1 概述
在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，礦井水由井下排水泵提升至預沉調節池，自流進(jìn)入吸水井。對進(jìn)入吸水井中的礦井水排水流量的實(shí)時(shí)監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(guò)流量表測量獲得。流量表不易讀數，不能記憶累計流量，更重要的是地面管理者不能及時(shí)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(jiǎn)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。安裝于井下測量現場(chǎng)，傳感器通過(guò)電纜將測量數據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(lèi)。直接法由于很難找出質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)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(jìn)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(lèi)，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。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喉道段。
測井與水槽的底部相通，其水位h和瞬時(shí)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） 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(guò)量水器具時(shí)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(guò)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(guò)介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測物反射回來(lái)，若可以測出*個(gè)回波到達的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)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場(chǎng)渠糟內，量水器具采用帕歇爾水槽，利用安裝在測井頂的超聲波液位計測得測井內液位高度，液位計采用9V電池供電，只需一根電纜與上位機進(jìn)行通信，避免了大量供電和通信電纜，以及供電電壓在線(xiàn)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(shuō)明 超聲波換能器的工作原理是陶瓷的壓電效應。測量過(guò)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(gè)運行時(shí)間，從而實(shí)現距離的測量。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(lèi)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，測距數據處理過(guò)程采用溫度補償。 單片機驅動(dòng)發(fā)送換能器發(fā)出12個(gè)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(shí)器用于記數40kHz的晶振頻率，時(shí)間測量的分辨率為25μs測量系統來(lái)說(shuō)是足夠了，是因為自石英晶振的測量時(shí)基非常穩定。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(shí)器的捕捉功能來(lái)獲得捕捉/較寄存器中的記數值。捕獲的數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(shí)間。單片機利用這個(gè)時(shí)間計算出系統到目標的距離，得出測井中的液位高度，并將數據通過(guò)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(gè)測量周期。 2.3.2 電路設計 液位計的電氣原理如圖3所示。 MSP430F12x（U1）是系統的核心。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℃） 下工作穩定，開(kāi)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(dòng)進(jìn)入省電狀態(tài)。C9用于MSP430供電電源的解耦，它和供電線(xiàn)路應盡量接近。14腳的雙列接頭（J1）提供了一個(gè)便于使用MSP430閃存模擬工具在線(xiàn)調試和編程的接口。P1.5口設置成輸出超聲波換能器要求的40kHz方波ACLK信號。 換能器輸出驅動(dòng)電路由9V電池直接供電，并提供18V的電壓來(lái)驅動(dòng)換能器。這個(gè)18V電壓由六反向器（U4 CD4049）組成的橋路獲得。一個(gè)反向器用來(lái)提供驅動(dòng)器一側的180º相移信號。另一側則由反向信號驅動(dòng)。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(gè)反向器并聯(lián)是為了每側都能提供足夠的電流以驅動(dòng)換能器。電容C6和C7用來(lái)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和輸出驅動(dòng)電路之間有個(gè)邏輯電平不匹配的問(wèn)題。在這兩種電平之間三極管Q1充當邏輯電平轉換的角色。 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使得放大倍數為55，C5使高頻信號旁路，R3和R4偏置放大器的輸入到一個(gè)實(shí)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(gè)中值附近上下振動(dòng)。接收換能器的高F 值阻止了40kHz外的無(wú)效信號。運算放大器的通過(guò)MSP430 的引腳P1.6輸出接入比較器Comparator_A的CAO。Comparator_A的內部參考電壓設置為0.5Vcc。沒(méi)有超聲波回聲信號時(shí)，CAO的電平略低于 CA1的參考電壓；當接收到回聲信號時(shí)，電壓高于參考電壓并使Comparator_A的輸出CAOUT翻轉。R3用于微調所需靈敏度和優(yōu)化測量范圍。 U5為串行通信轉換芯片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(guò)標準通信協(xié)議RS-485接收上位機指令進(jìn)行測量后，芯片SN65HVD10的B，A口發(fā)送數據給上位機。 MSP430和超聲波信號放大電路由9V電池通過(guò)T1的電壓轉換芯片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(shí)現芯片正常功能所需的推薦電容值。發(fā)送驅動(dòng)直接由9V供電。開(kāi)關(guān)S1是電源主開(kāi)關(guān)。 2.3.3 軟件設計 運用MSP430系列單片機豐富的片內資源和簡(jiǎn)潔的內核指令，可編制出性能優(yōu)良的源程序。裝置采用flash型芯片MSP43012x，內有JTAG調試接口，只需一臺PC機和一個(gè)JTAG 調試器即可完成程序寫(xiě)入。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。 系統具有率性。MSP430系列具有16位RISC結構，大量寄存器，較高的處理速度，可以編制出率的源代碼。 系統具有高實(shí)時(shí)性。系統初始化后將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(wù)程序里驅動(dòng)發(fā)送換能器發(fā)出12個(gè)周期的40kHz方波信號，并允許定時(shí)器Timer_A 的捕捉中斷，同時(shí)定時(shí)器Timer_A 用于記數40kHz的晶振頻率。比較器Comparator_A 接收到回聲信號觸發(fā)定時(shí)器Timer_A 的捕捉功能來(lái)獲得捕捉/比較寄存器CCR1中的記數值。單片機計算出系統到目標的距離，通過(guò)查預先設置在程序中的溫度和聲速關(guān)系的列表進(jìn)行測量數據的溫度補償，得出液位的相關(guān)數據，并將數據通過(guò)通信電纜傳輸至上位機。然后MSP430進(jìn)入LMP3睡眠模式。由串行通信中斷信號喚醒MSP430重復下一個(gè)測量周期。 系統具有高穩定性。如果晶體振蕩器在用作CPU，時(shí)鐘時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，程序中可將DCO設置成40kHz來(lái)保證系統正常工作。在程序中設置看門(mén)狗，一旦程序跑偏，可用看門(mén)狗將其復位。 3 系統通信 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(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)的標準通信協(xié)議RS485方式，在計算機和液位計間有RS485/RS232通信轉換裝置。若干個(gè)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(guò)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據，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(dòng)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(shí)，考慮到現場(chǎng)情況，分別在主水倉和副水倉進(jìn)水口各安裝一組超聲波明渠流量計。取連續一周的樣本，由試驗數據得知流量計的平均誤差為1.34%，zui大誤差為1.90%，說(shuō)明本裝置能夠實(shí)現對礦井水流量的實(shí)時(shí)監測；同時(shí)在實(shí)驗中發(fā)現，由于液位計采用電池供電，系統長(cháng)時(shí)間運行將對測量精度有影響。 5 結語(yǔ) 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(mǎn)足煤礦設備的本安防爆特性，整個(gè)儀器電路簡(jiǎn)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測系統中能夠有效監測排水流量，為實(shí)時(shí)監測井下生產(chǎn)狀態(tài)提供了可能。 在孔莊礦的實(shí)踐證明，超聲波明渠流量計測量精度較高，運行安全可靠、穩定有效。但也需要進(jìn)一步完善，通過(guò)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。
式中，k和α為流量系數，依喉部尺寸不同而異。
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