结构设计上,主要考虑安装使用方使、稳定可靠两方面内容。弯管流量计采用分体式结构,主要由弯管、二次仪表主机(以下简称主机)、传感器和电源箱四部分组成。
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主机与电源箱之间采用带航空插座的矿用电缆连接。安装时电源箱放在井下地面,主机用卡箍箍在紧邻弯管的直管段上。浓度传感器和温度传感器安装在弯管后直管段2D之后,压差传感器安放在主机上,由铜管从弯管压差头分别引到压差传感器正、负压端,负压传感器安放在主机上,负压由铜管从弯管后直管段2D之后引到负压传感器上
主机通过通信电缆与地面掉制中心进行信息传输。主机控制功能通过遥控器进行操作,简单方使。
3、矿用弯管流量计硬件设计方案
(1)主机和传感器硬件设计
主机主要由A/D转换电路、嵌入式处理器、显小电路频率输岀电路、数字输出电路、红外遥控电路等功能模块组成。
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压差传感器、负压传感器、瓦斯浓度传感器输出的信号经过高精度A/D转换电路转换为数字信号进入嵌入式处理器,温度传感器输出的数字信号直接进入嵌入式处理器,由嵌入式处理器采集各种传感器的信号,并通过计算公式计算出瞬时流量,通过数码管显示电路显示,同时通过频率输出电路(200Hz~1000Hz)和RS485通信电路输出给地面控制中心。主机的参数通过遥控器进行设置。本流量计的电路设计符合火花点燃和ZUI高表面温度等试验的要求,是矿用本质安全型设备。
(2)电源箱
电源箱通过整流、滤波、电压线性调制、过压保护、过流保护、短路保护等电路,为主机和传感器提供所需的木质安全电源,以保证流量计稳定安全的工作。本电源箱设计符合煤矿隔爆兼本质安全型设备的防爆要求
4、矿用弯管流量计软件设计方案
弯管流量计软件主要包括以下几个模块:初始化模块、采集传感器信号模块、计算传感器参数模块、计算流量参数模块、显示参数模块、输出参数模块及参数设置模块。初始化模块主要完成主板硬件初始化设置和读出已保存参数等功能。采集传感器模块主要完成依次控制A/D转换器采集差压传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器输出的数据以及采集数字温度传感器输出的数据功能。计算传感器参数模块主要完成将采集的传感器数据转换为可以参与计算的标准计算数据的功能。计算流量参数模块主要完成根据流量计算模型和公式计算流量参数的功能。显示参数模块主要完成在主机的数码管显示屏上依次显示传感器数据和流量数据的功能。输出参数模块主要完成将传感器参数和流量参数转换为频率输出信号以及RS485数字输出信号的功能。参数设置模块主要完成主机内置参数的设置和保存功能。
流量计开机后首先进入初始化程序,初始化主板硬件、读取已保存的参数,读取各传感器通道的零点和满度,检测各功能模块是否L作正常。初始化结束后开始依次采集各个传感器的输出信号并转换为可以参与计算的标准化数据。然后根据这些数据并按照流量计算模型公式计算出瞬时流量数据,计算出瞬时流量后,依次显小各传感器数据和流量数据,然后依次输出各传感器数据和流量数据。接下来继续采集各个传感器的输出信号,这样就完
成了一个软件循环。在循环过程中,软件还会随时监控遥控器是否发出参数设置信号,如需设置,使进入参数设置程序,设置完成后退出,继续执行软件循环。
以DN200弯管管径设计研制的矿用弯管流量计经过了国家相关检验单位的检测,检测数据如表1
经过数据分析,计算出该流量计在20~100m3/min的测量范围内的精度等级达到了1.5级,满足了研制要求。
6、结语
弯管流量计无附加压力损失、量程比大、适应能力强、经济效益高等特性全符合煤矿拙采和科学化计量管理事业的发展要求。如在煤矿行业全面推广使用弯管流量计,仅计算它的无附加阻力损失并将其折算成电耗所能获得的效益就是相当可观的,凡节约大量的能源。因此,大力发展矿用弯管流量计,把它尽快推广到煤矿抽采的各个领域是十分必要和可能的。