機(jī)械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

張業(yè)明，李智國(guó)，王 耿，李中凱，劉 旭，王昆鵬

(1.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作454000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州221116;3.廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 廈門361005)

0 引 言

在化工、煤炭等生產(chǎn)企業(yè)大量存在蓄水池、水倉(cāng)等設(shè)施，這些設(shè)施的水深和水位信息對(duì)于企業(yè)的安全生產(chǎn)非常重要。目前，水位的檢測(cè)有直讀式液位儀表、差壓式液位儀表［1～3］、浮力式液位儀表、光電或光纖液位儀表［4，5］、超聲波液位儀表［6～9］和電容式液位儀表［10，11］等。常規(guī)的檢測(cè)方法存在以下問題:接觸式傳感器一旦浸入水中，容易導(dǎo)致傳感器遇水短路、腐蝕等檢測(cè)問題，最終導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)異常，無法實(shí)現(xiàn)液位和水深的同時(shí)檢測(cè);非接觸式傳感器因?yàn)樾钏貎?nèi)有懸浮物、顆粒等物料，無法準(zhǔn)確測(cè)量出水深。當(dāng)前還沒有一種傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)水深和水位。

為解決準(zhǔn)確測(cè)量蓄水池水深和水位的問題，本文設(shè)計(jì)了一種帶增量式編碼器的滾筒提升重錘的測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了蓄水池水深和水位的可靠測(cè)量。

1 測(cè)量裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 為新型機(jī)械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測(cè)量裝置的剖視圖。圖2 為測(cè)量裝置的俯視圖與電氣接線。圖3 為測(cè)量裝置的測(cè)量原理圖，其中，重錘直徑為D2，外殼距離蓄水池底面的高度為L(zhǎng)0，蓄水池高度為H，蓄水池水深為h1，蓄水池沉淀物料厚度為h2，蓄水池水面處為x，固液界面處為y。

圖1 水深水位測(cè)量裝置的剖視圖Fig 1 Sectional view of water depth and water level measurement device

圖2 水深水位測(cè)量裝置的俯視圖與電氣接線Fig 2 Top view of water depth and water level measurement device and its electrical wiring

圖3 水深水位測(cè)量裝置的測(cè)量原理圖Fig 3 Measuring principle diagram of water depth and water level measurement device

新型機(jī)械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測(cè)量裝置由滾筒提升裝置、夾緊裝置和控制裝置三部分組成。

1)在滾筒提升裝置中，滾筒電動(dòng)機(jī)通過右聯(lián)軸器與滾筒軸相連，滾筒上纏繞著鋼絲繩，鋼絲繩末端連接重錘，滾筒軸通過左聯(lián)軸器與光電編碼器相連;滾筒電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩收繩的動(dòng)作，將重錘提起。

2)夾緊裝置由絲杠、夾緊電動(dòng)機(jī)、光軸和夾緊擋板組成;夾緊電動(dòng)機(jī)的軸與絲杠連接在一起，絲杠的另一端連接帶有螺紋孔夾緊擋板，同時(shí)夾緊擋板的光孔與光軸來連接;當(dāng)夾緊擋板緊壓在滾筒表面時(shí)，由于滾筒表面摩擦力，阻止?jié)L筒旋轉(zhuǎn)，從而使重錘停止自由下落。

3)控制裝置由可編程序控制器、光電編碼器、光電開關(guān)、電源、滾筒電動(dòng)機(jī)和夾緊電動(dòng)機(jī)組成?？删幊绦蚩刂破餍吞?hào)為西門子S7—200 SMART SR20，光電編碼器型號(hào)為HN3806—600—AB，光電開關(guān)型號(hào)為E3S—GS15N。滾筒電動(dòng)機(jī)和夾緊電動(dòng)機(jī)采用37GB528 型12 V 供電減速馬達(dá)。

2 測(cè)量裝置的測(cè)量原理與測(cè)量步驟

2.1 測(cè)量原理

由于重錘的自身重力大于滾筒電動(dòng)機(jī)的減速器的機(jī)械阻力，當(dāng)夾緊裝置松開以后，重錘會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔孟录铀傧侣?。在重錘自由下降的過程中，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)光電編碼器輸出的旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，可以得到重錘下降的位移、速度、加速度，找出重錘下降的加速度突變點(diǎn)，由此判斷出蓄水池的水面和固液界面兩個(gè)臨界點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算出蓄水池的水深和水位。

從測(cè)量裝置外殼底部重錘開始自由下落起，至下落到蓄水池的固液界面處y 的整個(gè)過程中，以時(shí)間間隔Δt 為采樣周期，實(shí)時(shí)采集重錘下降的位移L0，L1，…，Ln。設(shè)光電編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出脈沖數(shù)為M，滾筒直徑為D1，重錘直徑為D2;設(shè)在某一時(shí)刻t，可編程序控制器采集到光電編碼器輸出的脈沖數(shù)為N，則重錘下降位移L 為

根據(jù)采樣周期Δt 和位移序列，計(jì)算出各采樣點(diǎn)間的平均速度序列V0，V1，…，Vn－1，其中，Vi為

根據(jù)采樣周期Δt 和速度序列V0，V1，…，Vn－1，計(jì)算出加速度序列a0，a1，…，an－2和相鄰加速度差序列b0，b1，…，bn－3;其中，ai，bi分別為

假設(shè):1)當(dāng)i=x1(0≤x1≤n－3)，相鄰加速度差bi由零變?yōu)樨?fù)值，則此時(shí)重錘開始進(jìn)入蓄水池水面，由于受到水的阻力作用，導(dǎo)致相鄰加速度差bi由零變?yōu)樨?fù)值。由此確定出蓄水池x 處的臨界采樣點(diǎn)x1(0≤x1≤n－3)，此時(shí)重錘下落的位移Lx1+1;2)當(dāng)i=y1(0≤y1≤n－3)，相鄰加速度差取負(fù)值中的最小值，則此時(shí)重錘達(dá)到蓄水池固液界面交界處，由于受到蓄水池固態(tài)物料的阻力作用，導(dǎo)致相鄰加速度差bi為負(fù)值的最小值。由此確定出蓄水池y 處的臨界采樣點(diǎn)y1(0≤y1≤n－3)，此時(shí)重錘下落的位移Ly1+1。于是，有:

1)蓄水池水深h1為

2)蓄水池沉淀物料厚度h2為

3)蓄水池水位h 為

2.2 測(cè)量步驟

1)尋找檢測(cè)零位

光電開關(guān)輸入信號(hào)，夾緊電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)解除滾筒閉鎖，啟動(dòng)滾筒電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)重錘下降0.5 m，然后滾筒電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)重錘上升到測(cè)量裝置的外殼的表面，此刻滾筒電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)堵轉(zhuǎn)，可認(rèn)為重錘位于初始檢測(cè)零位。

2)檢測(cè)蓄水池水面x

滾筒電動(dòng)機(jī)斷電(此時(shí)夾緊電動(dòng)機(jī)通電，滾筒閉鎖已經(jīng)解除)，重錘在自身重力作用下，克服減速機(jī)阻力、空氣阻力等向下運(yùn)動(dòng)。重錘進(jìn)入水面x 的瞬間，加速度發(fā)生突變。通過編碼器測(cè)到的數(shù)據(jù)，可算出重錘自初始檢測(cè)零位到蓄水池水面x 的位移量Lx1+1。

3)檢測(cè)蓄水池固液界面y

重錘進(jìn)入水中后，繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)接觸到蓄水池固液界面y 時(shí)，重錘受到蓄水池固體物料的阻力，加速度發(fā)生突變?yōu)樨?fù)值的最小值，記下此時(shí)編碼器的脈沖數(shù)，即得到初始零位到固液界面y 的距離Ly1+1。

測(cè)量出初始檢測(cè)零位到蓄水池底板的高度L0，根據(jù)公式(5)、式(6)、式(7)，計(jì)算出蓄水池水深h1、蓄水池沉淀物料厚度h2和蓄水池水位h。

4)重錘返回初始檢測(cè)零位

當(dāng)檢測(cè)到重錘運(yùn)動(dòng)加速度發(fā)生突變?yōu)樨?fù)值的最小值時(shí)，延遲0.1 s，啟動(dòng)滾筒電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，通過鋼絲繩將重錘提升上去，當(dāng)重錘回到初始檢測(cè)零位時(shí)，夾緊電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，使?jié)L筒閉鎖，滾筒電動(dòng)機(jī)斷電。本次測(cè)試結(jié)束。

5)計(jì)算平均值

多次重復(fù)步驟(1)～(4)過程，計(jì)算蓄水池水深、沉淀物料厚度和水位的平均值，并存儲(chǔ)。

3 測(cè)量裝置的控制程序設(shè)計(jì)

新型機(jī)械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測(cè)量裝置的PLC 控制程序的總流程圖如圖4 所示，PLC 控制程序的運(yùn)行時(shí)序圖如圖5 所示。

圖4 測(cè)量裝置的PLC 控制程序的流程圖Fig 4 Flow chart of PLC control program of measurement device

圖5 測(cè)量裝置的PLC 控制程序的運(yùn)行時(shí)序圖Fig 5 Running sequence diagram of PLC control program for measuring device

4 具體應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理

重錘質(zhì)量取360，510 g 兩種情況，采樣時(shí)間間隔取0.2，0.15，0.12，0.10 s 四種情況，分別在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)。表1 和表2 分別為360，510 g 重錘在不同采樣時(shí)間下的測(cè)量數(shù)據(jù)。

表1 360 g 重錘時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement datas when hammer weight is 360g

表2 510 g 重錘時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 2 Measurement datas when hammer weight is 510 g

圖6 為重錘510 g 采樣間隔0.10 s 時(shí)的采樣數(shù)據(jù)曲線。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，采樣時(shí)間越短其在臨界位置的判斷越為清晰，但當(dāng)采樣時(shí)間過短時(shí)其脈沖間的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大而不利于水面和固液界面兩個(gè)臨界點(diǎn)的界定。綜合分析，確定出重錘為510 g、采樣時(shí)間間隔為0.10 s 時(shí)測(cè)量效果最佳，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果最為理想，其水深測(cè)量誤差小于1%。

圖6 重錘510 g 采樣間隔0.10 s 時(shí)的數(shù)據(jù)曲線Fig 6 Data curve when hammer weight is 510 g and sampling interval is 0.10 s

5 結(jié)束語

機(jī)械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測(cè)量裝置采用S7—200 SMART SR20 為控制器，通過對(duì)重錘自由下降過程中光電編碼器輸出旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，完成蓄水池水深、水位、物料厚度的自動(dòng)測(cè)量，有助于實(shí)現(xiàn)蓄水池的可靠自動(dòng)檢測(cè)和狀態(tài)監(jiān)視。該測(cè)量裝置抗污染能力強(qiáng)，誤差較小，能同時(shí)檢測(cè)水深、水位和沉淀物料厚度，作為煤礦水倉(cāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分，已經(jīng)成功應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)。

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