一种矿用光纤光栅瓦斯流量仪、测量系统及方法
本发明涉及瓦斯流量检测领域，尤其涉及一种矿用光纤光栅瓦斯流量仪、测量系统及方法。
背景技术：
1、煤炭能源作为我国最主要的能源之一，具有高度的稳定性和可靠性，为我国各种经济活动和居民生活提供持续、稳定的能源供应。
2、目前，在煤矿灾害中，矿井瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出最为严重。因此，矿井瓦斯灾害治理在煤矿安全生产中极为重要。近年来，随着对煤矿开采深度加大，因瓦斯防治措施不到位所产生的安全事故时有发生。瓦斯抽采是预防瓦斯事故的普遍措施，一方面可以预防煤层瓦斯瓦斯的泄露和瓦斯突出时间的发生，另一方面可以根据已测得的瓦斯总量进行合理的安排利用。
3、在煤层瓦斯抽采过程中，由于不同抽采负压的变化和瓦斯浓度的不稳定性，瓦斯密度会发生显著变化，使得流量测量变得复杂且具有挑战性。为了在这些多变的情况下进行准确的瓦斯流量监测，采用孔板光纤耦合技术构建本安型传感单元成为了一种有效的解决方案。传统的测量方法在面对井下复杂多变的条件时，准确性和可靠性往往受到限制。不同的抽采负压会导致瓦斯流量和密度的显著变化，使得传统的测量手段难以实时、准确地反映瓦斯的实际流量。这种情况下，精确的流量监测显得尤为重要。
4、孔板流量计是一种常用的流量测量装置，通过检测流体通过孔板时的压差来计算流量。然而，传统孔板流量计使用电磁式或者u型管测量换算，在井下复杂环境中直接使用存在一定的局限性，光纤传感技术则能够有效地传输测量信号，避免电磁干扰，提高信号的准确性和稳定性。本安型传感单元通过将孔板流量计与光纤传感技术结合，不仅能够在高压和高浓度瓦斯环境中准确测量瓦斯流量，还能满足煤矿井下的安全要求。光纤传输系统由于不涉及电流的直接传导，消除了电火花的风险，极大地提高了系统的安全性。此外，本安型设计确保了设备在任何情况下都不会引发火花或过热，从而适应井下的恶劣环境。结合孔板流量计和光纤传感技术，能够在不同抽采负压和瓦斯浓度变化的条件下，提供高精度的流量测量，适应瓦斯密度的变化。本安型设计确保了设备在危险环境中的安全运行，避免了电气火花和过热的风险。光纤传输有效避免了电磁干扰，保证了信号的稳定和准确。实现对瓦斯流量的实时监测和数据传输，及时预警，确保矿井安全。符合国家和行业对煤矿安全的严格要求，保障矿工安全，防止事故发生。
5、在煤层瓦斯预抽采过程中，光纤布拉格光栅传感器在煤矿安全监测领域中使用广泛。光纤布拉格光栅传感器具有体积小、电绝缘、抗电磁干扰、损耗小、光谱特性好、范围广、耐高温高压、耐腐蚀、易和其他光纤长期相连，实现多功能远距离监测、易实现准分布式传感特性，通过检测布拉格光栅中心波长的变化，能够有效地监测各种物理量。随着光纤光栅传感技术的发展，科研人员提出了靶式流量传感器、压差式光纤光栅流量传感器、热线式光纤光栅流量传感器等多种流量传感器结构。
6、压差式流量传感器可以适用于各种液体和气体流量的测量，具有较高的测量精度。压差式流量传感器结构相对较为简单，易于安装和维护，适用于多种流速范围，可以适应不同工况下的流体测量需求，不受流体透明度的限制。
7、与靶式光纤光栅流量传感器相比：压差方式流量传感器具有较高精度，测量范围不受流速限制，能够对过大或者过小的流速准确测量；能够在低流速下准确测量。
8、与热式流量传感器相比：压差式流量传感器具有测量精度高，测量过程中不需要考虑流体温度与外界温度，安装简单。
9、与机械式流量传感器相比：压差式流量传感器具有体积小，自动化显示不需要机械读数，能够有效减少人文误差。具有高灵敏度，对低流量流体也能够进行有效的测量；抗干扰能力强，零部件易于更换。
10、与电磁式流量表相比：压差式流量传感器具有较低的成本，对液体的或者气体的导电率不具有依赖性；安装简单，易于维护；不会受到外部电磁干扰。
11、但是，传统式压差流量传感器结构存在如下缺陷：
12、1.传统矿井下压差是利用流量传感器通过u型管进行流量测量，u型管需要人工读取且需要进行相关换算，误差较大；在安装u型管时操作难度大，且内部液体会粘在管壁上造成误差；在对单孔抽采测量瓦斯流量时，u型管两端不易保持水平导致进一步造成误差。
13、2.采用煤气表进行测量，需要机械式读数，还需要掐算好时间，读数和卡点时都会造成巨大误差；煤层中含有的腐蚀性气体会对煤气表内部造成腐蚀，进一步影响精度；井下单孔抽采负压过大时会将煤气表损坏。
14、3.常见孔板流量传感器体积较大，不便于用于单孔抽采流量测量。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种矿用光纤光栅瓦斯流量仪、测量系统及方法，能够实现瓦斯流量的精确测量，同时具有便于安装维护的优点。
2、本发明采用下述技术方案：
3、一种矿用光纤光栅瓦斯流量仪，包括内腔中部设置有节流元件的孔板流量计，孔板流量计的前后两端分别通过前直管和后直管与前接头和后接头连接，前接头和后接头用于与抽采管道连接；节流元件前后两侧的孔板流量计内腔分别通过前端取压机构和后端取压机构与前端压舱和后端压舱内腔连通；前端压舱和后端压舱的结构相同且对称密封设置形成压舱，前端压舱和后端压舱的内腔之间设置有矩形的弹性膜片；弹性膜片上通过支架设置有光纤，光纤依次沿弹性膜片的一侧水平端和弹性膜片的竖向中线，经压舱上设置的光纤引出孔与外设的处理单元连接；位于压舱内部的光纤的竖向段中部和水平段分别设置有应力传感布拉格光栅和温度补偿布拉格光栅；温度补偿布拉格光栅用于监测温度变化，对应力传感布拉格光栅做温度补偿；应力传感布拉格光栅用于跟随弹性膜片因前端压舱和后端压舱间的压差造成的形变产生纵向形变，将压差信号转换为光信号并传输至处理单元。
4、所述的前端取压机构包括设置在节流元件前侧且与孔板流量计内腔导通的前端取压管，还包括设置在后端压舱且与后端压舱内腔导通的后端引压管，前端取压管和后端引压管通过前端导压管连通；后端取压机构包括设置在节流元件后侧且与孔板流量计内腔导通的后端取压管，还包括设置在前端压舱且与前端压舱内腔导通的前端引压管，后端取压管和前端引压管通过后端导压管连通。
5、所述的前端压舱和后端压舱拼接后形成的压舱为中空的圆柱形结构；矩形弹性膜片的四周设置有与前端压舱和后端压舱拼接面相适配的支撑部，矩形弹性膜片利用支撑部上设置的安装孔和螺栓与前端压舱和后端压舱通过密封圈可拆卸连接。
6、所述的孔板流量计的前后两端分别通过连接法兰与内径相同的前直管和后直管连接。
7、所述的前直管和后直管的前后两端分别通过对应的前变径接头和后变径接头与抽采管道连接。
8、所述的节流元件采用孔板节流件，前直管、后直管和孔板节流件一体式加工，且孔板节流件中心孔与前直管和后直管同轴设置。
9、所述的弹性膜片上垂直设置有两个轻质细杆支架，两个轻质细杆支架设置在矩形弹性膜片的竖向中线且与矩形弹性膜片的中心点等距对称设置；光纤的起始端通过设置在上侧的矩形弹性膜片的水平端，沿矩形弹性膜片的竖向中线经两个轻质细杆支架竖直通过光纤引出孔后，与外设的处理单元连接；应力传感布拉格光栅设置在两个轻质细杆支架之间的竖向段的光纤上，温度补偿布拉格光栅设置在位于矩形弹性膜片水平端的水平段的光纤上。
10、一种基于瓦斯流量仪的光纤光栅瓦斯流量测量系统，包括压差信号采集单元、信号传输单元和处理单元；
11、所述压差信号采集单元采用矿用光纤光栅瓦斯流量仪，用于通过内置有节流元件的孔板流量计对抽采管道内的流体进行节流，并将由节流产生的压差传输至压舱内的矩形弹性膜片两端，利用矩形弹性膜片上设置的应力传感布拉格光栅将压差信号转换为光信号；
12、所述的信号传输单元用于将压差信号采集单元生成的光信号转化为电信号，并传输至处理单元进行分析计算；
13、所述的处理单元用于根据信号传输单元传输的电信号，按照下述方法计算得出节流元件处的流体体积流量。
14、所述的处理单元按照下述方法计算得出节流元件处的流体体积流量：
15、a：设孔板流量计水平设置，依据连续性方程和伯努利方程，构建流体的体积流量qv方程：
16、
17、其中，a1和a2分别为截面1和截面2的面积，k1和k2分别为截面1和截面2处的能动修正系数，ξ为单位质量流体的损失系数，p1和p2分别为截面1和截面2处的静压力，ρ1为截面1处的流体密度，z1和z2分别为单位质量流体流过截面1与截面2的位能，截面1为前端取压管中心处所对应的截面，截面2为后端取压管中心处所对应的截面；
18、b：构建引入可膨胀系数后的流体体积流量qv方程：
19、
20、其中，c为流出系数，β为孔板节流件中心孔与前直管的内径比，ε为可膨胀系数，a0为孔板节流件中心孔面积，δp为前端取压管和后端取压管上设置的取压孔处的静压力差，d为前直管的内径；
21、c：根据矩形弹性膜片的长宽和弯曲刚度，以及形变后矩形弹性膜片中心处的向上位移和y形轻质细杆支架的向上位移，计算前端取压管和后端取压管上设置的取压孔处的静压力差；
22、
23、其中，q0为矩形弹性膜片所受到的均匀压力，c为矩形弹性膜片形变前两个轻质细杆与矩形弹性膜片固定点到矩形弹性膜片中点的水平距离，矩形弹性膜片的长和宽分别为2a和2b，h为矩形弹性膜片所选材料的弹性模量，h为矩形弹性膜片的厚度，l为矩形弹性膜片形变前固定在两个轻质细杆之间的应力传感布拉格光栅长度，δλb为应力传感布拉格光栅中心波长的变化量，u为矩形弹性膜片的泊松比，l为轻质细杆的长度，λb为反射光中心波长；
24、d：利用获得的前端取压管和后端取压管上设置的取压孔处的静压力差δp，计算得到节流元件处的流体体积流量qv：
25、
26、一种基于矿用光纤光栅瓦斯流量系统的瓦斯流量测量方法，包括以下步骤：
27、a：利用压差信号采集单元，采集抽采管道内孔板流量计中矩形弹性膜片两端的压差信号并转换为光信号；
28、b：利用信号传输单元将压差信号采集单元生成的光信号转化为电信号，并传输至处理单元进行分析计算；
29、c：利用处理单元根据信号传输单元传输的电信号，计算得出节流元件处的流体体积流量。
30、本发明利用设置有节流元件的孔板流量计与设置有弹性膜片、光纤、应力传感布拉格光栅和温度补偿布拉格光栅的配合，提取弹性膜片因前端压舱和后端压舱间的压差造成的形变产生纵向形变，通过应力传感布拉格光栅将压差信号转换为光信号并传输至处理单元，最终计算得出节流元件处的流体体积流量；本发明具有高灵敏度、实时监测和不受电磁干扰的特点，能够在井下环境稳定运行，从而及时准确地监测和管理矿井内瓦斯涌出量，提高矿工和矿井下设备的安全性。
31、本发明可以根据实际测量需求，通过改变孔板节流件的大小、数量达到控制流体流速的目的，从而使瓦斯流量仪一直保持在其有效测量量程内。
32、本发明可以通过改变长方形膜片的厚度、长度及宽度或y形轻质细杆支架的长度调整压差部分的灵敏度，还可通过更换不同栅距的应力传感布拉格光栅实现量程的变换。
技术特征：
1.一种矿用光纤光栅瓦斯流量仪，其特征在于：包括内腔中部设置有节流元件的孔板流量计，孔板流量计的前后两端分别通过前直管和后直管与前接头和后接头连接，前接头和后接头用于与抽采管道连接；节流元件前后两侧的孔板流量计内腔分别通过前端取压机构和后端取压机构与前端压舱和后端压舱内腔连通；前端压舱和后端压舱的结构相同且对称密封设置形成压舱，前端压舱和后端压舱的内腔之间设置有矩形的弹性膜片；弹性膜片上通过支架设置有光纤，光纤依次沿弹性膜片的一侧水平端和弹性膜片的竖向中线，经压舱上设置的光纤引出孔与外设的处理单元连接；位于压舱内部的光纤的竖向段中部和水平段分别设置有应力传感布拉格光栅和温度补偿布拉格光栅；温度补偿布拉格光栅用于监测温度变化，对应力传感布拉格光栅做温度补偿；应力传感布拉格光栅用于跟随弹性膜片因前端压舱和后端压舱间的压差造成的形变产生纵向形变，将压差信号转换为光信号并传输至处理单元。
2.根据权利要求1所述的矿用光纤光栅瓦斯流量仪，其特征在于：所述的前端取压机构包括设置在节流元件前侧且与孔板流量计内腔导通的前端取压管，还包括设置在后端压舱且与后端压舱内腔导通的后端引压管，前端取压管和后端引压管通过前端导压管连通；后端取压机构包括设置在节流元件后侧且与孔板流量计内腔导通的后端取压管，还包括设置在前端压舱且与前端压舱内腔导通的前端引压管，后端取压管和前端引压管通过后端导压管连通。
3.根据权利要求1所述的矿用光纤光栅瓦斯流量仪，其特征在于：所述的前端压舱和后端压舱拼接后形成的压舱为中空的圆柱形结构；矩形弹性膜片的四周设置有与前端压舱和后端压舱拼接面相适配的支撑部，矩形弹性膜片利用支撑部上设置的安装孔和螺栓与前端压舱和后端压舱通过密封圈可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的矿用光纤光栅瓦斯流量仪，其特征在于：所述的孔板流量计的前后两端分别通过连接法兰与内径相同的前直管和后直管连接。
5.根据权利要求1所述的矿用光纤光栅瓦斯流量仪，其特征在于：所述的前直管和后直管的前后两端分别通过对应的前变径接头和后变径接头与抽采管道连接。
6.根据权利要求1所述的矿用光纤光栅瓦斯流量仪，其特征在于：所述的节流元件采用孔板节流件，前直管、后直管和孔板节流件一体式加工，且孔板节流件中心孔与前直管和后直管同轴设置。
7.根据权利要求1所述的矿用光纤光栅瓦斯流量仪，其特征在于：所述的弹性膜片上垂直设置有两个轻质细杆支架，两个轻质细杆支架设置在矩形弹性膜片的竖向中线且与矩形弹性膜片的中心点等距对称设置；光纤的起始端通过设置在上侧的矩形弹性膜片的水平端，沿矩形弹性膜片的竖向中线经两个轻质细杆支架竖直通过光纤引出孔后，与外设的处理单元连接；应力传感布拉格光栅设置在两个轻质细杆支架之间的竖向段的光纤上，温度补偿布拉格光栅设置在位于矩形弹性膜片水平端的水平段的光纤上。
8.基于权利要求1至7中任一项瓦斯流量仪的光纤光栅瓦斯流量测量系统，其特征在于：包括压差信号采集单元、信号传输单元和处理单元；
9.根据权利要求8所述的光纤光栅瓦斯流量测量系统，其特征在于：所述的处理单元按照下述方法计算得出节流元件处的流体体积流量：
10.一种基于权利要求8或9所述的矿用光纤光栅瓦斯流量系统的瓦斯流量测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
技术总结
本发明公开了一种矿用光纤光栅瓦斯流量仪、测量系统及方法，包括内腔中部设置有节流元件的孔板流量计，孔板流量计的前后两端分别通过前直管和后直管与抽采管道连接；节流元件前后两侧的孔板流量计内腔分别通过前端取压机构和后端取压机构与前端压舱和后端压舱内腔连通；前端压舱和后端压舱的内腔之间设置有矩形的弹性膜片；弹性膜片上通过支架设置有光纤，光纤经压舱上设置的光纤引出孔与外设的处理单元连接；位于压舱内部的光纤的竖向段中部和水平段分别设置有应力传感布拉格光栅和温度补偿布拉格光栅；应力传感布拉格光栅将压差信号转换为光信号并传输至处理单元。本发明能够实现瓦斯流量的精确测量，同时具有便于安装维护的优点。
技术研发人员：张登攀,梁凯,朱红丽,姚念岗,彭怀喜
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5