管道流量和瓦斯浓度的检测技术的说明

V锥流量传感器是集差压类流量计百年沉淀之精华的结晶。它的节流缘是钝角，流动时形成边界层，使流体离开了节流缘。边界层效应使肮脏流体不能磨损节流缘，其β值长期不变。因此无需重复标定，具有长期的稳定性。是一种接近理想状态的节流装置。
综上所述，V锥流量传感器相比涡街流量传感器具有精度高、寿命长、直管段要求低、量程比宽、信号稳定、压损小等优点，涡街流量传感器存在下限流速高（测量气体时下下限流速为5m/s）、直管段要求高、易受电磁干扰、易受管道振动影响等缺点。V锥流量传感相特别适合于以下场所：脏污介质、直管段不足的场所、对精度要求高的场所。当然，作为差压流量传感器的一种，由于成本关系不能完全取代孔板、文丘里的位置，但对于瓦斯抽放等计量精度要求较高的应用场所，采用V锥流量传感是一个较理想的选择。
V锥流量传感器具有较高的精度，这是由于产生差压信号的锥形体位于管道的中心，流体与其分离产生的漩涡对差压信号影响很小，因此其初始元件能达到读数±0.5%的高精度，V锥流量传感器与涡街流量计不同，无论管径大小，每台都是"满管式"，带有计量管段进行出厂标定，精度也不受仪表系数分辩率的限制，保证了实验室标定结果与现场使用结果的一致，从根本上保证了现场使用精度。
2、红外甲烷敏感元件的特点及选型
在红外气体检测技术领域,欧州对红外气体检测技术研究时间较长，特别是英国其技术水平也是最高的。所生产的采用NDIR技术的甲烷敏感元件具有：
a. 测量范围宽（可以测量0-100%CH4）
b. 稳定性好（1年以上）
c. 测量误差小（10%CH4～80%CH4范围不超过3%）
流量计类型 永久压损值 （kPa） V锥流量传感器 ≤4.98 文丘利管 ≤4.98 文丘利喷嘴 ≤4.98 喷嘴 9.961 涡街流量计 13.41 涡轮流量计 14.94 涡街流量计（Foxboro） 18.5 孔扳流量计 19.992 科氏力（Miero-Motion） 29.882 科氏力（Foxboro） 34.864 从以上数据中可以看出Foxboro 公司和Miero-Motion公司的科氏力质量流量计的永久压损最大，V锥流量传感器、文丘利管和文丘利喷嘴三种流量计的永久压损最小，而涡街流量计的永久压损比喷嘴流量计还大。这组实流实验的实测数据也从另一个方面印证了选用涡街流量计，是用户现场去适应流量计；选用V锥流量传感器，是流量计去适应用户现场这一恰当的比喻。
（3）、永久压损比较
涡街流量计和V锥流量传感器之间永久压损的比较，目前国内还没有权威数据统计。有据可查的数据是：北京化工大学的流量专家、教授孙延祚发表在2006年《工业计量》杂志增1期上的文章"从节能降耗要求再论推广锥型流量计的必要性"中有国外实流实验的测试结果。测试过程是在相同管径（80mm）的管道中，让相同的流体（水）流过，在相同的流量（流速等于3.765m/s）下测量出每一种流量计的永久压损。其数据如下：
近年来，在"非色散红外检测"（ NDIR ）技术发明后，国外红外气体检测技术在工业安全领域得到了飞速的应用和发展。"非色散红外检测"（ NDIR ）技术是目前一种比较先进的气体分析技术，具有快速、准确、稳定性好的特点。基于此技术的甲烷检测传感器具有检测精度高、响应时间快、检测范围广、性能稳定、不受检测环境中其它气体的干扰、无有害气体中毒现象、寿命长等特点，越来越受到煤矿及其它工业安全领域的青睐，并有取代载体催化、热导等瓦斯检测原理的趋势，成为煤矿瓦斯检测技术的主流。在此次松藻煤电有限公司CDM项目设计方案中，我们选择依据红外原理的"非色散红外检测"（ NDIR ）技术来检测瓦斯管道中的瓦斯浓度。
管道内瓦斯流量测量
1、流量传感器技术选型
对瓦斯抽放管道内流量的准确测量，是煤矿瓦斯抽放系统做到计量准确、运行正常的重要条件之一。目前，国内有的瓦斯抽放管道流量计采用的是涡街流量传感器，涡街流量传感器的优点是输出为脉冲频率信号、压损较小、无转动部件、结构简单。但涡街流量传感器受其检测原理的影响，也存在明显的不足，特别是在大管径（大于Φ250mm）、低流速(5m/s)的情况下，满管式涡街流量传感器产生的漩涡信号非常微弱，检测元件根本无法检测正确的信号，导致涡街流量传感器在此种情况下测量误差非常大，有的涡街流量传感器生产商针对这个缺点，提出了"等流变径"的现场解决方法，通过缩小管径将流速提高到满管式涡街流量传感器能够正确测量的范围（5 m/s～35 m/s），这种方法虽然能解决流量的测量问题，但是又引出另一个问题--压损大，对压损要求非常严格的瓦斯抽放系统来说，"等流变径"这种方法不应是优选的。如果用插入式涡街传感器来解决大管径、低流速的测量问题，又存在测量精度无法达到此次松藻煤电有限公司CDM项目的技术要求。众所周知，与满管式涡街流量传感器相比较，插入式涡街传感器本来就存在测量精度差的缺点，再说插入式涡街传感器本来检测的就是管道内的"点流速"，通常插入式涡街传感器的传感头安放在管道的中央，检测到的是管道中最高流速，以检测到最高流速作为管道的平均流速，测量误差大是不言而喻的。对于此次计量精度要求高的CDM项目，此种流量检测方法也不应是优选的。鉴于涡街流量传感器在瓦斯管道流量测量中存在的这些问题，在此设计方案中，我们选择V锥流量传感器来检测瓦斯管道中的流量。
d. 使用寿命长（5年）
e. 响应时间快（﹤15S）
f. 体积小（标准的4系列封装）
g. 不受其它背景气体的影响
英国e2v公司研究红外气体检测技术已有30多年，其生产的红外甲烷敏感元件占全球市场份额50％以上，国际上知名的气体传感器生产商都采用e2v公司的红外气体敏感元件，如，德国Drager、英国Trolex、Crowcon。煤炭科学研究院重庆研究院研制的GJG10H红外甲烷传感器就是采用的英国e2v公司的红外甲烷敏感元件，并于2006年在全国首家通过"MA"认证，已批量用于阳泉矿务局、淮南矿务局、淮北矿务局，并取得了良好的使用效果。
b)涡街流量计属于对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感的流量计。旋涡的形成受流速分布畸变及旋转流的影响，故上游侧应配置足够长的直管段，具体长度参照标准孔扳的直管段长度要求安装（一般不少于前20D后5D）。
c）应力式涡街流量计对现场管道机械振动非常敏感，不适于有振动的场所。
V锥流量传感器的V型锥体具有独特的"自整流、自清洁"功能。流体在节流元件的作用下，流场将经过"非稳定流→稳定流→恒（常）流"的变化过程，在节流元件的上游部分达到差压式流量计测量原理所需要的理想前提条件，前后直管段要求较短，一般上游只需0至3D，下游只需0至1D。从本质上保证了能广泛适用各种复杂现场。
（2）、适应使用现场工况条件能力的比较
涡街流量计有多种检测方式，现在生产使用的多为应力式。即用压电元件来检测旋涡产生的应力来记录下旋涡的个数，从而以旋涡的数量计算出流速及流量。从涡街流量计的测量原理可以看出以下几点现场工况会严重影响涡街流量计的正常工作。
a)涡街流量计的工作原理决定了它对流速要求较高，低流速下（气体5m/s）旋涡生成非常困难，即使有微弱旋涡生成，产生的应力也不足以压过工频噪声，引起涡街流量计低于下限后乱计量的结果
3、管道瓦斯浓度检测的技术难点
在煤矿瓦斯抽放过程中，管道内的混合气体湿度非常大，当遇到温度较低的局部小环境，就会产生冷凝现象，形成具有弱腐蚀性的液体，如果这些液体附着在红外甲烷敏感元件进气口，一方面会影响传感器气体置换，造成传感器响应时间延长、测量误差加大，另一方面还会对红外甲烷敏感元件性能造成损害。
图1 图2
3、V锥流量传感器的技术特点
a、自整流、自清洁、前后直管段要求较短，一般上游只需0至3D，下游只需0至1D。
b、精度高，差压输出值可实现±0.1% 的重复性。
（二）、管道瓦斯浓度测量
1、管道瓦斯检测原理的选择
对瓦斯抽放管道内瓦斯浓度准确的测量，是煤矿瓦斯抽放系统做到计量准确、运行正常的另一个重要条件。目前，国内外用于煤矿井下瓦斯气体检测有载体催化、热导、光干涉、红外等几种原理。能用于高浓度瓦斯检测的只有热导和红外两种原理。
当前，我国煤矿瓦斯抽放监测系统中用于瓦斯浓度检测的高浓度甲烷传感器几乎都是采用热导原理。用热导原理检测瓦斯，只是在（8～40）CH4％时测量误差较小，使用中受环境温度影响大，不易补偿；特别是在检测管道瓦斯时，当瓦斯流速较高时（大于25m/s）,会影响热导敏感元件的温度场，对致传感器的测量误差非常大。
2、V锥流量传感器的测量原理
V锥流量传感器是近年发展起来的一种差压式流量传感器，目前正在其它工业领域如：石化、热能、供水等广泛地应用。与其他差压流量传感器一样，都是基于密闭管道中能量相互转化的伯努利定律，即在稳定流场情况下，管道中的流速与差压的平方根成正比。测量出差压即可计算出流体的流速。它是在管道中心安装一个锥形体来阻挡流体，使管道中心的流体绕锥形体流动，所以当流体流过锥形流量传感器时，锥体直接和流体高速中心部分相互作用，迫使高速的中心与接近管壁的低速流体均匀化，从而产生正确的压差，这在低流速测量时尤其适用。图1、2分别是V锥流量传感器的平面与立体结构示意图。
涡街流量计管径250mm以上时一般都选用插入式（插入头一般为Φ40mm，）。气体测量精度一般为±5%左右。主要是以下两点严重影响计量精度：
a）插入式涡街流量计属于点流速测量，测量头只能检测到管道的中心流速，远不能代表管道断面的平均流速。
b)由于受涡街检测原理的局限，大于250mm以上的"满管式"涡街流量计仪表系数太小（一般在0.07-0.01），分辩率低，测量流量时，测量值波动大。
（4）、安装使用及校验方便性比较
在安装使用方便性方面，由于涡街流量计和V锥流量传感器同属法兰连接式，安装过程基本相同。在对在用的流量传感器校验时，V锥流量传感器只需将差压元件取下校验即可，非常方便；而"满管式"涡街流量传感器，则需要将整体取下，才能完成校验工作，工作量大很多。