超聲波明(míng)渠流量計在井下(xià)排水(shuǐ)監測系統中的(de)應用(yòng)

1 概述

      在煤礦開采過程中，礦井水(shuǐ)由井下(xià)排水(shuǐ)泵提升至預沉調節池，自流進入吸水(shuǐ)井。對(duì)進入吸水(shuǐ)井中的(de)礦井水(shuǐ)排水(shuǐ)流量的(de)實時(shí)監測能夠得(de)知井下(xià)工作狀态，對(duì)煤礦安全生産具有重要意義。

      目前井下(xià)排水(shuǐ)流量爲人(rén)工通(tōng)過流量表測量獲得(de)。流量表不易讀數，不能記憶累計流量，更重要的(de)是地面管理(lǐ)者不能及時(shí)得(de)到信息。爲此研制了(le)超聲波明(míng)渠流量計。其玻璃鋼“測井”耐腐蝕、易安裝、電路簡單可(kě)靠、故障率低，整機測量精度高(gāo)，能夠适用(yòng)于各種環境。

2 超聲波明(míng)渠流量計研制

      明(míng)渠流量計由量水(shuǐ)器具、液位傳感器組成。安裝于井下(xià)測量現場(chǎng)，傳感器通(tōng)過電纜将測量數據傳輸給地面的(de)上位機。

    2.1 工作原理(lǐ)
      對(duì)明(míng)渠流量的(de)測量方法主要有直接法和(hé)間接法兩大(dà)類。直接法由于很難找出質點運動速度與明(míng)渠中流體平均流速之間的(de)關系，因此很少采用(yòng)。間接法是在明(míng)渠中安裝量水(shuǐ)器具，對(duì)被測流體形成約束阻力，從而在器具的(de)上下(xià)遊形成與明(míng)渠橫截面上平均流速有關的(de)液位差。如能保證量水(shuǐ)器具下(xià)遊出口處的(de)液位不變，則量水(shuǐ)器具的(de)上遊液位即可(kě)反映明(míng)渠橫截面上的(de)平均流速，進而達到明(míng)渠流量測量的(de)目的(de)。間接法在明(míng)渠流量測量中應用(yòng)比較廣泛。

      間接法所用(yòng)的(de)量水(shuǐ)器具分(fēn)爲堰式和(hé)槽式兩大(dà)類，堰式量水(shuǐ)器具最常用(yòng)的(de)是三角堰和(hé)矩形堰。槽式量水(shuǐ)器具最常用(yòng)的(de)是帕歇爾槽，帕歇爾量水(shuǐ)槽由上遊收縮段、喉道段和(hé)下(xià)遊擴散段3部分(fēn)組成。收縮段的(de)槽底向下(xià)遊傾斜，擴散段槽底的(de)傾斜方向與喉道槽底相反，其結構如圖1所示。帕歇爾槽安裝在渠道上要牢固，與渠道側壁、渠底連結要緊密，不能漏水(shuǐ)。使水(shuǐ)流全部流經帕歇爾槽的(de)計量部位，帕歇爾槽的(de)計量部位是槽内喉道段。

      測井與水(shuǐ)槽的(de)底部相通(tōng)，其水(shuǐ)位h和(hé)瞬時(shí)流量q也(yě)具有确定的(de)關系。如果帕歇爾槽各部位尺寸嚴格按照(zhào)文獻[1]的(de)要求制作，流量按下(xià)式表達：

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

      不論堰式還(hái)是槽式明(míng)渠流量計，都是在渠道中加裝量水(shuǐ)器具，流體通(tōng)過量水(shuǐ)器具時(shí)受到阻擋而使渠道特定斷面處的(de)液位h發生變化(huà)，而通(tōng)過渠道的(de)流體流量q與h之間存在對(duì)應關系。因此，明(míng)渠流量計的(de)研究工作主要由以下(xià)3部分(fēn)組成：① 對(duì)于特定的(de)量水(shuǐ)器具，确定q與h之間對(duì)應關系式；② 準确測出液位h值；③ 計算(suàn)出對(duì)應的(de)流量值并做(zuò)相應的(de)輸出。液位h值由超聲波液位計測得(de)，其換能器通(tōng)過介質發射聲脈沖，聲波遇到被測物(wù)反射回來(lái)，若可(kě)以測出第一個(gè)回波到達的(de)時(shí)間與發射脈沖間的(de)時(shí)間差t，利用(yòng)h=tv/2（v爲空氣中的(de)聲速），即可(kě)算(suàn)出測井中的(de)液位。

2.2 儀器安裝

      明(míng)渠流量計安裝在現場(chǎng)渠糟内，量水(shuǐ)器具采用(yòng)帕歇爾水(shuǐ)槽，利用(yòng)安裝在測井頂的(de)超聲波液位計測得(de)測井内液位高(gāo)度，液位計采用(yòng)9V電池供電，隻需一根電纜與上位機進行通(tōng)信，避免了(le)大(dà)量供電和(hé)通(tōng)信電纜，以及供電電壓在線路上的(de)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(de)單片機、超聲波發射電路、超聲波接收電路、串行接口電路、電池供電電路等組成，圖2爲系統框圖。配備了(le)一體化(huà)的(de)超聲波發送接收模塊和(hé)遠(yuǎn)程通(tōng)信模塊。超聲波發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(tā)電路供電。

  2.3.1 設計說明(míng)

      超聲波換能器的(de)工作原理(lǐ)是陶瓷的(de)壓電效應。測量過程中，聲波信号由發送換能器發出，經物(wù)體表面反射後由接收換能器接收，可(kě)以測量聲波的(de)整個(gè)運行時(shí)間，從而實現距離的(de)測量。液位計所用(yòng)換能器是工作頻(pín)率爲40kHz的(de)陶瓷超聲波傳感器，适用(yòng)于中短程範圍測量，最大(dà)量程4m，脈沖觸發模式工作。此類傳感器适應性強，可(kě)在-40~90℃環境下(xià)工作，散射角最大(dà)15?。爲測量更精确，鑒于聲速受溫度影(yǐng)響最大(dà)，測距數據處理(lǐ)過程采用(yòng)溫度補償。

      單片機驅動發送換能器發出12個(gè)周期40kHz方波信号，接收換能器接收回聲信号。單片機MSP430的(de)定時(shí)器用(yòng)于記數40kHz的(de)晶振頻(pín)率，時(shí)間測量的(de)分(fēn)辨率爲25μs測量系統來(lái)說是足夠了(le)，是因爲自石英晶振的(de)測量時(shí)基非常穩定。接收換能器接收到的(de)回聲信号經運算(suàn)放大(dà)器放大(dà)後送給單片機的(de)比較器。比較器接收到回聲信号立即觸發定時(shí)器的(de)捕捉功能來(lái)獲得(de)捕捉/較寄存器中的(de)記數值。捕獲的(de)數值就是超聲波從液位計發送換能器發出運行到目标，再從目标返回接收換能器的(de)測量時(shí)間。單片機利用(yòng)這(zhè)個(gè)時(shí)間計算(suàn)出系統到目标的(de)距離，得(de)出測井中的(de)液位高(gāo)度，并将數據通(tōng)過通(tōng)信電纜傳輸至上位機。然後單片機CPU睡(shuì)眠模式以達到省電目的(de)。由串行通(tōng)信中斷信号喚醒CPU重複下(xià)一個(gè)測量周期。

2.3.2 電路設計

      液位計的(de)電氣原理(lǐ)如圖3所示。

      MSP430F12x（U1）是系統的(de)核心。MSP430系列單片機是T1公司（FLASH型）16位單片機，采用(yòng)MSP430F12x，具有低電壓（工作電壓1.8~3.6V）、超低功耗、處理(lǐ)能力強、工業級環境（-40~+85℃） 下(xià)工作穩定，開發方便高(gāo)效等性能。選擇40kHz晶振X1作爲和(hé)超聲波換能器的(de)諧振頻(pín)率相匹配的(de)低頻(pín)晶振。R12是複位電路的(de)上拉電阻，集成的(de)省電電路自動進入省電狀态。C9用(yòng)于MSP430供電電源的(de)解耦，它和(hé)供電線路應盡量接近。14腳的(de)雙列接頭（J1）提供了(le)一個(gè)便于使用(yòng)MSP430閃存模拟工具在線調試和(hé)編程的(de)接口。P1.5口設置成輸出超聲波換能器要求的(de)40kHz方波ACLK信号。

      換能器輸出驅動電路由9V電池直接供電，并提供18V的(de)電壓來(lái)驅動換能器。這(zhè)個(gè)18V電壓由六反向器（U4 CD4049）組成的(de)橋路獲得(de)。一個(gè)反向器用(yòng)來(lái)提供驅動器一側的(de)180?相移信号。另一側則由反向信号驅動。設置使輸出電壓幅值加倍，這(zhè)樣就以推挽的(de)方式提供發送換能器18V電壓。兩個(gè)反向器并聯是爲了(le)每側都能提供足夠的(de)電流以驅動換能器。電容C6和(hé)C7用(yòng)來(lái)隔斷直流流入換能器。因爲CD4049工作在9V，而MSP430工作電壓是3.6V，在MSP430和(hé)輸出驅動電路之間有個(gè)邏輯電平不匹配的(de)問題。在這(zhè)兩種電平之間三極管Q1充當邏輯電平轉換的(de)角色。

      U3使用(yòng)的(de)是T1的(de)五引腳的(de)運算(suàn)放大(dà)器TLV2771，這(zhè)種放大(dà)器有高(gāo)增益帶寬，提供40kHz高(gāo)增益信号。運放設置成反向放大(dà)器狀态。R7和(hé)R5使得(de)放大(dà)倍數爲55，C5使高(gāo)頻(pín)信号旁路，R3和(hé)R4偏置放大(dà)器的(de)輸入到一個(gè)實際的(de)中值，并提供給運算(suàn)放大(dà)器的(de)單輸入端，放大(dà)的(de)超聲波信号在這(zhè)個(gè)中值附近上下(xià)振動。接收換能器的(de)高(gāo)F 值阻止了(le)40kHz外的(de)無效信号。運算(suàn)放大(dà)器的(de)通(tōng)過MSP430 的(de)引腳P1.6輸出接入比較器Comparator_A的(de)CAO。Comparator_A的(de)内部參考電壓設置爲0.5Vcc。沒有超聲波回聲信号時(shí)，CAO的(de)電平略低于 CA1的(de)參考電壓；當接收到回聲信号時(shí)，電壓高(gāo)于參考電壓并使Comparator_A的(de)輸出CAOUT翻轉。R3用(yòng)于微調所需靈敏度和(hé)優化(huà)測量範圍。

      U5爲串行通(tōng)信轉換芯片SN65HVD10，工作電壓爲3.3V。單片機的(de)串行通(tōng)信口RXD，TXD與SN65HVD10的(de)R，D口相連，P2.1口與SN65HVD10的(de)RE，DE口相連，通(tōng)過标準通(tōng)信協議(yì)RS-485接收上位機指令進行測量後，芯片SN65HVD10的(de)B，A口發送數據給上位機。

      MSP430和(hé)超聲波信号放大(dà)電路由9V電池通(tōng)過T1的(de)電壓轉換芯片TPS77001提供3.6V電源。電阻R1和(hé)R2設置使芯片電壓輸出3.6V，C1和(hé)C2是實現芯片正常功能所需的(de)推薦電容值。發送驅動直接由9V供電。開關S1是電源主開關。

2.3.3 軟件設計

      運用(yòng)MSP430系列單片機豐富的(de)片内資源和(hé)簡潔的(de)内核指令，可(kě)編制出性能優良的(de)源程序。裝置采用(yòng)flash型芯片MSP43012x，内有JTAG調試接口，隻需一台PC機和(hé)一個(gè)JTAG 調試器即可(kě)完成程序寫入。開發語言有彙編語言和(hé)C語言。

      系統具有高(gāo)效率性。MSP430系列具有16位RISC結構，大(dà)量寄存器，較高(gāo)的(de)處理(lǐ)速度，可(kě)以編制出高(gāo)效率的(de)源代碼。

      系統具有高(gāo)實時(shí)性。系統初始化(huà)後将CPU置于省電模式，串行通(tōng)信産生中斷喚醒程序。在中斷服務程序裏驅動發送換能器發出12個(gè)周期的(de)40kHz方波信号，并允許定時(shí)器Timer_A 的(de)捕捉中斷，同時(shí)定時(shí)器Timer_A 用(yòng)于記數40kHz的(de)晶振頻(pín)率。比較器Comparator_A 接收到回聲信号觸發定時(shí)器Timer_A 的(de)捕捉功能來(lái)獲得(de)捕捉/比較寄存器CCR1中的(de)記數值。單片機計算(suàn)出系統到目标的(de)距離，通(tōng)過查預先設置在程序中的(de)溫度和(hé)聲速關系的(de)列表進行測量數據的(de)溫度補償，得(de)出液位的(de)相關數據，并将數據通(tōng)過通(tōng)信電纜傳輸至上位機。然後MSP430進入LMP3睡(shuì)眠模式。由串行通(tōng)信中斷信号喚醒MSP430重複下(xià)一個(gè)測量周期。

      系統具有高(gāo)穩定性。如果晶體振蕩器在用(yòng)作CPU，時(shí)鐘(zhōng)時(shí)發生故障，DCO會自動啓動，程序中可(kě)将DCO設置成40kHz來(lái)保證系統正常工作。在程序中設置看門狗，一旦程序跑偏，可(kě)用(yòng)看門狗将其複位。

3 系統通(tōng)信

      液位傳感器和(hé)上位機的(de)通(tōng)信方式選擇了(le)具有可(kě)靠性高(gāo)、距離遠(yuǎn)、通(tōng)信速率較高(gāo)、性能價格比高(gāo)等優點的(de)标準通(tōng)信協議(yì)RS485方式，在計算(suàn)機和(hé)液位計間有RS485/RS232通(tōng)信轉換裝置。若幹個(gè)傳感器接在同一通(tōng)信電纜上，井下(xià)通(tōng)信狀态如圖4所示。計算(suàn)機作爲上位機通(tōng)過通(tōng)信給傳感器順序發出測量指令，傳感器順序返回測量數據，計算(suàn)機計算(suàn)并顯示當前各流量計流量和(hé)累計流量，一旦流量有異常增大(dà)即自動報警。

      4 應用(yòng)情況

      孔莊礦-375水(shuǐ)平吸水(shuǐ)井有主水(shuǐ)倉和(hé)副水(shuǐ)倉，4台水(shuǐ)泵，2台運行，1台檢修，1台備用(yòng)。試驗時(shí)，考慮到現場(chǎng)情況，分(fēn)别在主水(shuǐ)倉和(hé)副水(shuǐ)倉進水(shuǐ)口各安裝一組超聲波明(míng)渠流量計。取連續一周的(de)樣本，由試驗數據得(de)知流量計的(de)平均誤差爲1.34%，最大(dà)誤差爲1.90%，說明(míng)本裝置能夠實現對(duì)礦井水(shuǐ)流量的(de)實時(shí)監測；同時(shí)在實驗中發現，由于液位計采用(yòng)電池供電，系統長(cháng)時(shí)間運行将對(duì)測量精度有影(yǐng)響。

   5 結語

      明(míng)渠流量計中帕歇爾槽上的(de)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(hé)維護方便，供電等設計能滿足煤礦設備的(de)本安防爆特性，整個(gè)儀器電路簡單可(kě)靠、故障率低，測量精度高(gāo)，能夠适用(yòng)于各種環境。其在井下(xià)排水(shuǐ)流量監測系統中能夠有效監測排水(shuǐ)流量，爲實時(shí)監測井下(xià)生産狀态提供了(le)可(kě)能。

      在孔莊礦的(de)實踐證明(míng)，超聲波明(míng)渠流量計測量精度較高(gāo)，運行安全可(kě)靠、穩定有效。但也(yě)需要進一步完善，通(tōng)過對(duì)其的(de)逐步完善，将在煤礦安全生産管理(lǐ)工作中發揮更大(dà)作用(yòng)。