一种管道式超声波气体流量计温度压力测量装置及方法与流程

1.本发明属于矿井瓦斯抽放检测技术领域，涉及一种管道式超声波气体流量计温度压力测量装置及方法。


背景技术：

2.矿井中存在大量瓦斯气体，若不及时抽放，会对工人生命造成严重威胁。同时，瓦斯是一种易燃易爆气体，一旦积累到一定浓度，引发火灾、爆炸的风险也会大大增加。因此，矿井瓦斯抽放及其重要，而矿井瓦斯抽放的精确测量也就成为了煤矿安全生产的必要保障之一。
3.管道式超声波气体流量计测量下限低，被广泛应用于矿井管道瓦斯抽放检测。气体流量计除了测量管道流量以外，还需要对温度、压力多参数进行测量、补偿修正；当前一般采用分体式温度探头和压力探头分别对管道气体温度、压力参数进行检测；这类测量方式需要根据每个探头在管道上进行相应开孔，工作量大、效率低；传统的恒流源或平衡电桥测温方式在未经出厂校准情况下测量一致性较差，并且受探头外壳及金属管道导热影响，其温度采样测量产生的误差均会影响管道瓦斯抽放参数测量的准确性，从而导致管道瓦斯抽放多参数测量准确度不够。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供一种管道式超声波气体流量计温度压力测量装置及方法，以达到对管道式超声波气体流量计、矿井管道瓦斯抽放检测准确性、科学性的目的。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，包括密封连接于超声波气体流量计管道侧壁上的温度压力探头装置，所述温度压力探头装置包括探头主体、探头盖、温度测量元件、压力测量元件；
7.所述探头主体内设有温度元件安装孔和压力元件安装孔；所述压力元件安装孔的底部设有引压孔，并通过所述引压孔与超声波气体流量计管道内腔相通；所述温度测量元件设于所述温度元件安装孔中，并一端伸入超声波气体流量计管道内；所述压力测量元件设于所述压力元件安装孔中；
8.所述探头盖与探头主体密封连接；探头盖与探头主体之间封闭形成信号处理室，所述信号处理室内设有安装过桥与信号处理电路板，所述安装过桥固定设于所述探头主体上，所述温度元件安装孔和压力元件安装孔位于安装过桥下方；所述信号处理电路板固定设于所述安装过桥上，温度测量元件与压力测量元件均与信号处理电路板连通；所述探头盖远离探头主体的一端设有喇叭嘴与电缆，所述电缆穿过所述喇叭嘴与信号处理电路板连接。
9.进一步，所述温度测量元件上套装有隔热套；所述隔热套与温度测量元件之间通
过密封圈密封，隔热套一端设于温度元件安装孔中，连接处通过密封圈密封，使温度元件安装孔与超声波气体流量计管道内腔之间隔断不相通。
10.进一步，所述喇叭嘴内还设有套装在电缆上的密封圈和压紧螺母；所述压紧螺母与喇叭嘴螺纹连接，通过挤压密封圈压紧收缩与电缆产生摩擦力，以保证电缆的拉脱承受能力。
11.进一步，所述探头主体呈t形结构，所述温度元件安装孔和压力元件安装孔均与探头主体偏心设置。
12.进一步，所述探头主体一端设有探头保护套，所述温度测量元件与引压孔均位于所述探头保护套内，所述探头保护套一端伸入超声波气体流量计管道内。
13.进一步，所述探头保护套伸入超声波气体流量计管道内的长度小于10毫米。装置并未明显伸进管道内壁流场边界区域，从而尽可能减小对管道内流场的干扰影响，进而提高气体流量测量准确性。
14.进一步，所述探头保护套与探头主体之间通过螺纹连接，所述探头保护套的外圆上设有扁口，以便于安装紧固。
15.进一步，超声波气体流量计管道上设有管道法兰座，所述探头主体连接于所述管道法兰座上，并通过密封圈与管道法兰座密封。
16.进一步，所述探头盖呈半圆盖状，电缆采用本安电缆。
17.一种管道式超声波气体流量计温度压力测量方法，采用上述管道式超声波气体流量计温度压力测量装置进行温度、压力测量；
18.步骤(1)，采集转换温度测量信号：
19.a、温度测量元件采用铂电阻元件，确定铂电阻及参考电阻选型，选取分辨率较高的pt1000及1000欧姆参考电阻，以提高测量精度；
20.b、触发铂电阻pt1000及参考电阻对同一个具有温度稳定特性的电容进行充放电，放电时间通过时间数字转换器记录，分别记为：t
pt1000
和t
ref
；
21.c、确定电阻测量值，通过放电时间测比率计算可得：
[0022][0023]
式中，r为铂电阻pt1000电阻测量值，1000为铂电阻0℃参考电阻值，t
pt1000
为pt1000铂电阻放电时间，t
ref
为参考电阻放电时间；
[0024]
d、确定温度测量值：通过rtd温度方程计算可得：
[0025][0026]
式中，t为当前所测温度，r为铂电阻pt1000电阻值，a、b均为修正系数，其中a取值为3.9083
×
10-3
；b取值为-5.775
×
10-7
；
[0027]
步骤(2)，采集转换压力测量信号：
[0028]
a、确定压力元件选型，选取膜片式压力元件；膜片式压力元件将扩散硅压力敏感芯片封装到不锈钢外壳中，外加压力通过不锈钢膜片、内部密封的硅油传递到敏感芯片上，敏感芯片不直接接触到被测介质，形成压力测量的全固态结构，从而防止水汽、粉尘以及腐蚀性介质的影响。
[0029]
b、信号放大转换处理，使用运算放大器将压力元件电压信号进行放大处理至1v以上，转换成数字信号；
[0030]
c、确定压力测量值，通过采集元件电压数字信号并测试标校修正，计算可得，
[0031]
p＝k*v
[0032]
式中，p为压力，k为修正系数，v为元件电压数字信号；
[0033]
步骤(3)，输出温度压力探头信号：探头通过本安电缆将温度、压力信号进行输出，供超声波气体流量计主机或中心站使用。
[0034]
本发明的有益效果在于：
[0035]
(1)本发明将温度、压力测量元件集成一体化，更方便开孔安装，仅需开一个孔便可简单安装；温度压力探头装置并未明显伸入管道内壁流场边界区域，从而尽可能减小对管道内流场的干扰影响，进而提高气体流量测量准确性，同时探头保护套可避免管道中高速流动的杂质对温度探头的冲击，从而有效保护温度探头不被损坏，提高产品可靠性。
[0036]
(2)本发明优化了温度测量方法，采用铂电阻外露式，使测量更准确，同时采用隔热套结构及隔热材料解决了因探头金属外壳导热导致的温度测量准确度不够等不足。同时，采用了基于高精度放电时间测量原理的方法，提高了产品测量精度及一致性。
[0037]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0039]
图1为本发明管道式超声波气体流量计温度压力测量装置的结构示意图。
[0040]
图2为本发明中测量方法的流程图。
[0041]
附图标记：1-超声波气体流量计管道；2-管道法兰座；3-探头主体；4-探头盖；5-密封圈；6-紧固螺钉；7-温度元件安装孔；8-压力元件安装孔；9-温度测量元件；10-隔热套；11-密封圈；12-压力测量元件；13-密封圈；14-压紧螺母；15-引压孔；16-探头保护套；17-扁口；18-法兰安装孔；19-密封圈；20-安装过桥；21-信号处理电路板；22-信号处理室；23-喇叭嘴；24-密封圈；25-垫圈；26-压紧螺母；27-电缆；28-插接件。
具体实施方式
[0042]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0043]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本
发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0044]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0045]
请参阅图1，为一种管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，包括密封连接于超声波气体流量计管道1侧壁上的温度压力探头装置，温度压力探头装置包括探头主体3、探头盖4、温度测量元件9、压力测量元件12；探头主体3内设置有温度元件安装孔7和压力元件安装孔8；压力元件安装孔8的底部设置有引压孔15，并通过引压孔15与超声波气体流量计管道1内腔相通；温度测量元件9安装在温度元件安装孔7中，并一端伸入超声波气体流量计管道1内；压力测量元件12通过压紧螺母14固定安装在压力元件安装孔8中，并通过密封圈13与压力元件安装孔8侧壁密封。
[0046]
探头盖4与探头主体3通过紧固螺钉6连接，并安装有密封圈5进行密封；探头盖4与探头主体3之间封闭形成信号处理室22，信号处理室22内设置有安装过桥20与信号处理电路板21，安装过桥20固定安装在探头主体3上，温度元件安装孔7和压力元件安装孔8位于安装过桥20下方；信号处理电路板21固定安装在安装过桥20上，温度测量元件9与压力测量元件12均与信号处理电路板21连通；探头盖4远离探头主体3的一端设置有喇叭嘴23与电缆27，电缆27穿过喇叭嘴23与信号处理电路板21通过插接件28连接。
[0047]
温度测量元件9上套装有隔热套10；隔热套10与温度测量元件9之间通过密封圈11密封，隔热套10一端安装在温度元件安装孔7中，连接处通过密封圈11密封，使温度元件安装孔7与超声波气体流量计管道1内腔之间隔断不相通。
[0048]
本实施例中，探头盖4呈半圆盖状，电缆采用本安电缆。喇叭嘴23内还设置有套装在电缆上的密封圈24和压紧螺母26；密封圈24和压紧螺母26之间安装有垫圈25；压紧螺母26与喇叭嘴23螺纹连接，通过挤压密封圈压紧收缩与电缆27产生摩擦力，以保证电缆27的拉脱承受能力。
[0049]
其中，探头主体3呈t形结构，温度元件安装孔7和压力元件安装孔8均与探头主体3偏心设置，以减小体积。探头主体3一端设置有探头保护套16，温度测量元件9与引压孔15均位于探头保护套16内，探头保护套16一端伸入超声波气体流量计管道1内。探头保护套16伸入超声波气体流量计管道1内的长度小于10毫米，使装置并未明显伸进管道内壁流场边界区域，从而尽可能减小对管道内流场的干扰影响，进而提高气体流量测量准确性。
[0050]
其中，探头保护套16与探头主体3之间通过螺纹连接，探头保护套16的外圆上设置有扁口17，以便于安装紧固。
[0051]
超声波气体流量计管道1上设置有管道法兰座2，探头主体3上设置有法兰安装孔18，通过螺钉连接在管道法兰座2上，并通过密封圈19与管道法兰座2密封。
[0052]
请参阅图2，为一种管道式超声波气体流量计温度压力测量方法，采用本实施例中
的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置进行温度、压力测量；
[0053]
步骤(1)，采集转换温度测量信号：
[0054]
a、温度测量元件9采用铂电阻元件，确定铂电阻及参考电阻选型，选取分辨率较高的pt1000及1000欧姆参考电阻，以提高测量精度；
[0055]
b、触发铂电阻pt1000及参考电阻对同一个具有温度稳定特性的电容进行充放电，放电时间通过时间数字转换器记录，分别记为：t
pt1000
和t
ref
；
[0056]
c、确定电阻测量值，通过放电时间测比率计算可得：
[0057][0058]
式中，r为铂电阻pt1000电阻测量值，1000为铂电阻0℃参考电阻值，t
pt1000
为pt1000铂电阻放电时间，t
ref
为参考电阻放电时间；
[0059]
d、确定温度测量值：通过rtd温度方程计算可得：
[0060][0061]
式中，t为当前所测温度，r为铂电阻pt1000电阻值，a、b均为修正系数，其中a取值为3.9083
×
10-3
；b取值为-5.775
×
10-7
；
[0062]
步骤(2)，采集转换压力测量信号：
[0063]
a、确定压力元件选型，选取膜片式压力元件；膜片式压力元件将扩散硅压力敏感芯片封装到不锈钢外壳中，外加压力通过不锈钢膜片、内部密封的硅油传递到敏感芯片上，敏感芯片不直接接触到被测介质，形成压力测量的全固态结构，从而防止水汽、粉尘以及腐蚀性介质的影响。
[0064]
b、信号放大转换处理，使用运算放大器将压力元件电压信号进行放大处理至1v以上，转换成数字信号；
[0065]
c、确定压力测量值，通过采集元件电压数字信号并测试标校修正，计算可得，
[0066]
p＝k*v
[0067]
式中，p为压力，k为修正系数，v为元件电压数字信号；
[0068]
步骤(3)，输出温度压力探头信号：探头通过本安电缆27将温度、压力信号进行输出，供超声波气体流量计主机或中心站使用。
[0069]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：包括密封连接于超声波气体流量计管道侧壁上的温度压力探头装置，所述温度压力探头装置包括探头主体、探头盖、温度测量元件、压力测量元件；所述探头主体内设有温度元件安装孔和压力元件安装孔；所述压力元件安装孔的底部设有引压孔，并通过所述引压孔与超声波气体流量计管道内腔相通；所述温度测量元件设于所述温度元件安装孔中，并一端伸入超声波气体流量计管道内；所述压力测量元件设于所述压力元件安装孔中；所述探头盖与探头主体密封连接；探头盖与探头主体之间封闭形成信号处理室，所述信号处理室内设有安装过桥与信号处理电路板，所述安装过桥固定设于所述探头主体上，所述温度元件安装孔和压力元件安装孔位于安装过桥下方；所述信号处理电路板固定设于所述安装过桥上，温度测量元件与压力测量元件均与信号处理电路板连通；所述探头盖远离探头主体的一端设有喇叭嘴与电缆，所述电缆穿过所述喇叭嘴与信号处理电路板连接。2.根据权利要求1所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：所述温度测量元件上套装有隔热套；所述隔热套与温度测量元件之间通过密封圈密封，隔热套一端设于温度元件安装孔中，连接处通过密封圈密封，使温度元件安装孔与超声波气体流量计管道内腔之间隔断不相通。3.根据权利要求1所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：所述喇叭嘴内还设有套装在电缆上的密封圈和压紧螺母；所述压紧螺母与喇叭嘴螺纹连接，通过挤压密封圈压紧收缩与电缆产生摩擦力，以保证电缆的拉脱承受能力。4.根据权利要求1所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：所述探头主体呈t形结构，所述温度元件安装孔和压力元件安装孔均与探头主体偏心设置。5.根据权利要求1所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：所述探头主体一端设有探头保护套，所述温度测量元件与引压孔均位于所述探头保护套内，所述探头保护套一端伸入超声波气体流量计管道内。6.根据权利要求5所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：所述探头保护套伸入超声波气体流量计管道内的长度小于10毫米。7.根据权利要求5所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：所述探头保护套与探头主体之间通过螺纹连接，所述探头保护套的外圆上设有扁口，以便于安装紧固。8.根据权利要求1所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：超声波气体流量计管道上设有管道法兰座，所述探头主体连接于所述管道法兰座上，并通过密封圈与管道法兰座密封。9.根据权利要求1所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置，其特征在于：所述探头盖呈半圆盖状，电缆采用本安电缆。10.一种管道式超声波气体流量计温度压力测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的管道式超声波气体流量计温度压力测量装置进行温度、压力测量；步骤(1)，采集转换温度测量信号：a、温度测量元件采用铂电阻元件，确定铂电阻及参考电阻选型，选取分辨率较高的pt1000及1000欧姆参考电阻，以提高测量精度；
b、触发铂电阻pt1000及参考电阻对同一个具有温度稳定特性的电容进行充放电，放电时间通过时间数字转换器记录，分别记为：t
pt1000
和t
ref
；c、确定电阻测量值，通过放电时间测比率计算可得：式中，r为铂电阻pt1000电阻测量值，1000为铂电阻0℃参考电阻值，t
pt1000
为pt1000铂电阻放电时间，t
ref
为参考电阻放电时间；d、确定温度测量值：通过rtd温度方程计算可得：式中，t为当前所测温度，r为铂电阻pt1000电阻值，a、b均为修正系数，其中a取值为3.9083
×
10-3
；b取值为-5.775
×
10-7
；步骤(2)，采集转换压力测量信号：a、确定压力元件选型，选取膜片式压力元件；b、信号放大转换处理，使用运算放大器将压力元件电压信号进行放大处理至1v以上，转换成数字信号；c、确定压力测量值，通过采集元件电压数字信号并测试标校修正，计算可得，p＝k*v式中，p为压力，k为修正系数，v为元件电压数字信号；步骤(3)，输出温度压力探头信号：探头通过本安电缆将温度、压力信号进行输出，供超声波气体流量计主机或中心站使用。

技术总结
本发明属于矿井瓦斯抽放检测技术领域。涉及一种管道式超声波气体流量计温度压力测量装置及方法，本发明将温度、压力测量元件集成一体化，更方便开孔安装，仅需开一个孔便可简单安装；温度压力探头装置并未明显伸入管道内壁流场边界区域，从而尽可能减小对管道内流场的干扰影响，进而提高气体流量测量准确性，同时探头保护套可避免管道中高速流动的杂质对温度探头的冲击，从而有效保护温度探头不被损坏，提高产品可靠性。本发明优化了温度测量方法，采用铂电阻外露式，使测量更准确，采用隔热套解决了因探头金属外壳导热导致的温度测量准确度降低的问题。同时，采用了基于高精度放电时间测量原理的方法，提高了产品测量精度及一致性。一致性。一致性。


技术研发人员：罗前刚 李涛 马勤勇 于庆 蒋洪庆 李军 柏思忠 孙世岭 但强 刘芬 谭雨果 王祖迅 万勇
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/7