管道超声波气体流量计的设计与实现

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2013年第9期 煤 炭 工 程doi：10．1 1799／ce201309042管道超声波气体流量计的设计与实现李占平，台 畅(河南机电职业学院 电子工程系，河南 郑州 451191)摘 要：为了提高煤矿瓦斯抽放管道气体流量的测量精度和测量下限，结合超声波流量计的优点和时差法检测原理设计了管道超声波气体流量计，采用40kHz的超声波换能器作为主体元件，设计了两级放大电路和方波脉冲产生电路，并利用TDC—GP22实现了高精度的时间测量。

经实验分析表明，该流量计测量精度极高，具有低至 0．05m／s的测量下限，且时间差和气体流速具有 良好的线性关 系。

关键词：流量检测；超声波气体流量计；时差法；线性中图分类号：TH814 文献标识码：B 文章编号：1671～0959(2013)09-0125-03煤矿在开采的过程中会伴随着瓦斯气体的泄露，当瓦斯在空气中达到一定的浓度时就会出现爆炸的危险 ，为了保证矿井和作业面工人 的安全，需要将泄露的瓦斯通过抽放管道排出，为了精确地统计瓦斯的排出量，需要安装高精度的气体流量计 I2 。目前流量检测技术主要有速度式流量计 、容积式流量计、差压式流量计和热式流量计 等，根据这些检测技术设计了涡街流量计、涡轮流量计、均速管流量计、孔板流量计、电磁流量计和超声波流量计等多种流量仪表，比较而言，超声波流量计具有以下优点：①适应性强，可用于液体、气体测量，也可用于多相介质的流量测量；②准确度高 ，不受温度、压力等环境 因素的影响；③测量范围宽，量程比高 。J。鉴于超声波流量计的这些优点 ，基于时差法检测原理设计了一种管道超声波气体流量计 ，具有测量流速下限低和测量精确度高的优点，对于计算煤矿瓦斯管道的排量具有重要意义。

1 时差法超声波流量检测原理时差法超声波流量检测的工作原理是利用超声波在管道中沿顺流方向和逆流方向的传播速度不同，顺流传播时间和逆流传播时间会存在时间差 ，而时间差和管道内的气体速度有关，因此只需要测量时间差就可以求出气体流速，进而根据管道截面积求得气体流量 。时差法超声波气体流量检测的基本原理如图 1所示。

图 1中，0是管道中气体流向与超声波传播方向的夹角 ，2三是超声波换能器 和换能器 之间的声程。假定超声波在静止气体中的传播速度为C，超声波顺流从 传播到 的时间为 t ，逆流从 传播到 的时间为 t：，则顺流和逆流的传播时间分别为 ：图1 时差法超声波流量检测工作原理(1)(2)顺流和逆流传播的时间差 At为：(3)在一般的工业测量中，声速 C远远大于气体速度 ，因此 c2>>V2cos0，因此式(3)可以简化为：At ：
4
—
L Vco
—sO (4)由式(4)可得到管道内的气体流速和流量公式：f,2V At (5) 4 c0s ’Q： × ×36o0 (6)式中，Q表示流量 ，m ／h；D表示管道内径，m。通过式(5)和式(6)即可计算出管道内的气体速度，进而求出管道内的气体流量 。

2 管道超声波气体流量计设计2．1 管道超声波气体流量计硬件设计基于图 1所示的时差法超声波气体流量检测原理，设收稿 日期 ：2013—04—19作者简介 ：李占平(1971一)，男，河南巩义人，高级讲师，主要研究方向为电子技术与智能传感器。

125煤 炭 工 程 2013年第9期计了管道超声波气体流量计，管道超声波气体流量计主要由驱动及切换电路、信号处理电路和计时电路及 CPU控制系统四部分组成，硬件原理框图如图 2所示。其中超声波换能器 采用收 发一体式 压电陶 瓷换 能器，工作频率 为40kHz。

超声波驱动电路iCPUTDC．GP22计时电路发射切换电路方波产生电路超声波换能器TI／T2接收切换电路两级放大电路图2 管道超声波气体流量计的硬件原理框图首先 CPU产生 40kHz的方波脉冲送人超声波驱动电路中，同时启动时间数字转换芯片 TDC—GP22开始计时，然后由发射和接收切换电路交替选择换能器 T1和 T2处于发射状态和接收状态，完成一次顺流时间测量和逆流时间测量，换能器接收到的原始信号经过两级放大电路后送入比较器中产生方波脉冲，时间数字转换芯片 TDC—GP22通过内部设置的屏蔽时间固定检测比较器产生的方波脉冲的第个波形作为计时停止信号，再由CPU读取 TDC—GP22的时间测量结果，即时间差，通过内部程序计算出管道内气体风速，得出气体流量 。

超声波驱动 电路采用推挽输出方式，由 CMOS芯片74HC00和74HC04构成，经过推挽驱动电路后，产生幅值为 20V的40kHz方波脉冲信号用于驱动超声波换能器工作，提高其发射功率 ；发射和接收切换电路采用 TI的四位总线开关芯片SN74LVC3125，其导通电阻小，可以减小功率损耗 ；两级放大电路采用 AD公司的放大器 AD620构成，每级的放大倍数为 100倍，经过两级放大电路后可以实现对超声波接收信号的 10000倍放大；方波产生电路采用单稳态触发器4013，一旦检测到接收信号的上升沿后即可触发产生一列方波脉冲信号提供给计时电路作为精确计时的停止信号。

硬件电路中最核心的部分为时间数字转换芯片 TDC—GP22构成的计时电路，利用其测量范围可实现 500ns～4ms的时间计时。计时精度高达45ps，而且 TDC—GP22内部高度集成化，外部只需要晶振和电容即可设计出高精度 的时间测量系统，为达到精确测量时间差，利用了TDC—GP22提供的精确时间屏蔽窗 口功能，设置屏蔽时间实现固定波形检测。

2．2 管道超声波气体流量计软件设计软件设计主要实现超声 波驱动 的 40kHz脉冲产生、TDC—GP22芯片控制和气体风速与流量计算功能。软件设计的程序流程如图3所示。

40kHz方波脉冲通过 CPU定时器产生，实现了精确的脉冲频率控制；TDC—GP22芯片控制主要实现TDC—GP22】26}测量初始参数设置+啊稠 ■I发送4okHz驱动脉冲I●启动TDC．GP22计时并等待0．5msl读取TDc—GP22测量结果Il计算风速和流量I图 3 程序流程图芯片计时开始启动和 TDC—GP22接到计时停止信号后读取其内部寄存器内的时间差测量值；气体风速与流量计算 由内部程序设计的算法完成，根据 TDC—GP22测量的时间差计算出气体风速，再根据气体风速和管道内径计算出气体流量。

3 测试结果与分析在实验室环境下，对根据图 2所设计的管道超声波气体流量计进行了测试 ，测试风速与对应的时间差关系见表1表 1 测试风速与对应的时间差关系通过表 1的数据可以看出，所设计的超声波气体流量计的风速分辨力非常高 ，由于测量装置的限制，在0．13m／s风速处 ，时间差变化达到约 0。3 s，因此即使该流量计的时间分辨力达到0．1I,Ls，也可实现0．05m／s的风速测量 ，测量下限非常低。对 比表 1中的数据进行线性数据拟合 ，拟合曲线如图4所示。

由表1和图4可以看出，时间差和管道内气体风速呈线性关系，且线性非常好，这也大大简化了风速测量算法 ，只需要通过固定的线性关系即可由时间差确定管道 内的气体风速，且测量误差非常小。

4 结 语根据时差法超声波检测原理，利用收发一体式超声波2013年第9期 煤 炭 工 程109O 2 4 6 8 10 12 14 16 18时间差，s图 4 线性拟合曲线换能器作为探测元件，设计了推挽输出方式的超声波驱动电路，利用 AD620和单稳态触发器4013设计了超声波接收信号放大电路及方波产生电路 ，通过高精度的时间数字转换芯片 TDC—GP22实现了精确的时间测量。经过实验表明，该超声波气体流量计可实现低至0．05m／s风速的精确测量，对于提高测量煤矿瓦斯抽放管道气体流量的精确计算具有重要意义。

[2][3][4][5][6][7][8][9]参考文献： [1O][1] 陆敏恂，朱列铭，周爱国．超声波流量计中相关时差法的应用 [J]．仪表技术与传感器，2011，(12)：105～107.

贾迎梅，刘贞堂，王从银，等．瓦斯爆炸气体成分实验研究[J]．煤炭技术，2009，(12)：78～81.

曾海利．阳湾沟煤矿自燃标志气体及其指标体系的实验研究[J]．煤炭工程．2012，(11)：112～114.

郭小丽，郑丹丹，张 涛，等．渐缩管和直管流场中超声流量计的适应性研究．传感器与微系统，2012，31(5)：68—72.

葛颖奇。毛谦敏，郑慧峰．音速喷嘴法气体流量计 自动检定系统的设计与实现 [J]． 自动化仪表 ，2011，32(12)：61～ 64.

徐科军，朱志海，姜 鹏，等．抗强固定干扰的涡街流量计系统设 计及信号处理方法研 究 [J]．计量学报，2011，(6)：505～510.

朴立华，张 涛，王军朋，等．基于 CFD的双锥形孔板浮子流量计 的优化 [J]．天津 大学学报 ，2012，45(3)：236—241.

彭杰纲，方 敏．基于 HHT的涡街流量计脉动流噪声去除方法研究 [J]．电子科技大学学报，2012，41(2)：253—258.

侯学勇，王 亮，王爱华．基于嵌入式系统的一体化故障录波器 [J]．仪表技术与传感器 ，2011，(12)：40~43.

马忠梅，马广云．ARM 嵌入式处理器结构与应用基础[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2o03.

(责任编辑 赵巧芝)(上接第 124页)而提高了综合掘进施工速度。掘进机机载式多功能施工平台与综掘机配套合理，未使用该平台前，平均每天掘进进尺 7．2～7．8m，使用该平 台后，掘进进尺平均达到 8．6～9．6m，支护作业效率提高20％ ～23％。

6 结 论1)采用力学计算与三维仿真模拟方法，研究了悬臂式掘进机机载式多功能施工平台与掘进机连接处薄弱环节的受力特征及结构刚度的分布，完成了平台的稳态动力学响应分析 ，对于保障研制模型的安全可靠至关重要。

2)该多功能施工平台实现了 “一台多用”，具有机械挑梁和架棚支护载人作业平台双重功能，实现煤巷架棚支护综掘的快速作业；同时为安全高效掘进提供施工平台，确保了施工安全 ，是进一步推进巷道掘进工艺技术发展的有益尝试，具有重要的理论价值和现实意义。

3)该平台由掘进机的液压系统提供动力，实现伸展和收缩，由掘进机司机一人操作，简单便捷。通过机械方式完成上梁 ，可减轻工人劳动强度，加快支护作业进程，达到了提高掘进工作面机械化程度的目的，现场应用效果 良好。

参考文献：[1] 张占强，李 栋，孙保山．掘进机机载钻机机身设计与仿[2][3][4][5][6][7][8][9][1O]真分析 [J]．煤矿机械，2011，32(8)：1—3.

王士伟，王 宇，赵成雷．掘进机机载临时支护机的设计与研究 [J]．煤矿机械，2011，32(6)：52～53郝长春．EBJ一120TP型掘进机机载临时支护装置的研究[J]．煤矿机械，2010，31(6)：121～122.

周桂英，陈洪月，刘 辉．掘进机机载锚杆钻机结构设计研究 [J]．煤矿机械，2oo8，29(7)：l1—12.

Ma Ni~jie，Hu Changslun，Liu Xiem，et a1．me under-ground 8t~$s desi~ methM 0f coal entry bolt supposing[J].

Ground Pressure and Strata Control，1997，14(3／4)：195—197.

冯增强，史衍让，梁广锋．HYJ型机载式护顶机的研制与应用 [J]．中国煤炭，2007，(2)：48-49.

闻邦椿．机械设计手册 (第 5版 )[M]．北京：机械工业出版社，2010.

曹武昌，郑兴龙，徐锁庚．机载前探支护兼架棚作业装置的研制与应用 [J]．能源技术与管理，2012，(1)：9l一93.

李 洋．EBH3~ 悬臂式掘进机截割臂有限元分析 [D].

长春：吉林大学。2012.

王 军，马若丁，杨 军．掘进机回转平台强度有限元分析 [J]．工程机械，2009，40(1)：49～52.

(责任编辑 赵巧芝)127一 s．g一 匮