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超聲波明渠流量計在井下排水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

來源:昆山威爾斯曼儀器儀表設備有限公司   2015年07月27日 08:51  

  1 概述

      在煤礦開采過程中,礦井水由井下排水泵提升至預沉調(diào)節(jié)池,自流進入吸水井。對進入吸水井中的礦井水排水流量的實時監(jiān)測能夠得知井下工作狀態(tài),對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

      目前井下排水流量為人工通過流量表測量獲得。流量表不易讀數(shù),不能記憶累計流量,更重要的是地面管理者不能及時得到信息。為此研制了超聲波明渠流量計。其玻璃鋼“測井”耐腐蝕、易安裝、電路簡單可靠、故障率低,整機測量精度高,能夠適用于各種環(huán)境。

      2 超聲波明渠流量計研制

      明渠流量計由量水器具、液位傳感器組成。安裝于井下測量現(xiàn)場,傳感器通過電纜將測量數(shù)據(jù)傳輸給地面的上位機。

      2.1 工作原理
      
      對明渠流量的測量方法主要有直接法和間接法兩大類。直接法由于很難找出質(zhì)點運動速度與明渠中流體平均流速之間的關(guān)系,因此很少采用。間接法是在明渠中安裝量水器具,對被測流體形成約束阻力,從而在器具的上下游形成與明渠橫截面上平均流速有關(guān)的液位差。如能保證量水器具下游出口處的液位不變,則量水器具的上游液位即可反映明渠橫截面上的平均流速,進而達到明渠流量測量的目的。間接法在明渠流量測量中應用比較廣泛。

      間接法所用的量水器具分為堰式和槽式兩大類,堰式量水器具zui常用的是三角堰和矩形堰。槽式量水器具zui常用的是帕歇爾槽,帕歇爾量水槽由上游收縮段、喉道段和下游擴散段3部分組成。收縮段的槽底向下游傾斜,擴散段槽底的傾斜方向與喉道槽底相反,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。帕歇爾槽安裝在渠道上要牢固,與渠道側(cè)壁、渠底連結(jié)要緊密,不能漏水。使水流全部流經(jīng)帕歇爾槽的計量部位,帕歇爾槽的計量部位是槽內(nèi)喉道段。

      測井與水槽的底部相通,其水位h和瞬時流量q也具有確定的關(guān)系。如果帕歇爾槽各部位尺寸嚴格按照文獻[1]的要求制作,流量按下式表達:

      q=khα                                (1)
      
      式中,k和α為流量系數(shù),依喉部尺寸不同而異。

      不論堰式還是槽式明渠流量計,都是在渠道中加裝量水器具,流體通過量水器具時受到阻擋而使渠道特定斷面處的液位h發(fā)生變化,而通過渠道的流體流量q與h之間存在對應關(guān)系。因此,明渠流量計的研究工作主要由以下3部分組成:① 對于特定的量水器具,確定q與h之間對應關(guān)系式;② 準確測出液位h值;③ 計算出對應的流量值并做相應的輸出。液位h值由超聲波液位計測得,其換能器通過介質(zhì)發(fā)射聲脈沖,聲波遇到被測物反射回來,若可以測出*個回波到達的時間與發(fā)射脈沖間的時間差t,利用h=tv/2(v為空氣中的聲速),即可算出測井中的液位。

      2.2 儀器安裝

      明渠流量計安裝在現(xiàn)場渠糟內(nèi),量水器具采用帕歇爾水槽,利用安裝在測井頂?shù)?span style="background-color:transparent">超聲波液位計測得測井內(nèi)液位高度,液位計采用9V電池供電,只需一根電纜與上位機進行通信,避免了大量供電和通信電纜,以及供電電壓在線路上的損耗。

      2.3 超聲波液位計設計

      液位計全部由低電壓、低功耗的單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、串行接口電路、電池供電電路等組成,圖2為系統(tǒng)框圖。配備了一體化的超聲波發(fā)送接收模塊和遠程通信模塊。超聲波發(fā)射接收電路與單片機相連,單片機與串行接口相連。電池供電電路由其他電路供電。

      2.3.1 設計說明

      超聲波換能器的工作原理是陶瓷的壓電效應。測量過程中,聲波信號由發(fā)送換能器發(fā)出,經(jīng)物體表面反射后由接收換能器接收,可以測量聲波的整個運行時間,從而實現(xiàn)距離的測量。液位計所用換能器是工作頻率為40kHz的陶瓷超聲波傳感器,適用于中短程范圍測量,zui大量程4m,脈沖觸發(fā)模式工作。此類傳感器適應性強,可在-40~90℃環(huán)境下工作,散射角zui大15o。為測量更,鑒于聲速受溫度影響zui大,測距數(shù)據(jù)處理過程采用溫度補償。

      單片機驅(qū)動發(fā)送換能器發(fā)出12個周期40kHz方波信號,接收換能器接收回聲信號。單片機MSP430的定時器用于記數(shù)40kHz的晶振頻率,時間測量的分辨率為25μs測量系統(tǒng)來說是足夠了,是因為自石英晶振的測量時基非常穩(wěn)定。接收換能器接收到的回聲信號經(jīng)運算放大器放大后送給單片機的比較器。比較器接收到回聲信號立即觸發(fā)定時器的捕捉功能來獲得捕捉/較寄存器中的記數(shù)值。捕獲的數(shù)值就是超聲波從液位計發(fā)送換能器發(fā)出運行到目標,再從目標返回接收換能器的測量時間。單片機利用這個時間計算出系統(tǒng)到目標的距離,得出測井中的液位高度,并將數(shù)據(jù)通過通信電纜傳輸至上位機。然后單片機CPU睡眠模式以達到省電目的。由串行通信中斷信號喚醒CPU重復下一個測量周期。

          MSP430F12x(U1)是系統(tǒng)的核心。MSP430系列單片機是T1公司(FLASH型)16位單片機,采用MSP430F12x,具有低電壓(工作電壓1.8~3.6V)、超低功耗、處理能力強、工業(yè)級環(huán)境(-40~+85℃) 下工作穩(wěn)定,開發(fā)方便等性能。選擇40kHz晶振X1作為和超聲波換能器的諧振頻率相匹配的低頻晶振。R12是復位電路的上拉電阻,集成的省電電路自動進入省電狀態(tài)。C9用于MSP430供電電源的解耦,它和供電線路應盡量接近。14腳的雙列接頭(J1)提供了一個便于使用MSP430閃存模擬工具在線調(diào)試和編程的接口。P1.5口設置成輸出超聲波換能器要求的40kHz方波ACLK信號。

      換能器輸出驅(qū)動電路由9V電池直接供電,并提供18V的電壓來驅(qū)動換能器。這個18V電壓由六反向器(U4 CD4049)組成的橋路獲得。一個反向器用來提供驅(qū)動器一側(cè)的180o相移信號。另一側(cè)則由反向信號驅(qū)動。設置使輸出電壓幅值加倍,這樣就以推挽的方式提供發(fā)送換能器18V電壓。兩個反向器并聯(lián)是為了每側(cè)都能提供足夠的電流以驅(qū)動換能器。電容C6和C7用來隔斷直流流入換能器。因為CD4049工作在9V,而MSP430工作電壓是3.6V,在MSP430和輸出驅(qū)動電路之間有個邏輯電平不匹配的問題。在這兩種電平之間三極管Q1充當邏輯電平轉(zhuǎn)換的角色。

      U3使用的是T1的五引腳的運算放大器TLV2771,這種放大器有高增益帶寬,提供40kHz高增益信號。運放設置成反向放大器狀態(tài)。R7和R5使得放大倍數(shù)為55,C5使高頻信號旁路,R3和R4偏置放大器的輸入到一個實際的中值,并提供給運算放大器的單輸入端,放大的超聲波信號在這個中值附近上下振動。接收換能器的高F 值阻止了40kHz外的無效信號。運算放大器的通過MSP430的引腳P1.6輸出接入比較器Comparator_A的CAO。Comparator_A的內(nèi)部參考電壓設置為0.5Vcc。沒有超聲波回聲信號時,CAO的電平略低于 CA1的參考電壓;當接收到回聲信號時,電壓高于參考電壓并使Comparator_A的輸出CAOUT翻轉(zhuǎn)。R3用于微調(diào)所需靈敏度和優(yōu)化測量范圍。

      U5為串行通信轉(zhuǎn)換芯片SN65HVD10,工作電壓為3.3V。單片機的串行通信口RXD,TXD與SN65HVD10的R,D口相連,P2.1口與SN65HVD10的RE,DE口相連,通過標準通信協(xié)議RS-485接收上位機指令進行測量后,芯片SN65HVD10的B,A口發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機。

      MSP430超聲波信號放大電路由9V電池通過T1的電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS77001提供3.6V電源。電阻R1和R2設置使芯片電壓輸出3.6V,C1和C2是實現(xiàn)芯片正常功能所需的推薦電容值。發(fā)送驅(qū)動直接由9V供電。開關(guān)S1是電源主開關(guān)。

      2.3.3 軟件設計

      運用單片機豐富的片內(nèi)資源和簡潔的內(nèi)核指令,可編制出性能優(yōu)良的源程序。裝置采用flash型芯片MSP43012x,內(nèi)有JTAG調(diào)試接口,只需一臺PC機和一個JTAG 調(diào)試器即可完成程序?qū)懭搿i_發(fā)語言有匯編語言和C語言。

      系統(tǒng)具有率性。MSP430系列具有16位RISC結(jié)構(gòu),大量寄存器,較高的處理速度,可以編制出率的源代碼。

      系統(tǒng)具有高實時性。系統(tǒng)初始化后將CPU置于省電模式,串行通信產(chǎn)生中斷喚醒程序。在中斷服務程序里驅(qū)動發(fā)送換能器發(fā)出12個周期的40kHz方波信號,并允許定時器Timer_A 的捕捉中斷,同時定時器Timer_A 用于記數(shù)40kHz的晶振頻率。比較器Comparator_A 接收到回聲信號觸發(fā)定時器Timer_A 的捕捉功能來獲得捕捉/比較寄存器CCR1中的記數(shù)值。單片機計算出系統(tǒng)到目標的距離,通過查預先設置在程序中的溫度和聲速關(guān)系的列表進行測量數(shù)據(jù)的溫度補償,得出液位的相關(guān)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過通信電纜傳輸至上位機。然后MSP430進入LMP3睡眠模式。由串行通信中斷信號喚醒MSP430重復下一個測量周期。

      系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性。如果晶體振蕩器在用作CPU,時鐘時發(fā)生故障,DCO會自動啟動,程序中可將DCO設置成40kHz來保證系統(tǒng)正常工作。在程序中設置看門狗,一旦程序跑偏,可用看門狗將其復位。

      3 系統(tǒng)通信

      液位傳感器和上位機的通信方式選擇了具有可靠性高、距離遠、通信速率較高、性能價格比高等優(yōu)點的標準通信協(xié)議RS485方式,在計算機和液位計間有RS485/RS232通信轉(zhuǎn)換裝置。若干個傳感器接在同一通信電纜上,井下通信狀態(tài)如圖4所示。計算機作為上位機通過通信給傳感器順序發(fā)出測量指令,傳感器順序返回測量數(shù)據(jù),計算機計算并顯示當前各流量計流量和累計流量,一旦流量有異常增大即自動報警。

      4 應用情況

      孔莊礦-375水平吸水井有主水倉和副水倉,4臺水泵,2臺運行,1臺檢修,1臺備用。試驗時,考慮到現(xiàn)場情況,分別在主水倉和副水倉進水口各安裝一組超聲波明渠流量計。取連續(xù)一周的樣本,由試驗數(shù)據(jù)得知流量計的平均誤差為1.34%,zui大誤差為1.90%,說明本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對礦井水流量的實時監(jiān)測;同時在實驗中發(fā)現(xiàn),由于液位計采用電池供電,系統(tǒng)長時間運行將對測量精度有影響。

      5 結(jié)語

      明渠流量計中帕歇爾槽上的玻璃鋼測井裝置耐腐蝕、易安裝;超聲波測位計體積小,密封性好、安裝和維護方便,供電等設計能滿足煤礦設備的本安防爆特性,整個儀器電路簡單可靠、故障率低,測量精度高,能夠適用于各種環(huán)境。其在井下排水流量監(jiān)測系統(tǒng)中能夠有效監(jiān)測排水流量,為實時監(jiān)測井下生產(chǎn)狀態(tài)提供了可能。

      在孔莊礦的實踐證明,超聲波明渠流量計測量精度較高,運行安全可靠、穩(wěn)定有效。但也需要進一步完善,通過對其的逐步完善,將在煤礦安全生產(chǎn)管理工作中發(fā)揮更大作用

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