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超声波流量计在井下排水监测体系中的应用

时间:2018-03-28 19:19来源:未知 作者:华夏 点击:
1 概述 在煤矿开采过程中,矿井水由井下排水泵提升至预沉调节池,自流进入吸水井。对进入吸水井中的矿井水排水流量的及时监测可以或许得知井下工作状况,对煤矿安然临盆具有重

      1 概述

      在煤矿开采过程中,矿井水由井下排水泵提升至预沉调节池,自流进入吸水井。对进入吸水井中的矿井水排水流量的及时监测可以或许得知井下工作状况,对煤矿安然临盆具有重要意义。

      今朝井下排水流量为人工经由过程流量表测量获得。流量表不易读数,不克不及记忆累计流量,更重要的是地面治理者不克不及及时获得信息。为此研制了超声波流量计。其玻璃钢“测井”耐腐化、易安装、电路简单靠得住、故障率低,整机测量精度高,可以或许实用于各类情况。

      2 超声波流量计研制

      流量计由量水器具、液位传感器构成。安装于井下测量现场,传感器经由过程电缆将测量数据传输给地面的上位机。

      2.1 工作道理
     
      对流量的测量办法重要有直接法和间接法两年夜类。直接法因为很难找出质点活动速度与中流体平均流速之间的关系,是以很少采取。间接法是在中安装量水器具,对被测流体形成束缚阻力,从而在器具的高低游形成与横截面上平均流速有关的液位差。如能包管量水器具下流出口处的液位不变,则量水器具的上游液位即可反应横截面上的平均流速,进而达到流量测量的目标。间接法在流量测量中应用比较广泛。

      间接法所用的量水器具分为堰式和槽式两年夜类,堰式量水器具最常用的是三角堰和矩形堰。槽式量水器具最常用的是帕歇尔槽,帕歇尔量水槽由上游紧缩段、喉道段和下流扩散段3部分构成。紧缩段的槽底向下流倾斜,扩散段槽底的倾斜偏向与喉道槽底相反,其构造如图1所示。帕歇尔槽安装在渠道上要稳定,与渠道侧壁、渠底贯穿连接要慎密,不克不及漏水。使水流全部流经帕歇尔槽的计量部位,帕歇尔槽的计量部位是槽内喉道段。

      测井与水槽的底部相通,其水位h和瞬时流量q也具有肯定的关系。假如帕歇尔槽各部位尺寸严格照办文献[1]的请求制造,流量按下式表达:

      q=khα                                (1)
     
      式中,k和α为流量系数,依喉部尺寸不合而异。

      不论堰式照样槽式流量计,都是在渠道中加装量水器具,流体经由过程量水器具时受到阻挡而使渠道特定断面处的液位h产生变更,而经由过程渠道的流体流量q与h之间存在对应关系。是以,流量计的研究工作重要由以下3部分构成:① 对于特定的量水器具,肯定q与h之间对应关系式;② 精确测出液位h值;③ 计算出对应的流量值并做响应的输出。液位h值由超声波液位计测得,其换能器经由过程介质发射声脉冲,声波碰到被测物反射回来,若可以测出第一个回波达到的时光与发射脉冲间的时光差t,应用h=tv/2(v为空气中的声速),即可算出测井中的液位。

      2.2 仪器安装

      流量计安装在现场渠糟内,量水器具采取帕歇尔水槽,应用安装在测井顶的超声波液位计测得测井内液位高度,液位计采取9V电池供电,只需一根电缆与上位机进行通信,避免了年夜量供电和通信电缆,以及供电电压在线路上的损耗。

      2.3 超声波液位计设计

      液位计全部由低电压、低功耗的单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、串行接口电路、电池供电电路等构成,图2为体系框图。配备了一体化的超声波发送接收模块和长途通信模块。超声波发射接收电路与单片机相连,单片机与串行接口相连。电池供电电路由其他电路供电。

      2.3.1 设计解释

      超声波换能器的工作道理是陶瓷的压电效应。测量过程中,声波旌旗灯号由发送换能器发出,经物体外面反射后由接收换能器接收,可以测量声波的全部运行时光,从而实现距离的测量。液位计所用换能器是工作频率为40kHz的陶瓷超声波传感器,实用于中短程范围测量,最年夜量程4m,脉冲触发模式工作。此类传感器适应性强,可在-40~90℃情况下工作,散射角最年夜15º。为测量更精确,鉴于声速受温度影响最年夜,测距数据处理过程采取温度补偿。

      单片机驱动发送换能器发出12个周期40kHz方波旌旗灯号,接收换能器接收反响旌旗灯号。单片机MSP430的准时器用于记数40kHz的晶振频率,时光测量的分辨率为25μs测量体系来说是足够了,是因为自石英晶振的测量时基异常稳定。接收换能器接收到的反响旌旗灯号经运算放年夜器放年夜后送给单片机的比较器。比较器接收到反响旌旗灯号急速触发准时器的捕获功能来获得捕获/较存放器中的记数值。捕获的数值就是超声波从液位计发送换能器发出运行到目标,再从目标返回接收换能器的测量时光。单片机应用这个时光计算出体系到目标的距离,得出测井中的液位高度,并将数据经由过程通信电缆传输至上位机。然后单片机CPU睡眠模式以达到省电目标。由串行通信中断旌旗灯号唤醒CPU反复下一个测量周期。

      2.3.2 电路设计

      液位计的电气道理如图3所示。

      MSP430F12x(U1)是体系的核心。MSP430系列单片机是T1公司(FLASH型)16位单片机,采取MSP430F12x,具有低电压(工作电压1.8~3.6V)、超低功耗、处理才能强、工业级情况(-40~+85℃) 下工作稳定,开辟便利高效等机能。选择40kHz晶振X1作为和超声波换能器的谐振频率相匹配的低频晶振。R12是复位电路的上拉电阻,集成的省电电路主动进入省电状况。C9用于MSP430供电电源的解耦,它和供电线路应尽量接近。14脚的双列接头(J1)供给了一个便于应用MSP430闪存模仿对象在线调试和编程的接口。P1.5口设置成输出超声波换能器请求的40kHz方波ACLK旌旗灯号。

      换能器输出驱动电路由9V电池直接供电,并供给18V的电压来驱动换能器。这个18V电压由六反向器(U4 CD4049)构成的桥路获得。一个反向器用来供给驱动器一侧的180º相移旌旗灯号。另一侧则由反向旌旗灯号驱动。设置使输出电压幅值加倍,如许就以推挽的方法供给发送换能器18V电压。两个反向器并联是为了每侧都能供给足够的电流以驱动换能器。电容C6和C7用来隔断直流流入换能器。因为CD4049工作在9V,而MSP430工作电压是3.6V,在MSP430和输出驱动电路之间有个逻辑电平不匹配的问题。在这两种电平之间三极管Q1充当逻辑电平转换的角色。

      U3应用的是T1的五引脚的运算放年夜器TLV2771,这种放年夜器有高增益带宽,供给40kHz高增益旌旗灯号。运放设置成反向放年夜器状况。R7和R5使得放年夜倍数为55,C5使高频旌旗灯号旁路,R3和R4偏置放年夜器的输入到一个实际的中值,并供给给运算放年夜器的单输入端,放年夜的超声波旌旗灯号在这个中值邻近高低振动。接收换能器的高F 值阻拦了40kHz外的无效旌旗灯号。运算放年夜器的经由过程MSP430 的引脚P1.6输出接入比较器Comparator_A的CAO。Comparator_A的内部参考电压设置为0.5Vcc。没有超声波反响旌旗灯号时,CAO的电平略低于 CA1的参考电压;当接收到反响旌旗灯号时,电压高于参考电压并使Comparator_A的输出CAOUT翻转。R3用于微调所需灵敏度和优化测量范围。

      U5为串行通信转换芯片SN65HVD10,工作电压为3.3V。单片机的串行通信口RXD,TXD与SN65HVD10的R,D口相连,P2.1口与SN65HVD10的RE,DE口相连,经由过程标准通信协定RS-485接收上位机指令进行测量后,芯片SN65HVD10的B,A口发送数据给上位机。

      MSP430和超声波旌旗灯号放年夜电路由9V电池经由过程T1的电压转换芯片TPS77001供给3.6V电源。电阻R1和R2设置使芯片电压输出3.6V,C1和C2是实现芯片正常功能所需的推荐电容值。发送驱动直接由9V供电。开关S1是电源主开关。

      2.3.3 软件设计

      应用MSP430系列单片机丰富的片内资本和简洁的内核指令,可编制出机能优良的源法度榜样。装配采取flash型芯片MSP43012x,内有JTAG调试接口,只需一台PC机和一个JTAG 调试器即可完成法度榜样写入。开辟说话有汇编说话和C说话。

      体系具有高效力性。MSP430系列具有16位RISC构造,年夜量存放器,较高的处理速度,可以编制出高效力的源代码。

      体系具有高及时性。体系初始化后将CPU置于省电模式,串行通信产生中断唤醒法度榜样。在中断办事法度榜样里驱动发送换能器发出12个周期的40kHz方波旌旗灯号,并许可准时器Timer_A 的捕获中断,同时准时器Timer_A 用于记数40kHz的晶振频率。比较器Comparator_A 接收到反响旌旗灯号触发准时器Timer_A 的捕获功能来获得捕获/比较存放器CCR1中的记数值。单片机计算出体系到目标的距离,经由过程查预先设置在法度榜样中的温度和声速关系的列表进行测量数据的温度补偿,得出液位的相干数据,并将数据经由过程通信电缆传输至上位机。然后MSP430进入LMP3睡眠模式。由串行通信中断旌旗灯号唤醒MSP430反复下一个测量周期。

      体系具有高稳定性。假如晶体振荡器在用作CPU,时钟时产生故障,DCO会主动启动,法度榜样中可将DCO设置成40kHz来包管体系正常工作。在法度榜样中设置看门狗,一旦法度榜样跑偏,可用看门狗将其复位。

      3 体系通信

      液位传感器和上位机的通信方法选择了具有靠得住性高、距离远、通信速度较高、机能价格比高等长处的标准通信协定RS485方法,在计算机和液位计间有RS485/RS232通信转换装配。若干个传感器接在同一通信电缆上,井下通信状况如图4所示。计算机作为上位机经由过程通信给传感器顺序发出测量指令,传感器顺序返回测量数据,风速仪是测量空气流速的仪器。它的种类较多,气象台站最常用的为风杯风速计,计算机计算并显示当前各流量计流量和累计流量,一旦流量有异常增年夜即主动报警。

    ,热像仪具有多功能,高清晰度及高性能的特点;  4 应用情况

      孔庄矿-375程度吸水井有主水仓和副水仓,4台水泵,2台运行,1台检修,1台备用。实验时,推敲到现场情况,分别在主水仓和副水仓进水口各安装一组超声波流量计。取持续一周的样本,由实验数据得知流量计的平均误差为1.34%,最年夜误差为1.90%,解释本装配可以或许实现对矿井水流量的及时监测;同时在实验中发明,因为液位计采取电池供电,体系长时光运行将对测量精度有影响。

      5 结语

      流量计中帕歇尔槽上的玻璃钢测井装配耐腐化、易安装;超声波测位计体积小,密封性好、安装和保护便利,供电等设计能知足煤矿设备的本安防爆特点,全部仪器电路简单靠得住、故障率低,测量精度高,可以或许实用于各类情况。其在井下排水流量监测体系中可以或许有效监测排水流量,超声波流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的仪器,为及时监测井下临盆状况供给了可能。

      在孔庄矿的实践证实,超声波流量计测量精度较高,运行安然靠得住、稳定有效。但也须要进一步完美,经由过程对其的慢慢完美,将在煤矿安然临盆治理工作中发挥更年夜感化。

(责任编辑:华夏)
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