矿用钻孔超声流量自适应检测技术

代晨昱，赵朋朋，徐 晶

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

瓦斯抽采监测系统是煤矿井下用于保障安全生产、防治瓦斯突出灾害的重要技术手段，是高瓦斯及瓦斯突出矿井必不可少的保障系统[1-2]。在瓦斯抽采监测系统所监测的各项参数中，抽采流量作为最关键的监测参数之一，能够直观反映出瓦斯的抽采总量[3-4]。在此基础上，以钻孔为监测单元，掌握各钻孔的动态抽采进度，实现更加精细化的瓦斯抽采效果评价，进而为后续更为高效且安全的施工提供指导，是实现煤矿高效地质保障的一项重要环节[5-6]。然而，由于煤矿井下抽采流量监测的工况环境较差，抽采钻孔管路内成分复杂，除瓦斯气体外还包含大量的粉尘、水汽及腐蚀性气体，同时井下使用了大量的大功率设备，导致环境的信号干扰严重，极大地加大了测量难度[7]。目前煤矿井下常用的压差式流量计、涡街流量计、V 锥流量计等机械式流量计由于自身结构及测量原理的限制均存在压损大、工况适应能力差的不足，过大的压损将导致系统的抽采能量大量损耗在管路上，降低了抽采效率；较差的工况适应能力将导致其在井下使用过程中敏感单元的线性度产生偏移，严重时将导致无法正常使用，影响长期监测的准确性，需进行频繁校准或维修，使其难以适用于长时间的监测需求[8-10]。相较而言，超声波流量检测技术属于非接触测量，不存在压力损失，并且具有量程比宽、测量精度高、测量介质要求低等特点，较差的工况环境虽然会影响其接收信号的信噪比，但通过合理的设计就可以有效地应用到煤矿井下，以弥补传统机械流量计的不足，实现抽采流量监测[11-12]。

因此，笔者利用超声波流量检测技术，以超声波时差法为测量原理，针对煤矿井下应用特点，设计增强工况适应能力的自适应模块，研制一款矿用钻孔超声流量检测系统，实现瓦斯抽采钻孔的流量实时监测。

1 系统测量原理与检测方法

1.1 测量原理

本系统以超声波时差法作为设计原理，该方法是利用超声波信号为测量介质，在以一定角度通过流体介质时，流体介质的流动速度会在超声波信号的传播速度方向上产生矢量上的叠加，顺流方向传播时速度加快，传播时间变短，相反，逆流反向时间变长，超声波在顺逆流传播的时间差与流体介质的流速呈线性对应关系，因此，只要测量出超声波顺逆流传播时差就可计算出流体介质瞬时速度，再结合管道截面积即可实现流量的测量，故该方法称为时差法[13]。

由于超声波换能器安装方式不同导致计算结果存在一定差异，常用的换能器安装方式主要有Z 字型、V 字型及W 字型安装，不同的安装方式性能上各有利弊[14-15]。在煤矿井下，考虑到抽采介质中经常伴有水汽和杂质，为了便于二者排出，且减少水汽和杂质对气体流量测量的影响，本文择优选用V 字型安装方式，如图1 所示。

图1 中，一对换能器安装于法兰管道上侧，在管段中部偏下处安装了反射板，反射板与流体介质流动方向平行，超声波信号由一个换能器发出后经反射板反射传至另一个换能器，超声波信号传播方向与反射板的夹角用θ表示，换能器发射端面到反射点的距离为L。当测量空间内气体介质的流动速度为0 时，超声波信号的传播速度为声速vc，当测量空间内气体介质的流动速度为v时，该速度v会与超声波信号传播方向上的速度vc产生叠加，顺流传播速度v1加大，传播时间用t1表示，逆流传播速度v2减小，传播时间用t2表示，v1、v2与t1、t2的关系表达式如下4 个等式所示。

图1 超声波时差法原理Fig.1 Schematic diagram of the ultrasonic time difference method

由于声速vc自身会随着环境温度变化产生漂移，因此，需通过式（2）、式（4）变化消除变量vc，进而得到气体介质的流动速度v的表达式：

因此，最终的流量Q可用管道截面积S与流速v得到，表达式如下所示，式中d1与d2分别为反射板距离法兰管道上侧与下侧的距离：

由式（6）可知，流量Q仅与顺逆流传播时间t1、t2有关，因此，时差法测量流量的关键在于准确测量时间。

1.2 检测方法

为了实现高精度测量，本文将采用双阈值比较法[16]作为检测方法，其基本流程如图2 所示，高精度时钟将换能器激励信号发射的时刻作为时间计量起点开始计时，然后设置一个具有一定周期的时间窗，利用该时间窗对接收信号到达前的噪声进行屏蔽，预判周期到达后打开时间窗口，并设置一个信号判别阈值等待接收信号，当接收信号触碰到阈值时记录当前时间，并将在触碰到该阈值的波形称为特征波，随后立即设置一个零点阈值，通过特征波后级多个波形的零点时刻实现渡越时的计量。

图2 超声波时差法检测方法Fig.2 Ultrasonic time difference detection method

上述检测方法在接收信号未受到传播介质及工况环境影响时，可以准确实现超声波渡越时间的计量，从而实现气体流量的测量。但由于煤矿井下应用中的工况环境非常恶劣，除来自外部环境极强的电磁干扰外，抽采管路内介质成分非常复杂、均匀度差、随机波动性强。根据超声波信号传播特性，信号传播过程中的衰减系数会受到声波频率、介质黏度、介质密度、颗粒直径等多种因素影响，衰减系数的变化将导致接收信号的幅值产生波动[17-18]。如图2 所示，正常的接收信号到达后，通过信号判别阈值可以确定该组信号的特征波，若信号稳定则特征波次序不变，但如果接收信号的幅值产生波动，信号判别阈值不变时特征波的次序会产生移位，进而导致计量的超声波渡越时间产生一个或几个波形周期的差异，出现计量错误。因此，本文的超声波气体流量检测方法将在双阈值比较法的基础上设计自适应电路，减少工况环境变化对测量准确性的影响。

2 硬件设计

2.1 硬件系统设计

本文硬件系统设计框图如图3 所示，系统包括本安电源保护、多级电源、单片机控制、高精度时钟、激励信号放大、信道切换、换能器匹配、接收信号调理、自适应电路及数据上传存储显示等多个模块组成。

图3 硬件系统设计框图Fig.3 Hardware system design block diagram

本系统电路由矿用隔爆兼本安电源供电，本安保护将输入电源进行本安化处理，保证整体能量限制，再通过多级电源电平转换，为后级各个模块提供稳定且高质量的电源。本系统主控芯片选用STM32F4 系列单片机实现各个模块的通信与控制，工作原理如图3所示，首先单片机通过SPI 总线对高精度时钟进行参数配置，通过IO 口控制信道切换电路进行换能器收发状态选择，随后命令高精度时钟开始计时，并发出指定频率的原始激励信号，原始激励信号经过激励信号放大后进行功率放大驱动换能器，保证其发射端超声波信号具有足够的穿透能量，匹配电路目的是使换能器产生更高效的谐振。当接收端换能器接收到超声波信号后，由接收信号调理电路进行信号的放大与噪声的压制，实现有效信号的提取，调理后的信号经过由峰值检波电路与增益控制电路构成的自适应电路，峰值检波电路用于实时获取接收信号，而增益控制电路则实现了信号幅值的动态调整，获取稳定的接收信号，最终再将该信号送至高精度时钟进而完成时间计算。为了便于数据提取本文还设计了具有数据上传、存储、显示功能的人机交互模块。

2.2 激励信号放大电路设计

由于超声波信号在瓦斯抽采管路内传播的衰减极大，原始激励信号的幅值仅为3.3 V，驱动能量不足，无法保证发射端输出足够的能量，接收端能量过小将加大后级信号提取的难度。本文利用SN74LVC1G14 高速反相施密特触发器、MMBT9013-NPN 型高速三极管、CD4069 六通道COMS 反向逆变器设计了如图4 所示的激励信号放大电路，该电路首先由SN74LVC1G14将原始激励信号分为两路极性相反的信号，再利用三极管的放大作用将信号分别上拉至12 V，最后由CD4069 进行信号整形，补偿三极管输出的幅值损失。激励信号放大电路将3.3 V 的原始激励信号放大至正负12 V，驱动能力增强了7 倍。

图4 激励信号放大电路设计Fig.4 Excitation signal amplification circuit design

2.3 接收信号调理电路设计

虽然超声波信号的能量在发射端已经进行了提升，但由于煤矿井下设备防爆要求的限制，仅靠发射端的增强无法满足接收端信噪比的要求，并且瓦斯抽采管路内介质环境较差，加大了超声波信号在传播过程中的衰减，导致接收到原始超声波信号的信噪比较低。为了进一步提高接收信号的信噪比，本文利用低噪声仪表放大器AD8421 与高速轨至轨运算放大器LTC6227 设计了具有放大滤波功能的接收信号调理电路，设计电路如图5 所示，AD8421 拥有足够的增益带宽，当增益设置为100 时，带宽为2 MHz，完全满足本电路的放大需求，此外，仪表放大器的高共模抑制比有效地实现了共模信号的压制。LTC6227 是一款具有高达420 MHz 增益带宽积及180 V/μs 压摆率的高速低失真运放，本文利用其高速特性，采用sallen-key拓扑结构，设计了中心频率为200 kHz、品质因数为5、通带增益为6 dB、-3 dB 带宽为40 kHz 的2 阶Butterworth 带通滤波电路，实现了有效信号的提取。

图5 接收信号调理电路Fig.5 Received signal conditioning circuit

2.4 自适应电路设计

号调理电路处理后，得到了稳定且信噪比较高的接收信号，利用高速的峰值检波电路对每一组接收信号的幅值进行动态监测，当出现幅值变化时由单片机控制增益控制电路实时调整增益倍数，通过不断地动态补偿，使接收信号的幅值保持稳定，避免判断出错误的特征波。

为了增强本电路的工况适应能力，减小因抽采管路内介质变化造成的接收信号幅值波动，避免特征波误判导致的测量错误，本文设计了由峰值检波电路与增益控制电路组成的自适应电路，电路设计分别如图6 与图7 所示，其工作原理为：接收信号经过接收信

图6 峰值检波电路Fig.6 Peak detection circuit

本文峰值检波电路是在传统以整流二极管为核心的峰值保持电路基础上完成设计，主要由高速运算放大器与肖特基二极管构成，该电路主要运用了运算放大器的比较输出与二极管的单向导通特性，采用肖特基二极管减少了正向压降，增大了C2 的初始电流，同时肖特基二极管的快速恢复时间也增大了跟电路的跟随与保持状态的转换时间[19]，提高了检波精度。当输入电压逐步增大时肖特基二极管D2 正向导通，向电容C2 充电，反之D2 截止，C2 不再充电，保持前期状态。图7 中，R18 用于设置D4 的偏置电流，使得D4能够补偿D2 的导通压降，R14 用于在U2A 与C2 间进行隔离，防止振铃或振荡现象的发生。

图7 增益控制电路Fig.7 Gain control circuit

增益控制电路主要由高速运放与数字电位器组成，高速运算放大器构成了负反馈放大电路，其定值反馈电阻由低漂移数字电位器MAX5394 替代，通过单片机通过SPI 总线对MAX5394 控制，再根据峰值检波电路的采样结果，动态调整增益参数，即可实现实时增益调整的目的。

3 软件设计

为了保证矿用超声流量检测系统的稳定工作，开发了下位机运行软件，该软件主要实现系统初始化、寄存器参数配置、上下行通道选择、增益调整、时间计量、幅值采样，数据处理、存储、显示等功能。具体流程如图8 所示，上电后首先进行系统的自检与各个模块的初始化工作，完成后单片机会利用SPI 通信接口向高精度时钟进行参数配置，然后通过I/O 口控制信道切换电路进行上下行通道选择，再根据幅值采样结果进行增益调整，以上准备工作完成后，单片机命令高精度时钟电路开始进行时间计量，发出激励驱动信号，随后采集接收信号当前的幅值，记录并计算，当计量完成后会以中断的形式告知单片机读取状态寄存器中的时间参数，完成时间测量后进行数据处理得到流量参数，最后进行数据的存储与显示。

图8 软件系统工作流程Fig.8 Software system flowchart

4 性能检验

4.1 工况环境适应能力测试

由上文检测方法可知，本文是通过设置好的固定阈值与接收信号中特征波相结合，以该波超过阈值的时刻来进行超声波信号飞行时间的判断。然而，当超声波信号的传播介质发生变化时，其衰减系数会随之改变，进而导致接收信号的幅值产生波动，当该波动超过一定范围时，就将出现特征波的误判，导致测量结果错误。反之，当该波动未超过允许的波动范围，即未超过特征波幅值与后一个波形幅值差时，测量结果就不会产生错误。

因此可知，造成该测量错误的关键原因就是接收信号的幅值发生了变化，要实现准确测量就需要克服幅值波动造成的影响，本文就是根据这一目标完成了测量系统的研制工作，由于煤矿井下防爆要求规定、瓦斯危险性及实际工况复杂性的影响，进行实际工况与模拟实际工况测试具有较大的难度。为了验证本系统的设计效果，本文将利用超声波激励信号与接收信号强度成正比的特点，通过调整激励信号大小的方式来改变接收信号强度，进而模拟井下测量介质衰减系数变化时的工况环境，由于接收信号调理电路为固定增益，且信噪比得到了一定提升，便于比较验证，因此，将调理电路后的输出信号作为原始信号，以自适应电路输出后端作为调理后的信号，观察在信号进入自适应电路前后的变化情况下，判断调理后的信号是否能保持稳定的幅值输出，测试结果如图9 所示，根据试验结果可知，随着原始信号变化调理后的信号可以稳定在一个相对固定的幅值，波动范围最大为50 mV，而本系统特征波幅值与后一个波形幅值差为300 mV，由于实际波动小于允许的波动范围，因此，不会对后级信号判断造成影响，实现了对工况环境变化的抑制，达到了设计目的。

图9 工况环境适应能力测试结果Fig.9 Test results of environmental adaptability under working conditions

4.2 准确度性能检验

为了进一步检验系统气体流量检测的准确性，借用临界流喷嘴气体流量标准装置输出标准流量，并根据JJG 1030-2007《超声波流量计检定规程》要求[20]，对系统检测性能进行了检验，本系统的检验现场环境如图10 所示，选用与本系统管体尺寸设计一致的管路，通过法兰连接固定在管路中，系统开机后，调整标准装置的输出流量，当标准流量到达预设流量且稳定时记录当前的标准流量与本系统的实测显示流量，进行准确度计算，检验结果如图11 所示。检测结果表明，本系统测量误差为1.80%，达到了JJG 1030-2007《超声波流量计检定规程》中规定的2.0 级准确度等级要求。

图10 检验现场环境Fig.10 Test site environment

图11 准确性能检验结果Fig.11 Accurate performance test results

5 结 论

a.针对煤矿井下瓦斯抽采钻孔管路内的工况特点及传统机械式气体流量计性能不足问题，从管段内介质环境对流量测量准确度影响的角度，提出了一套以时差法为测量原理，双阈值比较法为检测方法，具有自适应功能的矿用钻孔超声流量检测系统设计方案。

b.激励信号放大电路实现激励的放大，增强了输出功率；接收信号调理电路实现接收信号的有效提取，提高了信噪比；自适应电路通过峰值检波电路与增益控制电路相结合实现了接收信号的动态控制，保证了信号的稳定性。

c.通过试验表明，本电路能够有效克服因工况环境变化造成接收信号波动对电路测量准确性的影响，并能实现高精度气体流量测量，测量准确度达到了JJG 1030-2007《超声波流量计检定规程》中规定的2.0 级准确度等级要求，能够较好地适应煤矿井下瓦斯抽采管路的工况需求，为瓦斯抽采监测系统的气体流量采集提供有力的设备支撑。