礦用乳化液濃度在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

席波， 王詩翱， 郭建偉

(1.中國平煤神馬集團， 河南 平頂山 467099;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

乳化油與水是不相溶的2種液體，兩者混合時其中一種以小液滴的形式均勻地分散在另一種之中，形成乳化液[1]。由于乳化油具有良好的潤滑、冷卻、乳化、防銹、防腐等性能，常用于液壓支架的液壓系統(tǒng)中。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：煤礦生產(chǎn)中所使用的乳化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)維持在3%～5%[2]。乳化液作為采煤工作面液壓單體支柱及液壓支架的液壓介質(zhì)，其濃度與液壓支架及其支柱的工作壽命有重要關(guān)系[3]。如果乳化液濃度過低，會導(dǎo)致其潤滑性、防銹性和抗硬水性降低，使液壓元件產(chǎn)生銹蝕，縮短液壓支架及其支柱的工作年限；如果乳化液濃度過高，則乳化液的消泡能力降低，乳化液對橡膠密封材料的容漲性大幅度提高，同時，乳化油用量將大幅度增長，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加[4]。因此，研究礦用液壓支架系統(tǒng)乳化液濃度檢測具有重要意義。

乳化液濃度檢測方法主要有折光法、超聲波法、密度法。其中，折光法檢測精度取決于人眼識別結(jié)果，誤差較大[5-6]。超聲波法檢測結(jié)果受溫度影響較大，且設(shè)備較昂貴[7-8]。密度法通過測量乳化液密度來計算其濃度[9]，但傳統(tǒng)密度法需要人工采樣，獲取的單點數(shù)值只能顯示某一時刻乳化液濃度，無法實時測量并全程跟蹤采樣，不能系統(tǒng)反應(yīng)乳化液濃度的分布規(guī)律，難以滿足生產(chǎn)需要。

本文在傳統(tǒng)密度法基礎(chǔ)上，設(shè)計了礦用乳化液濃度在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過拉力傳感器將拉力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，根據(jù)密度法原理求解當(dāng)前乳化液濃度，并采用溫度補償技術(shù)和有限沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)技術(shù)提高檢測精度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

乳化液供液與濃度在線檢測系統(tǒng)如圖1所示，其中虛線部分為乳化液濃度在線檢測系統(tǒng)。乳化液供液與濃度在線檢測系統(tǒng)主要包括乳化油區(qū)(油路)、供水區(qū)(水路)、乳化液區(qū)(液路)、控制電路區(qū)(控制電路)、測量電路區(qū)(測量電路)等。乳化油區(qū)和供水區(qū)分別為系統(tǒng)供給乳化油和清水。乳化液區(qū)向系統(tǒng)外部設(shè)備提供配置好的乳化液。控制電路區(qū)實現(xiàn)泵、電動閥開關(guān)控制。測量電路區(qū)通過液位傳感器、流量傳感器、拉力傳感器、壓力傳感器將系統(tǒng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至控制終端，完成系統(tǒng)實時在線檢測。由于流量傳感器和壓力傳感器分布于各個管道和泵口，所以圖1中將其省略。

乳化液濃度在線檢測系統(tǒng)包含嵌入儲液箱的拉力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器和控制終端。傳感器將液體狀態(tài)信息發(fā)送至控制終端，控制終端計算乳化液濃度，并將乳化液濃度信息上傳至上位機，實現(xiàn)實時在線檢測功能。

1.2 電路結(jié)構(gòu)

乳化液供液與濃度在線檢測系統(tǒng)以DSP芯片TMS320F28335作為控制核心，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文主要介紹乳化液濃度在線檢測部分。

拉力傳感器輸出信號電壓范圍為0.1～290 mV。溫度傳感器通過含有PT100電阻的探頭檢測油溫，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換后輸出5～30 mA電流信號。乳化油油位傳感器采用側(cè)裝浮球開關(guān)，安裝在泵站曲軸箱側(cè)方，通過乳化油油位可計算其體積。乳化液液位傳感器為不銹鋼外殼，電路膠封于外殼內(nèi)；可采用投入式安裝方式，將傳感器投入到箱體底部；傳感器測量壓力并將其轉(zhuǎn)換為2～40 mA電流信號，然后輸出到控制終端，控制終端將壓力信號換算為液位。因為傳感器輸出的信號較小，所以，使用信號調(diào)理電路將其放大到TMS320F28335可采集的范圍內(nèi)。無線通信電路實現(xiàn)控制終端與上位機的數(shù)據(jù)交換，上位機顯示可視化監(jiān)測界面，實現(xiàn)乳化液濃度在線檢測。

圖2 乳化液供液與濃度在線檢測系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Circuit structure of emulsion supply and concentration on-line detection system

2 乳化液濃度檢測系統(tǒng)原理

2.1 檢測方法

乳化液濃度檢測方法如圖3所示。檢測設(shè)備專用支架安裝于乳化液箱體內(nèi)部，拉力傳感器及溫度傳感器嵌入檢測設(shè)備專用支架。檢測銅質(zhì)模塊通過耐油、耐腐蝕連接線連接到拉力傳感器上，并作為探子完全浸沒在乳化液中。

1-檢測設(shè)備專用支架； 2-乳化液箱體； 3-乳化液；

在進行檢測之前，通過實驗平臺測試不同溫度下乳化油的密度并存儲到DSP中，以備實時計算時取用。檢測時，溫度傳感器將實時溫度數(shù)據(jù)送入DSP，根據(jù)存儲在DSP內(nèi)部的乳化油密度與溫度的關(guān)系確定乳化油實時密度，實現(xiàn)溫度補償；拉力傳感器將檢測模塊對應(yīng)電壓值送入DSP中，由DSP計算乳化液的當(dāng)前密度值。

2.2 檢測原理

將檢測銅質(zhì)模塊完全沉沒于乳化液中，其在垂直方向只受3個力的作用，即重力G、浮力Fb和拉力Fp。由力學(xué)公式得

Fb=G-Fp

(1)

Fb=ρgv

(2)

式中：ρ為乳化液密度；g為重力加速度；v為檢測銅質(zhì)模塊所排開的液體體積。

對拉力傳感器輸出電壓進行線性擬合得[10]

h(x)=k0+k1x

(3)

式中：h(x)為拉力傳感器線性擬合輸出電壓；x為拉力傳感器輸入拉力，x=Fp；k0,k1為拉力傳感器系數(shù)。

由式(1)—式(3)得

(4)

式中m為檢測銅質(zhì)模塊質(zhì)量。

由質(zhì)量濃度公式可得乳化液濃度為

(5)

2.3 拉力傳感器結(jié)構(gòu)及原理

拉力傳感器使用應(yīng)變片來實現(xiàn)壓力測量，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。拉力傳感器中的應(yīng)變片是很薄的薄片，其上下表面各鑲嵌2個由電阻絲制成的電阻R1—R4，4個電阻連接成橋式電路[11]，如圖5所示。

圖4 拉力傳感器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of tension sensor

當(dāng)沒有拉力作用時，電橋平衡，傳感器輸出電壓為0；當(dāng)有拉力作用時，應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，電橋不平衡，有一定的電壓輸出。電壓與電阻的變化量成線性關(guān)系，通過檢測輸出電壓即可計算出對應(yīng)的拉力大小[12]。

橋臂上的電阻滿足如下條件[13]：

R1R3=R2R4

(6)

圖5 橋式電路Fig.5 Bridge circuit

當(dāng)電阻有變化時，電壓輸出值為

U=|O1-O2|

(7)

式中：O1為橋式電路右側(cè)電位;O2為橋式電路左側(cè)電位。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)濾波處理

拉力傳感器輸出電壓不是一個穩(wěn)定的直流電壓信號，傳感器支架、乳化液箱體、乳化油泵、水泵等振動都會使拉力傳感器輸出產(chǎn)生誤差。拉力傳感器輸出電壓經(jīng)信號調(diào)理電路放大后的時域和頻域信號波形如圖6所示。從圖6可看出，干擾成分是頻率不為0的振動信號。

(a) 濾波前時域信號

將拉力傳感器工作時的振動干擾濾除即可得到穩(wěn)定的直流電壓信號。采用FIR技術(shù)濾波，利用窗函數(shù)進行加窗處理[14-15]。窗函數(shù)幅頻、相頻曲線如圖7所示。

“去你的！”柳紅推了一把蘇秋琴，剛巧推到她敏感的部位。蘇秋琴就故意哎唷唷地呻吟起來，還狠狠地拍了一下柳紅的屁股。柳紅倒不覺得痛，感覺麻酥酥的。她也在蘇秋琴的屁股上回敬了一巴掌。蘇秋琴又趁機抓了一把柳紅的胸膛。倆人在井邊打打鬧鬧的，氣氛就有些曖昧了。

對電壓信號U進行FIR數(shù)字濾波后的時域、頻域信號波形如圖8所示。由圖8所知，由振動帶來的高頻干擾信號已基本濾除，濾波后的信號中直流信號占主要成分，只留有部分低頻干擾。

3.2 拉力傳感器參數(shù)校正

為了準(zhǔn)確地將拉力傳感器輸出電壓值轉(zhuǎn)換成實時拉力值，需對拉力傳感器系數(shù)k0,k1進行校正。

(a) 幅頻曲線

(a) 濾波后時域信號

由拉力傳感器應(yīng)變片原理及測量數(shù)據(jù)可知，其輸出電壓和輸入拉力近似成線性關(guān)系，因此，用線性回歸方法進行分析[16]。將拉力傳感器固定于鐵質(zhì)試驗臺，將不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼懸掛在拉力傳感器的測量連接掛鉤上，依次讀出傳感器輸出電壓值。

對濾波后的輸出電壓、線性擬合輸出電壓、拉力值進行概率建模，假設(shè)線性回歸概率密度函數(shù)P滿足正態(tài)分布，即

(8)

式中：y(i)為拉力傳感器第i個輸出電壓；x(i)為第i個輸出電壓濾波后的值;θ為極大似然估計參數(shù);σ2為極大似然估計標(biāo)準(zhǔn)方差;hθ(x(i))為線性擬合后輸出電壓。

式(8)的極大似然對數(shù)函數(shù)為

(9)

在σ=1的情況下，利用極大似然估計求解使γ(θ)值最大的θ，因為式(9)中求和項的符號為負(fù)，所以也就是要使式(10)最小。

(10)

設(shè)損失函數(shù)[17]為

(11)

利用梯度下降算法[18]進行參數(shù)校正：

(12)

(13)

將10個標(biāo)準(zhǔn)砝碼放到拉力傳感器的掛鉤上進行參數(shù)校正，校正參數(shù)見表1，其中M為定標(biāo)砝碼質(zhì)量。

表1 拉力傳感器的校正數(shù)據(jù)Table 1 Calibration data of tension sensor

將M值代入x(i)中，U值代入y(i)中，結(jié)合式(12)、式(13)求出k0,k1值，即為拉力傳感器的靈敏度。拉力傳感器校正曲線如圖9所示。

圖9 拉力傳感器校正曲線Fig.9 Calibration curve of tension sensor

通過梯度下降算法計算出k0=-0.51，k1=0.16，則拉力傳感器輸出電壓線性擬合結(jié)果為hθ(x)=-0.51+0.16x。

4 實驗分析

設(shè)定乳化液濃度為3%，通過乳化液濃度在線檢測系統(tǒng)進行實時在線檢測，檢測結(jié)果可視化界面如圖10所示。由圖10可知，乳化液在線檢測結(jié)果基本穩(wěn)定，誤差較小。

圖10 乳化液濃度實時在線檢測可視化界面Fig.10 Visual interface of real-time on-line detection of emulsion concentration

在不同溫度下進行乳化液濃度檢測，通過人工配比的方式隨機設(shè)置7種乳化液，其濃度為0～5%的隨機值。利用在線檢測系統(tǒng)進行乳化液濃度實時檢測，檢測值和實際值比較結(jié)果如圖11所示。實驗結(jié)果表明，檢測值和標(biāo)準(zhǔn)值的最大誤差為1.5%，滿足乳化液濃度在線檢測要求。

圖11 乳化液濃度檢測實驗結(jié)果Fig.11 Experimental results of emulsion concentration detection

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計了礦用乳化液濃度在線檢測系統(tǒng)，采用根據(jù)應(yīng)變片原理設(shè)計的拉力傳感器測量銅制檢測模塊在乳化液中所受的浮力；根據(jù)密度法原理，通過DSP控制終端求解當(dāng)前乳化液濃度，實現(xiàn)乳化液濃度實時在線檢測。

(2) 采用溫度補償技術(shù)，即通過溫度傳感器將乳化油實時溫度數(shù)據(jù)送入DSP，根據(jù)存儲在DSP內(nèi)部的乳化油密度與溫度的關(guān)系確定乳化油實時密度，減輕了溫度對測量結(jié)果的影響。

(3) 使用FIR數(shù)字濾波技術(shù)濾除箱體和檢測裝置固有振動、外部振動帶來的影響，利用梯度下降算法校正拉力傳感器參數(shù)，提高測量精度。

(4) 實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實時在線檢測礦用乳化液濃度，檢測值和標(biāo)準(zhǔn)值的最大誤差為1.5%，滿足煤礦生產(chǎn)要求。后續(xù)將著重在系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低設(shè)備成本、自動供液等方面進行研究。