低速风洞高精度智能化技术改造的研究与应用

黄文争

(冀中能源峰峰集团有限公司 检测检验中心 河北邯郸 056200)

目前，国内高瓦斯、煤与瓦斯突出煤矿进行瓦斯治理或防突治理有效手段就是预抽煤层瓦斯和抽采井下采空区瓦斯，煤层瓦斯经过抽采达标后能确保采掘工作面安全生产。《防治煤与瓦斯突出细则》第六十九条规定：采用残余瓦斯含量或者残余瓦斯压力检验指标时，应当首先根据检验单元内瓦斯抽采与排放量等计算煤层的残余瓦斯含量或者残余瓦斯压力，达到了要求指标后再现场直接测定残余瓦斯含量或者残余瓦斯压力指标，并根据直接测定指标判定防突效果。

各高突矿井抽采瓦斯管路在泵站、主管、干管、支管及需要单独评价的区域分支、钻场等均布置计量测点，即管路瓦斯气体综合参数测定仪，能实时自动测定管路瓦斯的流量等参数；同时煤矿有专人携带便携式瓦斯抽放综合参数仪，对上述地点进行定期巡回测定流量等参数，进行比对，保证数据准确。由于煤矿井下环境恶劣，受各种因素影响，上述精密仪器在井下现场安装、使用一段时间后，经常会出现测量的流量数据失真不准，造成抽采瓦斯量与实际不符，严重影响煤矿抽采达标评判，进而影响高突矿井瓦斯治理和防突工作效果，给矿井安全生产带领重大隐患。

1 低速风洞简介

冀中能源峰峰集团检测检验中心现有DZS—Ⅰ型低速风洞一套，使用机械式差压计，按键型定点风速控制箱，人工记录校验数据，功能单一，只具备手动检定矿用风速表功能。因此，如何对该低速风洞进行技术改造，在现有功能基础上，扩展其适用范围，使之具备调校管路瓦斯气体综合参数测定仪和便携式瓦斯抽放综合参数仪（流量参数）、自动检定矿用风速表等功能；实现煤矿抽采瓦斯管路中流量参数的定期标定、校验，保证抽采瓦斯流量准确，成为煤矿瓦斯综合治理和防突工作急需解决的难题。

2 风洞技术改造方案

我们在现有DZS—Ⅰ型低速风洞（符合河北省市场监督管理局授权的矿用风速表计量标准考核证书要求，具备手动检定矿用风速表功能）基础上，使用风洞检验系统对其进行技术改造，系统采用闭环控制方案，可用于风速类仪表、插入式流量计等仪器的检验工作，主要由采集控制站、自动校验软件、闭口直路式风洞主体、变频器、风机、皮托管、微差压传感器、温度传感器、压力传感器、工装夹具、PC机、打印机等组成。系统风速测量采用皮托管加差压变送器方案，通过伯努利方程将风压转换为风速，并配备有温度、气压传感器，进行温度、压力补偿。系统采用风速闭环调整方案，由软件通过变频器调节风机转速，并实时监测采集到的风速值，最终将风速稳定在预先设定的风速阈值范围内。（见图1风洞校验系统构成示意图）

改造后的系统具备自动标定、自动校验、手动标定、手动校验功能；自动功能应用于“管道瓦斯测定仪”、“矿用机械风表”的检定、校验工作，手动功能应用于“便携多参数测定仪”的检定、校验工作。具有自动化程度高、使用便捷、精度高等特点。

2.1 压力传感器、温度传感器安装固定方式

拆除风洞原有灯座，将传感器安装转接座安装至原来风洞灯座开孔处，这样可省去安装压力传感器、温度传感器所需要的开孔。转接座底部设计有与风洞内部相同曲率的曲面，以最大程度与风洞内部表面相吻合，填补灯座内部空洞，减少对流场品质的负面影响。通过三通球阀可以选择将传感器测量腔与外部环境连通或与风洞内部连通，以此来选择测量风洞外部环境压力、温度或风洞内部压力、温度。

2.2 瓦斯抽放综合参数测定仪安装方式

将便携式多参数测定仪转接座安装至风洞原有的DN75凸台，然后将引流管安装至便携多参数测定仪转接座，无需对风洞进行另外开孔。

2.3 管路瓦斯气体综合参数测定仪安装方式

管路瓦斯气体综合参数测定仪可直接安装与原有DN75凸台，无需二次改造。

2.4 矿用机械风表安装方式

研制了矿用机械风表专用固定支架，通过加装光电传感器、转速变送器，可将矿用机械风表的扇叶转速转换为电信号，并上传至风洞控制系统，从而实现机械风表的自动化检验。

3 实现校验、检定功能

3.1 自动(手动)检验、标定功能

主要用于“管道瓦斯多参数测定仪”、“便携多参数测定仪”，即使用系统的“自动(手动)校验”功能检验被测仪器是否合格，如合格，则打印检验、标定报告，结束流程。

图1 风洞校验系统构成示意图

3.1.1 自动(手动)校定流程简介

系统能够自动(手动)检验被测仪器流量(风速)测量功能是否合格(测量值误差是否合格)，并自动生成原始测量数据记录表、检验报告(手动功能需人为记录数据，填写检验报告等，以下括号内标注项为需要人工参与的步骤) ，自动模式下整个流程一键自动运行，无需人工操作。即：系统自动调节风动风速（风量）为预设值，自动采集（人工记录）此风速（风量）点被测仪器示值3次，自动（或人工）检查是否需要切换至下一风速（风量）点（共计10个测点），当所有风速（风量）点检测完毕，自动（或人工）计算误差并判定各测定是否合格，自动生成(或人工记录)原始记录表，自动生成(或人工填写)检验证书，结束流程。

3.1.2 自动(手动)标定流程简介

“标定”是指对仪器进行校准，使其测量值误差在要求范围内。系统能够自动(手动)校准被校仪器的流量(风速)测量功能，自动模式下整个流程一键自动运行，无需用户操作。手动模式需要用户操作被校仪器，输入校准值，以下流程括号内标注项为需要人工参与的步骤。即：系统自动调节风洞风速（风量）为预设值，自动向被校仪器发送命令（或人工操作被校仪器），完成本校验点校准，自动（或人工）检查是否需要切换至下一风速（风量）点（共计10个测点），当所有标定点标定完毕，自动生成标定记录表（或人工记录），结束流程。

3.2 矿用机械风表自动检测功能简介

系统采用对射式光电传感器采集矿用机械风表扇叶转速，扇叶与矿用机械风表的指针转速比固定，通过转速比将扇叶转速转换为机械风表指针示值。能够自动计算出被测矿用机械风表的线性回归方程，自动绘制曲线表，自动生成原始记录表、计算误差、判定是否合格，自动生成检定证书，整个流程一键自动运行。检测流程为：系统自动调节风洞风速为预设值，自动采集此风速点矿用机械风表示值，自动检查是否需要切换至下一风速点（共计6个风速点），当所有风速点检测完毕后，自动用最小二乘法计算线性回归方程，自动计算各测点风表风速值，计算误差并判定各测点是否合格，自动生成原始记录表和曲线表，生成检定证书，结束流程。

4 应用效果

经过高精度智能化技术改造，现有低速风洞具备了自动（手动）调校管路瓦斯气体综合参数测定仪和便携式瓦斯抽放综合参数仪（流量参数）、自动（手动）检定矿用风速表等多种功能。实现自动检定矿用风速表后，有效杜绝了人工检定风表经常发生的人为误差，真正保证了风表的数值可靠准确，为煤矿井下通风工作提供了重要的物质保障，同时，自动检定一块矿用风表只需25min，相比人工检定提高效率4倍以上。自动（手动）调校管路瓦斯气体综合参数测定仪和便携式瓦斯抽放综合参数仪（流量参数），填补了河北省煤矿管路抽采瓦斯（流量参数）精准测量的空白，实现煤矿抽采瓦斯管路中流量参数的定期标定、校验，保证管路抽采瓦斯流量准确可靠，为煤矿瓦斯综合治理和防突工作打下了坚实基础，调校一台综合参数仪只需用时30min，全程自动化出数据，杜绝了人为误差，有效保证了测定数字的准确性，峰峰集团共计160台综合参数测定仪，按调校一台1500元计算，每半年调校一次，每年可创效48万元。同时，该技术改造可以推广应用到全国所有煤矿的矿井瓦斯综合治理和防突工作中，能为煤矿提供重要的基础数据，真正做到为煤矿的安全生产保驾护航。