代晨昱，趙朋朋，徐 晶

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)是煤礦井下用于保障安全生產(chǎn)、防治瓦斯突出災(zāi)害的重要技術(shù)手段，是高瓦斯及瓦斯突出礦井必不可少的保障系統(tǒng)[1-2]。在瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的各項(xiàng)參數(shù)中，抽采流量作為最關(guān)鍵的監(jiān)測參數(shù)之一，能夠直觀反映出瓦斯的抽采總量[3-4]。在此基礎(chǔ)上，以鉆孔為監(jiān)測單元，掌握各鉆孔的動態(tài)抽采進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的瓦斯抽采效果評價，進(jìn)而為后續(xù)更為高效且安全的施工提供指導(dǎo)，是實(shí)現(xiàn)煤礦高效地質(zhì)保障的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)[5-6]。然而，由于煤礦井下抽采流量監(jiān)測的工況環(huán)境較差，抽采鉆孔管路內(nèi)成分復(fù)雜，除瓦斯氣體外還包含大量的粉塵、水汽及腐蝕性氣體，同時井下使用了大量的大功率設(shè)備，導(dǎo)致環(huán)境的信號干擾嚴(yán)重，極大地加大了測量難度[7]。目前煤礦井下常用的壓差式流量計(jì)、渦街流量計(jì)、V 錐流量計(jì)等機(jī)械式流量計(jì)由于自身結(jié)構(gòu)及測量原理的限制均存在壓損大、工況適應(yīng)能力差的不足，過大的壓損將導(dǎo)致系統(tǒng)的抽采能量大量損耗在管路上，降低了抽采效率；較差的工況適應(yīng)能力將導(dǎo)致其在井下使用過程中敏感單元的線性度產(chǎn)生偏移，嚴(yán)重時將導(dǎo)致無法正常使用，影響長期監(jiān)測的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行頻繁校準(zhǔn)或維修，使其難以適用于長時間的監(jiān)測需求[8-10]。相較而言，超聲波流量檢測技術(shù)屬于非接觸測量，不存在壓力損失，并且具有量程比寬、測量精度高、測量介質(zhì)要求低等特點(diǎn)，較差的工況環(huán)境雖然會影響其接收信號的信噪比，但通過合理的設(shè)計(jì)就可以有效地應(yīng)用到煤礦井下，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械流量計(jì)的不足，實(shí)現(xiàn)抽采流量監(jiān)測[11-12]。

因此，筆者利用超聲波流量檢測技術(shù)，以超聲波時差法為測量原理，針對煤礦井下應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)增強(qiáng)工況適應(yīng)能力的自適應(yīng)模塊，研制一款礦用鉆孔超聲流量檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔的流量實(shí)時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)測量原理與檢測方法

1.1 測量原理

本系統(tǒng)以超聲波時差法作為設(shè)計(jì)原理，該方法是利用超聲波信號為測量介質(zhì)，在以一定角度通過流體介質(zhì)時，流體介質(zhì)的流動速度會在超聲波信號的傳播速度方向上產(chǎn)生矢量上的疊加，順流方向傳播時速度加快，傳播時間變短，相反，逆流反向時間變長，超聲波在順逆流傳播的時間差與流體介質(zhì)的流速呈線性對應(yīng)關(guān)系，因此，只要測量出超聲波順逆流傳播時差就可計(jì)算出流體介質(zhì)瞬時速度，再結(jié)合管道截面積即可實(shí)現(xiàn)流量的測量，故該方法稱為時差法[13]。

由于超聲波換能器安裝方式不同導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在一定差異，常用的換能器安裝方式主要有Z 字型、V 字型及W 字型安裝，不同的安裝方式性能上各有利弊[14-15]。在煤礦井下，考慮到抽采介質(zhì)中經(jīng)常伴有水汽和雜質(zhì)，為了便于二者排出，且減少水汽和雜質(zhì)對氣體流量測量的影響，本文擇優(yōu)選用V 字型安裝方式，如圖1 所示。

圖1 中，一對換能器安裝于法蘭管道上側(cè)，在管段中部偏下處安裝了反射板，反射板與流體介質(zhì)流動方向平行，超聲波信號由一個換能器發(fā)出后經(jīng)反射板反射傳至另一個換能器，超聲波信號傳播方向與反射板的夾角用θ表示，換能器發(fā)射端面到反射點(diǎn)的距離為L。當(dāng)測量空間內(nèi)氣體介質(zhì)的流動速度為0 時，超聲波信號的傳播速度為聲速vc，當(dāng)測量空間內(nèi)氣體介質(zhì)的流動速度為v時，該速度v會與超聲波信號傳播方向上的速度vc產(chǎn)生疊加，順流傳播速度v1加大，傳播時間用t1表示，逆流傳播速度v2減小，傳播時間用t2表示，v1、v2與t1、t2的關(guān)系表達(dá)式如下4 個等式所示。

圖1 超聲波時差法原理Fig.1 Schematic diagram of the ultrasonic time difference method

由于聲速vc自身會隨著環(huán)境溫度變化產(chǎn)生漂移，因此，需通過式（2）、式（4）變化消除變量vc，進(jìn)而得到氣體介質(zhì)的流動速度v的表達(dá)式：

因此，最終的流量Q可用管道截面積S與流速v得到，表達(dá)式如下所示，式中d1與d2分別為反射板距離法蘭管道上側(cè)與下側(cè)的距離：

由式（6）可知，流量Q僅與順逆流傳播時間t1、t2有關(guān)，因此，時差法測量流量的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確測量時間。

1.2 檢測方法

為了實(shí)現(xiàn)高精度測量，本文將采用雙閾值比較法[16]作為檢測方法，其基本流程如圖2 所示，高精度時鐘將換能器激勵信號發(fā)射的時刻作為時間計(jì)量起點(diǎn)開始計(jì)時，然后設(shè)置一個具有一定周期的時間窗，利用該時間窗對接收信號到達(dá)前的噪聲進(jìn)行屏蔽，預(yù)判周期到達(dá)后打開時間窗口，并設(shè)置一個信號判別閾值等待接收信號，當(dāng)接收信號觸碰到閾值時記錄當(dāng)前時間，并將在觸碰到該閾值的波形稱為特征波，隨后立即設(shè)置一個零點(diǎn)閾值，通過特征波后級多個波形的零點(diǎn)時刻實(shí)現(xiàn)渡越時的計(jì)量。

圖2 超聲波時差法檢測方法Fig.2 Ultrasonic time difference detection method

上述檢測方法在接收信號未受到傳播介質(zhì)及工況環(huán)境影響時，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)超聲波渡越時間的計(jì)量，從而實(shí)現(xiàn)氣體流量的測量。但由于煤礦井下應(yīng)用中的工況環(huán)境非常惡劣，除來自外部環(huán)境極強(qiáng)的電磁干擾外，抽采管路內(nèi)介質(zhì)成分非常復(fù)雜、均勻度差、隨機(jī)波動性強(qiáng)。根據(jù)超聲波信號傳播特性，信號傳播過程中的衰減系數(shù)會受到聲波頻率、介質(zhì)黏度、介質(zhì)密度、顆粒直徑等多種因素影響，衰減系數(shù)的變化將導(dǎo)致接收信號的幅值產(chǎn)生波動[17-18]。如圖2 所示，正常的接收信號到達(dá)后，通過信號判別閾值可以確定該組信號的特征波，若信號穩(wěn)定則特征波次序不變，但如果接收信號的幅值產(chǎn)生波動，信號判別閾值不變時特征波的次序會產(chǎn)生移位，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)量的超聲波渡越時間產(chǎn)生一個或幾個波形周期的差異，出現(xiàn)計(jì)量錯誤。因此，本文的超聲波氣體流量檢測方法將在雙閾值比較法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自適應(yīng)電路，減少工況環(huán)境變化對測量準(zhǔn)確性的影響。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示，系統(tǒng)包括本安電源保護(hù)、多級電源、單片機(jī)控制、高精度時鐘、激勵信號放大、信道切換、換能器匹配、接收信號調(diào)理、自適應(yīng)電路及數(shù)據(jù)上傳存儲顯示等多個模塊組成。

圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Hardware system design block diagram

本系統(tǒng)電路由礦用隔爆兼本安電源供電，本安保護(hù)將輸入電源進(jìn)行本安化處理，保證整體能量限制，再通過多級電源電平轉(zhuǎn)換，為后級各個模塊提供穩(wěn)定且高質(zhì)量的電源。本系統(tǒng)主控芯片選用STM32F4 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各個模塊的通信與控制，工作原理如圖3所示，首先單片機(jī)通過SPI 總線對高精度時鐘進(jìn)行參數(shù)配置，通過IO 口控制信道切換電路進(jìn)行換能器收發(fā)狀態(tài)選擇，隨后命令高精度時鐘開始計(jì)時，并發(fā)出指定頻率的原始激勵信號，原始激勵信號經(jīng)過激勵信號放大后進(jìn)行功率放大驅(qū)動換能器，保證其發(fā)射端超聲波信號具有足夠的穿透能量，匹配電路目的是使換能器產(chǎn)生更高效的諧振。當(dāng)接收端換能器接收到超聲波信號后，由接收信號調(diào)理電路進(jìn)行信號的放大與噪聲的壓制，實(shí)現(xiàn)有效信號的提取，調(diào)理后的信號經(jīng)過由峰值檢波電路與增益控制電路構(gòu)成的自適應(yīng)電路，峰值檢波電路用于實(shí)時獲取接收信號，而增益控制電路則實(shí)現(xiàn)了信號幅值的動態(tài)調(diào)整，獲取穩(wěn)定的接收信號，最終再將該信號送至高精度時鐘進(jìn)而完成時間計(jì)算。為了便于數(shù)據(jù)提取本文還設(shè)計(jì)了具有數(shù)據(jù)上傳、存儲、顯示功能的人機(jī)交互模塊。

2.2 激勵信號放大電路設(shè)計(jì)

由于超聲波信號在瓦斯抽采管路內(nèi)傳播的衰減極大，原始激勵信號的幅值僅為3.3 V，驅(qū)動能量不足，無法保證發(fā)射端輸出足夠的能量，接收端能量過小將加大后級信號提取的難度。本文利用SN74LVC1G14 高速反相施密特觸發(fā)器、MMBT9013-NPN 型高速三極管、CD4069 六通道COMS 反向逆變器設(shè)計(jì)了如圖4 所示的激勵信號放大電路，該電路首先由SN74LVC1G14將原始激勵信號分為兩路極性相反的信號，再利用三極管的放大作用將信號分別上拉至12 V，最后由CD4069 進(jìn)行信號整形，補(bǔ)償三極管輸出的幅值損失。激勵信號放大電路將3.3 V 的原始激勵信號放大至正負(fù)12 V，驅(qū)動能力增強(qiáng)了7 倍。

圖4 激勵信號放大電路設(shè)計(jì)Fig.4 Excitation signal amplification circuit design

2.3 接收信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

雖然超聲波信號的能量在發(fā)射端已經(jīng)進(jìn)行了提升，但由于煤礦井下設(shè)備防爆要求的限制，僅靠發(fā)射端的增強(qiáng)無法滿足接收端信噪比的要求，并且瓦斯抽采管路內(nèi)介質(zhì)環(huán)境較差，加大了超聲波信號在傳播過程中的衰減，導(dǎo)致接收到原始超聲波信號的信噪比較低。為了進(jìn)一步提高接收信號的信噪比，本文利用低噪聲儀表放大器AD8421 與高速軌至軌運(yùn)算放大器LTC6227 設(shè)計(jì)了具有放大濾波功能的接收信號調(diào)理電路，設(shè)計(jì)電路如圖5 所示，AD8421 擁有足夠的增益帶寬，當(dāng)增益設(shè)置為100 時，帶寬為2 MHz，完全滿足本電路的放大需求，此外，儀表放大器的高共模抑制比有效地實(shí)現(xiàn)了共模信號的壓制。LTC6227 是一款具有高達(dá)420 MHz 增益帶寬積及180 V/μs 壓擺率的高速低失真運(yùn)放，本文利用其高速特性，采用sallen-key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了中心頻率為200 kHz、品質(zhì)因數(shù)為5、通帶增益為6 dB、-3 dB 帶寬為40 kHz 的2 階Butterworth 帶通濾波電路，實(shí)現(xiàn)了有效信號的提取。

圖5 接收信號調(diào)理電路Fig.5 Received signal conditioning circuit

2.4 自適應(yīng)電路設(shè)計(jì)

號調(diào)理電路處理后，得到了穩(wěn)定且信噪比較高的接收信號，利用高速的峰值檢波電路對每一組接收信號的幅值進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)幅值變化時由單片機(jī)控制增益控制電路實(shí)時調(diào)整增益倍數(shù)，通過不斷地動態(tài)補(bǔ)償，使接收信號的幅值保持穩(wěn)定，避免判斷出錯誤的特征波。

為了增強(qiáng)本電路的工況適應(yīng)能力，減小因抽采管路內(nèi)介質(zhì)變化造成的接收信號幅值波動，避免特征波誤判導(dǎo)致的測量錯誤，本文設(shè)計(jì)了由峰值檢波電路與增益控制電路組成的自適應(yīng)電路，電路設(shè)計(jì)分別如圖6 與圖7 所示，其工作原理為：接收信號經(jīng)過接收信

圖6 峰值檢波電路Fig.6 Peak detection circuit

本文峰值檢波電路是在傳統(tǒng)以整流二極管為核心的峰值保持電路基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)，主要由高速運(yùn)算放大器與肖特基二極管構(gòu)成，該電路主要運(yùn)用了運(yùn)算放大器的比較輸出與二極管的單向?qū)ㄌ匦?，采用肖特基二極管減少了正向壓降，增大了C2 的初始電流，同時肖特基二極管的快速恢復(fù)時間也增大了跟電路的跟隨與保持狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間[19]，提高了檢波精度。當(dāng)輸入電壓逐步增大時肖特基二極管D2 正向?qū)?，向電容C2 充電，反之D2 截止，C2 不再充電，保持前期狀態(tài)。圖7 中，R18 用于設(shè)置D4 的偏置電流，使得D4能夠補(bǔ)償D2 的導(dǎo)通壓降，R14 用于在U2A 與C2 間進(jìn)行隔離，防止振鈴或振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。

圖7 增益控制電路Fig.7 Gain control circuit

增益控制電路主要由高速運(yùn)放與數(shù)字電位器組成，高速運(yùn)算放大器構(gòu)成了負(fù)反饋放大電路，其定值反饋電阻由低漂移數(shù)字電位器MAX5394 替代，通過單片機(jī)通過SPI 總線對MAX5394 控制，再根據(jù)峰值檢波電路的采樣結(jié)果，動態(tài)調(diào)整增益參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時增益調(diào)整的目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了保證礦用超聲流量檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，開發(fā)了下位機(jī)運(yùn)行軟件，該軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、寄存器參數(shù)配置、上下行通道選擇、增益調(diào)整、時間計(jì)量、幅值采樣，數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示等功能。具體流程如圖8 所示，上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)的自檢與各個模塊的初始化工作，完成后單片機(jī)會利用SPI 通信接口向高精度時鐘進(jìn)行參數(shù)配置，然后通過I/O 口控制信道切換電路進(jìn)行上下行通道選擇，再根據(jù)幅值采樣結(jié)果進(jìn)行增益調(diào)整，以上準(zhǔn)備工作完成后，單片機(jī)命令高精度時鐘電路開始進(jìn)行時間計(jì)量，發(fā)出激勵驅(qū)動信號，隨后采集接收信號當(dāng)前的幅值，記錄并計(jì)算，當(dāng)計(jì)量完成后會以中斷的形式告知單片機(jī)讀取狀態(tài)寄存器中的時間參數(shù)，完成時間測量后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到流量參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲與顯示。

圖8 軟件系統(tǒng)工作流程Fig.8 Software system flowchart

4 性能檢驗(yàn)

4.1 工況環(huán)境適應(yīng)能力測試

由上文檢測方法可知，本文是通過設(shè)置好的固定閾值與接收信號中特征波相結(jié)合，以該波超過閾值的時刻來進(jìn)行超聲波信號飛行時間的判斷。然而，當(dāng)超聲波信號的傳播介質(zhì)發(fā)生變化時，其衰減系數(shù)會隨之改變，進(jìn)而導(dǎo)致接收信號的幅值產(chǎn)生波動，當(dāng)該波動超過一定范圍時，就將出現(xiàn)特征波的誤判，導(dǎo)致測量結(jié)果錯誤。反之，當(dāng)該波動未超過允許的波動范圍，即未超過特征波幅值與后一個波形幅值差時，測量結(jié)果就不會產(chǎn)生錯誤。

因此可知，造成該測量錯誤的關(guān)鍵原因就是接收信號的幅值發(fā)生了變化，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量就需要克服幅值波動造成的影響，本文就是根據(jù)這一目標(biāo)完成了測量系統(tǒng)的研制工作，由于煤礦井下防爆要求規(guī)定、瓦斯危險性及實(shí)際工況復(fù)雜性的影響，進(jìn)行實(shí)際工況與模擬實(shí)際工況測試具有較大的難度。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，本文將利用超聲波激勵信號與接收信號強(qiáng)度成正比的特點(diǎn)，通過調(diào)整激勵信號大小的方式來改變接收信號強(qiáng)度，進(jìn)而模擬井下測量介質(zhì)衰減系數(shù)變化時的工況環(huán)境，由于接收信號調(diào)理電路為固定增益，且信噪比得到了一定提升，便于比較驗(yàn)證，因此，將調(diào)理電路后的輸出信號作為原始信號，以自適應(yīng)電路輸出后端作為調(diào)理后的信號，觀察在信號進(jìn)入自適應(yīng)電路前后的變化情況下，判斷調(diào)理后的信號是否能保持穩(wěn)定的幅值輸出，測試結(jié)果如圖9 所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著原始信號變化調(diào)理后的信號可以穩(wěn)定在一個相對固定的幅值，波動范圍最大為50 mV，而本系統(tǒng)特征波幅值與后一個波形幅值差為300 mV，由于實(shí)際波動小于允許的波動范圍，因此，不會對后級信號判斷造成影響，實(shí)現(xiàn)了對工況環(huán)境變化的抑制，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖9 工況環(huán)境適應(yīng)能力測試結(jié)果Fig.9 Test results of environmental adaptability under working conditions

4.2 準(zhǔn)確度性能檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)系統(tǒng)氣體流量檢測的準(zhǔn)確性，借用臨界流噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出標(biāo)準(zhǔn)流量，并根據(jù)JJG 1030-2007《超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》要求[20]，對系統(tǒng)檢測性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，本系統(tǒng)的檢驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境如圖10 所示，選用與本系統(tǒng)管體尺寸設(shè)計(jì)一致的管路，通過法蘭連接固定在管路中，系統(tǒng)開機(jī)后，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)裝置的輸出流量，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)流量到達(dá)預(yù)設(shè)流量且穩(wěn)定時記錄當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)流量與本系統(tǒng)的實(shí)測顯示流量，進(jìn)行準(zhǔn)確度計(jì)算，檢驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。檢測結(jié)果表明，本系統(tǒng)測量誤差為1.80%，達(dá)到了JJG 1030-2007《超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》中規(guī)定的2.0 級準(zhǔn)確度等級要求。

圖10 檢驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境Fig.10 Test site environment

圖11 準(zhǔn)確性能檢驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Accurate performance test results

5 結(jié) 論

a.針對煤礦井下瓦斯抽采鉆孔管路內(nèi)的工況特點(diǎn)及傳統(tǒng)機(jī)械式氣體流量計(jì)性能不足問題，從管段內(nèi)介質(zhì)環(huán)境對流量測量準(zhǔn)確度影響的角度，提出了一套以時差法為測量原理，雙閾值比較法為檢測方法，具有自適應(yīng)功能的礦用鉆孔超聲流量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

b.激勵信號放大電路實(shí)現(xiàn)激勵的放大，增強(qiáng)了輸出功率；接收信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)接收信號的有效提取，提高了信噪比；自適應(yīng)電路通過峰值檢波電路與增益控制電路相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了接收信號的動態(tài)控制，保證了信號的穩(wěn)定性。

c.通過試驗(yàn)表明，本電路能夠有效克服因工況環(huán)境變化造成接收信號波動對電路測量準(zhǔn)確性的影響，并能實(shí)現(xiàn)高精度氣體流量測量，測量準(zhǔn)確度達(dá)到了JJG 1030-2007《超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》中規(guī)定的2.0 級準(zhǔn)確度等級要求，能夠較好地適應(yīng)煤礦井下瓦斯抽采管路的工況需求，為瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)的氣體流量采集提供有力的設(shè)備支撐。