礦井水排放流量監(jiān)測技術(shù)開發(fā)與研究

郝曉明 寇彥飛

（1.山西離柳焦煤集團(tuán) 山西省太原市 030006 2.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山西省太原市 030006）

流量作為礦井水排放過程中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)可反映整個排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，是判斷排水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行是否正常的重要參考指標(biāo)，因此對礦井水排放流量的監(jiān)測是整個排水系統(tǒng)中必不可少的一部分[1]。目前超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)是使用最廣泛的兩種流量監(jiān)測傳感器，但是在礦井水中還有大量的雜質(zhì)，類如煤泥、廢機(jī)油等污染物，同時考慮到排水管道的緊湊布置，因此以超聲波測流量原理設(shè)計(jì)了專用于礦井水排放的流量傳感器。

1 超聲波流量傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 超聲波測流量原理

超聲波測流量采用的方法一般為時差法、頻率差法、相位差法，在此考慮到現(xiàn)場工況，采用時差法測量流量[2,3]。時差法的工作原理如圖1 所示，根據(jù)聲波逆流和順流傳播的時間差計(jì)算出流體的流速，具體計(jì)算方法如公式1 ～4 所示。

圖1 中θ 為聲波的發(fā)射角度，當(dāng)液體沿管路平行流動時也表示為聲波與礦井水流動方向的夾角，Tup為聲波反射到被接收所用的時間，此時與流量方向相同，也即聲波正向傳播時間，Tdown為傳感器發(fā)射聲波到聲波接觸管壁所用的時間，與水流向相反，因此為逆方向上的傳播時間。

設(shè)置礦井水流速為v，聲波的傳播距離為L，那么超聲波在礦井水中的實(shí)際傳播速度co為聲速c 和礦井水流速帶來的速度分量vcosθ 的矢量和：

則分別可以計(jì)算出正向傳播時間和逆方向傳播時間：

1.2 硬件和軟件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2 所示，微處理器采用了MSP430FG4618實(shí)現(xiàn)超聲波的收發(fā)控制以及數(shù)據(jù)處理。超聲波時差測量電路是保證測量準(zhǔn)確的關(guān)鍵，因此選擇了德國ACAM 公司的TDC-GP2 測量電路，其包含有高速脈沖發(fā)生器，時鐘控制等功能，非常適合于時差測量方法。由微處理器和時差測量電路組成了流量傳感器的主要部分，外圍的超聲波收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)輸出信號的放大，雙極放大可調(diào)增益電路實(shí)現(xiàn)輸入信號的放大，再結(jié)合LCD 顯示屏、鍵盤等實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的輸入與顯示。

圖1：時差法超聲波流量計(jì)原理示意圖

圖2：硬件設(shè)計(jì)框圖

圖3：程序流程圖

圖3 為流量傳感器程序流程圖，流量計(jì)開始工作后首先初始化各個模塊，使參數(shù)重置為預(yù)設(shè)值。初始化參數(shù)也可通過鍵盤設(shè)置，輸入流量參數(shù)后可以將其存儲到系統(tǒng)存儲器中代替原有的預(yù)設(shè)值。對不同工況也可通過鍵盤隨時調(diào)整參數(shù)使達(dá)到增益效果。開始數(shù)據(jù)采集后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理消除噪聲，通過時差測量電路確定信號的時間基準(zhǔn)點(diǎn)并記錄，得到時差并計(jì)算出流速，在顯示屏上顯示，并將數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到上位機(jī)中顯示。

表1：基本功能試驗(yàn)結(jié)果

表2：本安試驗(yàn)測試結(jié)果

圖4：傳感器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5：流量計(jì)實(shí)物示意圖

1.3 本安電路設(shè)計(jì)

圖6：試驗(yàn)平臺示意圖

圖7：不同轉(zhuǎn)速下流量傳感器測量結(jié)果對比

根據(jù)煤礦安全規(guī)程的相關(guān)規(guī)定以及GB3836.4-2000 中對本安電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，這在對超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)中必須考慮到，例如在濕熱前后流量傳感器電路和外殼之間的絕緣電阻分別必須大于規(guī)程規(guī)定的100MΩ 和1MΩ；在工頻耐壓試驗(yàn)中，要求流量傳感器的電路和外殼之間可以承受50Hz，500V 的交流電，而且在1 分鐘的測試過程中不能出現(xiàn)外殼被擊穿等現(xiàn)象；這就對傳感器外殼的材質(zhì)有一定要求，可以全部采用2mm 厚的鋼板進(jìn)行焊接制作，附有涂層，使其結(jié)構(gòu)牢固，并具有耐高溫、耐腐蝕等特性。而且在外殼上顯示屏、按鍵與外殼之間必須采用一定的手段進(jìn)行密封，使其完全達(dá)到相關(guān)規(guī)定中IP54 等級的外殼防護(hù)要求。本文所設(shè)計(jì)的外殼結(jié)構(gòu)外形如圖4 所示，生產(chǎn)制造出的流量計(jì)實(shí)物如圖5 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

為驗(yàn)證該流量計(jì)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，在流速可調(diào)的水循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對所設(shè)計(jì)的流量傳感器進(jìn)行測試，試驗(yàn)平臺如圖6 所示，由三向異步電機(jī)驅(qū)動水泵轉(zhuǎn)動，水流通過管路重新流回水箱中再不斷由泵輸出到管路中，使得水流不斷循環(huán)。試驗(yàn)系統(tǒng)中電機(jī)選用的型號為YE2-80S-2，水泵選用的型號為1H50-32-125A，通過變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，檢定智能電磁流量計(jì)選用的型號為ISF1010C13D-L5DM23，將其測量結(jié)果與本文所設(shè)計(jì)的超聲波傳感器檢測結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7 所示。圖7 橫坐標(biāo)為設(shè)置的旋轉(zhuǎn)頻率，縱坐標(biāo)為通過管路的流量，可以看出轉(zhuǎn)頻由0-50Hz 變化，整個過程中本文設(shè)計(jì)的超聲波傳感器與檢定的電磁傳感器采集得到的數(shù)據(jù)趨勢基本一致，再轉(zhuǎn)頻低于11Hz 的時候測量得到的流量為零，之后轉(zhuǎn)頻增加流量出現(xiàn)一個波動，這是由于水泵開始突然排水造成的沖擊，流量穩(wěn)定后開始隨著轉(zhuǎn)頻增大逐漸增加，在轉(zhuǎn)頻為50Hz 的時候排水流量達(dá)到最大為24m3/h。

在管路上同一測點(diǎn)安裝傳感器，并將系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行兩天后選取3 個不同的流速點(diǎn)進(jìn)行測量，不同流速下至少測量3 次，測量得到的結(jié)果如表1 所示，可以看到流量值誤差最大為1.20%，分別出現(xiàn)在流速為0.30m/s 和0.71m/s 情況下。對同一流速下測量結(jié)果比較可以看出重復(fù)性最大誤差為0.30%，滿足礦山要求的準(zhǔn)確性±1.5%和重復(fù)性0.5%的指標(biāo)要求。

本安試驗(yàn)測試結(jié)果如表2 所示，從測試結(jié)果得到本安參數(shù)：Ui：DC18.5V，Ii：85mA，Ci:0μF，Li:0mH。完全符合之前定制的指標(biāo)參數(shù)，能滿足煤礦使用需求。

3 結(jié)語

針對煤礦排水系統(tǒng)，開發(fā)研究了管路流量監(jiān)測傳感器，基于超聲波時差測量原理設(shè)計(jì)了傳感器的硬件和軟件方案，并考慮到煤礦相關(guān)規(guī)程設(shè)計(jì)了本安電路需要到達(dá)的技術(shù)指標(biāo)，通過試驗(yàn)對所設(shè)計(jì)傳感器的進(jìn)行測試，結(jié)果表明傳感器達(dá)到對管道流量的準(zhǔn)確監(jiān)測，同時符合煤礦安全規(guī)程要求。