膏體充填管道流量在線檢測(cè)系統(tǒng)

王桂梅，張帥

(河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北邯鄲056038)

膏體充填管道流量檢測(cè)不同于一般的勻質(zhì)管道流量檢測(cè)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)膏體充填管道流量的在線檢測(cè)，文中運(yùn)用超聲波檢測(cè)膏體中流速信息，進(jìn)而檢測(cè)膏體的流量。DSP 實(shí)時(shí)采集處理后的電壓信號(hào)，然后輸出數(shù)字信號(hào)，并與PLC 進(jìn)行通信，上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC 通過(guò)與西門子PLC 通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)膏體充填管道流量的在線顯示。

1 課題背景及意義

我國(guó)“三下”壓煤量大，煤炭資源的人均擁有量少，嚴(yán)重影響煤礦的正常生產(chǎn);常規(guī)的垮落法開采會(huì)造成很多損害，如地表建筑物損毀等;當(dāng)今，大量煤矸石直接露天堆積，這不但對(duì)環(huán)境造成污染，而且還占用很多耕地。這些問(wèn)題亟待通過(guò)創(chuàng)新型開采技術(shù)予以解決。

充填開采可減少井下采空區(qū)瓦斯的聚集空間，從而降低采空區(qū)瓦斯爆炸等事故發(fā)生的可能性;可抑制煤層移動(dòng)，減少煤礦事故的發(fā)生;可充分對(duì)邊角殘煤和“三下”壓煤進(jìn)行回收;可大量使用煤矸石，減少對(duì)耕地的占用，保護(hù)煤礦周邊的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)資源的開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

為了充分利用資源，提高煤礦的綜合效益和煤礦的可持續(xù)發(fā)展，減小對(duì)地下水系的破壞程度，重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是嚴(yán)格控制充填計(jì)量。但是，由于充填管道的管線長(zhǎng)、流速不均勻并且含有大顆粒煤矸石(最大粒徑25 mm)等因素影響，膏體充填管道流量檢測(cè)不同于一般的勻質(zhì)管道流量檢測(cè)，目前尚無(wú)成熟、可行的方法。一般的電磁流量計(jì)，只能檢測(cè)均勻介質(zhì)的流量，并不能滿足膏體充填管道流量檢測(cè)。因此，急需一種膏體充填流量計(jì)量裝置。文中針對(duì)這一問(wèn)題提出了具體的解決方案。

2 膏體充填管道流量檢測(cè)方法

膏體充填管道流量檢測(cè)較為可行的方法有差壓檢測(cè)法、電容式傳感器檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法等。

差壓檢測(cè)法。當(dāng)膏體流過(guò)橫截面變化的管道時(shí)，其動(dòng)能和靜壓能互相轉(zhuǎn)換，膏體的動(dòng)量也隨之發(fā)生變化，使得在這些不同橫截面之間形成壓力差，這個(gè)壓力差與流過(guò)的流量存在著一定的比例關(guān)系。但是，差壓測(cè)量法需要改變管道的直徑，而膏體中含有大顆粒煤矸石(最大粒徑25 mm)，這樣容易造成充填管道的阻塞。

電容式傳感器檢測(cè)法。當(dāng)膏體流經(jīng)電容傳感器的敏感場(chǎng)區(qū)域時(shí)，膏體中的液/液、氣/液相可作為電介質(zhì)，由于不同相介質(zhì)的介電常數(shù)不同，膏體中離散相的濃度也會(huì)隨流體的流動(dòng)而發(fā)生隨機(jī)變化，導(dǎo)致膏體等效介電常數(shù)發(fā)生變化，使得電容傳感器的電容測(cè)量值也隨之發(fā)生變化，從而可以得到膏體的流速等相關(guān)的信息。但是，電容式傳感器測(cè)量法隨著膏體的流速不同，測(cè)量誤差會(huì)隨之增大，而膏體輸送管道內(nèi)漿體流速不均勻，使得電容式傳感器不能精確測(cè)量。

超聲波檢測(cè)法。超聲波技術(shù)用于流量測(cè)量主要是依據(jù)膏體的速度信息能加載到射入到膏體的超聲波中，根據(jù)接收的超聲波信號(hào)就可以檢測(cè)膏體的流速，進(jìn)而計(jì)算得到膏體的流量。該檢測(cè)法是把檢測(cè)元件置于管道外側(cè)不與膏體直接接觸，因此不會(huì)破壞膏體的流場(chǎng)，特別是超聲波可以從較厚的管道外側(cè)測(cè)量管內(nèi)膏體的流速，不需改造原管道，就能滿足膏體充填管道的要求。

因此，文中選用超聲波檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)膏體充填管道的流量檢測(cè)。

3 超聲波檢測(cè)法

膏體內(nèi)部包含與流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的噪聲信號(hào)，并且具有一定的統(tǒng)計(jì)特性。這種噪聲信號(hào)對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制包含相位和幅頻調(diào)制。接收的超聲波信號(hào)會(huì)加載流動(dòng)噪聲信號(hào)，其中就包含了流速信號(hào)。在超聲波檢測(cè)系統(tǒng)中，利用超聲波傳感器檢測(cè)流動(dòng)噪聲信號(hào)并處理，從中提取出包含膏體速度的噪聲信號(hào)。膏體的流動(dòng)速度可根據(jù)膏體流過(guò)間距一定的兩截面的時(shí)間獲得，進(jìn)而可以計(jì)算得到膏體的流量。其原理如圖1 所示。

圖1 超聲波檢測(cè)法原理

沿著管道的軸線方向安置間距為L(zhǎng) 且性能完全相同的超聲波傳感器，按照膏體流動(dòng)方向，稱之為1、2 號(hào)傳感器。系統(tǒng)開始工作時(shí)，1、2 號(hào)傳感器分別向膏體充填管道內(nèi)發(fā)射強(qiáng)度一定的超聲波，并且被膏體中的噪聲信號(hào)調(diào)制，然后接收器接收經(jīng)噪聲信號(hào)調(diào)制過(guò)的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)解調(diào)，分別從1、2 號(hào)傳感器中提取出有用的噪聲信號(hào)x(t)和y(t)，然后將提取出來(lái)的噪聲信號(hào)x(t)和y(t)做互相關(guān)運(yùn)算從而得到互相關(guān)函數(shù) Rxy(τ)，Rxy(τ) =當(dāng)兩傳感器之間的間距L 在某一范圍內(nèi)時(shí)，膏體中的流動(dòng)噪聲信號(hào)x(t)和y(t)有一定的相似性，它們的互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)的圖形中出現(xiàn)一個(gè)峰值，如圖2 所示。

圖2 流動(dòng)噪聲信號(hào)及其互相關(guān)函數(shù)圖形

圖2 中，Rxy(τ)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間位移τ0即為膏體在理想狀態(tài)下從1 號(hào)到2 號(hào)傳感器的渡越時(shí)間。在該檢測(cè)系統(tǒng)中，1、2 號(hào)傳感器之間的距離足夠小，并且1、2 號(hào)傳感器前后的直管段比較長(zhǎng)，當(dāng)膏體從1、2 號(hào)傳感器之間流過(guò)時(shí)，膏體之間相對(duì)流動(dòng)變化較小，因此膏體的速度vcp為:vcp=L/τ0。

充填管道的橫截面積為定值S，通過(guò)測(cè)得的膏體流速vcp可計(jì)算得到膏體充填管道的流量:Q = S·vcp=S· L/τ0。

4 在線檢測(cè)

4.1 在線檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

檢測(cè)系統(tǒng)如圖3 所示，包括超聲波檢測(cè)模塊、西門子PLC 和上位機(jī)組態(tài)軟件。

圖3 在線檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

超聲波檢測(cè)模塊中，發(fā)射電路在換能器壓電元件上加載電能，將超聲波發(fā)射到膏體充填管道。

超聲波在膏體中進(jìn)行傳播時(shí)，噪聲信號(hào)對(duì)超聲波進(jìn)行調(diào)制(幅頻調(diào)制和相位調(diào)制)。當(dāng)接收電路接收調(diào)制信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行濾波、放大和解調(diào)，從而去除高頻信號(hào)得到所需的低頻信號(hào)，即含有膏體流速信息的信號(hào)，然后A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后傳輸至DSP。

上位機(jī)組態(tài)軟件不能直接和DSP 建立通信，DSP與PLC 進(jìn)行通信，接受PLC 發(fā)出的控制指令并將處理后的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給PLC。利用DSP 高速的數(shù)據(jù)處理功能，DSP 不斷地采集經(jīng)過(guò)處理的電壓信號(hào)，然后輸出數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該檢測(cè)系統(tǒng)的控制。DSP 通過(guò)RS485 總線和PLC 通信。

上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC 在變量管理器中選擇添加PLC 驅(qū)動(dòng)程序，配置PROFIBUS 協(xié)議系統(tǒng)參數(shù)并建立邏輯連接，在連接中加入變量并設(shè)置變量(包括變量名、數(shù)據(jù)類型、變量地址等)完成與西門子PLC通信連接。

4.2 系統(tǒng)工作過(guò)程

開啟膏體充填管道流量在線檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置各檢測(cè)參數(shù)。DSP 程序?qū)⒖刂菩盘?hào)發(fā)送到高頻振蕩電路觸發(fā)脈沖，換能器發(fā)射超聲波。接收電路接收調(diào)制信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行濾波、放大和解調(diào)，去除高頻信號(hào)分離出含有膏體流速信息的低頻信號(hào)，A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后傳輸給DSP 模塊。通過(guò)DSP 模塊計(jì)算得到膏體流動(dòng)噪聲信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，再根據(jù)實(shí)時(shí)采集的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸給西門子PLC，PLC 將數(shù)據(jù)即膏體流量在上位機(jī)WinCC 上顯示出來(lái)。

5 結(jié)論

超聲波傳感器具有較高的精度和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng);用該方法成功實(shí)現(xiàn)對(duì)膏體充填管道的流量檢測(cè);WinCC 具有良好的通用性，檢控效果良好，操作員可及時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)膏體充填管道流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

［1］趙學(xué)義，陳潔，吳淼，等．高濃度黏稠物料管道輸送實(shí)驗(yàn)研究與工業(yè)應(yīng)用［J］．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2004(7):25－27．

［2］錢鳴高，繆協(xié)興，許家林．資源與環(huán)境協(xié)調(diào)(綠色)開采［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(1):1－7．

［3］祝海林，鄒旻．管道流量非接觸測(cè)量——方法與技術(shù)［M］．北京:氣象出版社，1999．

［4］劉迎春．傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:國(guó)防科技大學(xué)出版社，1997．

［5］張新國(guó)，劉征．間接式泥漿泵體積流速流量測(cè)量?jī)x的研制［J］．蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1993，29(3):99－104．

［6］劉會(huì)勇，李偉，趙青．基于超聲波互相關(guān)法的混凝土泵排量計(jì)量方法研究［J］．機(jī)床與液壓，2010，38(19):13－17．

［7］馬希金，邵蓮，黃躍權(quán)．相關(guān)流量計(jì)量技術(shù)綜述［J］．流體傳動(dòng)與控制，2008(1):33－37．

［8］劉冬，陳碩．DSP 與PC 機(jī)間的串行通信［J］．控制工程，2003，10(2):131－133．

［9］蘇云，潘豐，肖應(yīng)旺．基于組態(tài)王與PLC 的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)［J］．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2004(2):53－55．

［10］賈恩明，段建民，李大慶．基于DSP 和PLC 的污水處理控制系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2006(4):24－26．