礦井水排放流量監測技術開發與研究

郝曉明 寇彥飛

（1.山西離柳焦煤集團 山西省太原市 030006 2.中北大學機械工程學院 山西省太原市 030006）

流量作為礦井水排放過程中的關鍵技術參數可反映整個排水系統的運行狀態，是判斷排水系統相關設備運行是否正常的重要參考指標，因此對礦井水排放流量的監測是整個排水系統中必不可少的一部分[1]。目前超聲波流量計和電磁流量計是使用最廣泛的兩種流量監測傳感器，但是在礦井水中還有大量的雜質，類如煤泥、廢機油等污染物，同時考慮到排水管道的緊湊布置，因此以超聲波測流量原理設計了專用于礦井水排放的流量傳感器。

1 超聲波流量傳感器的設計

1.1 超聲波測流量原理

超聲波測流量采用的方法一般為時差法、頻率差法、相位差法，在此考慮到現場工況，采用時差法測量流量[2,3]。時差法的工作原理如圖1 所示，根據聲波逆流和順流傳播的時間差計算出流體的流速，具體計算方法如公式1 ～4 所示。

圖1 中θ 為聲波的發射角度，當液體沿管路平行流動時也表示為聲波與礦井水流動方向的夾角，Tup為聲波反射到被接收所用的時間，此時與流量方向相同，也即聲波正向傳播時間，Tdown為傳感器發射聲波到聲波接觸管壁所用的時間，與水流向相反，因此為逆方向上的傳播時間。

設置礦井水流速為v，聲波的傳播距離為L，那么超聲波在礦井水中的實際傳播速度co為聲速c 和礦井水流速帶來的速度分量vcosθ 的矢量和：

則分別可以計算出正向傳播時間和逆方向傳播時間：

1.2 硬件和軟件設計

硬件系統的設計如圖2 所示，微處理器采用了MSP430FG4618實現超聲波的收發控制以及數據處理。超聲波時差測量電路是保證測量準確的關鍵，因此選擇了德國ACAM 公司的TDC-GP2 測量電路，其包含有高速脈沖發生器，時鐘控制等功能，非常適合于時差測量方法。由微處理器和時差測量電路組成了流量傳感器的主要部分，外圍的超聲波收發電路實現輸出信號的放大，雙極放大可調增益電路實現輸入信號的放大，再結合LCD 顯示屏、鍵盤等實現傳感器數據的輸入與顯示。

圖1：時差法超聲波流量計原理示意圖

圖2：硬件設計框圖

圖3：程序流程圖

圖3 為流量傳感器程序流程圖，流量計開始工作后首先初始化各個模塊，使參數重置為預設值。初始化參數也可通過鍵盤設置，輸入流量參數后可以將其存儲到系統存儲器中代替原有的預設值。對不同工況也可通過鍵盤隨時調整參數使達到增益效果。開始數據采集后對采集到的數據進行濾波處理消除噪聲，通過時差測量電路確定信號的時間基準點并記錄，得到時差并計算出流速，在顯示屏上顯示，并將數據實時發送到上位機中顯示。

表1：基本功能試驗結果

表2：本安試驗測試結果

圖4：傳感器外殼結構設計

圖5：流量計實物示意圖

1.3 本安電路設計

圖6：試驗平臺示意圖

圖7：不同轉速下流量傳感器測量結果對比

根據煤礦安全規程的相關規定以及GB3836.4-2000 中對本安電路系統設計的相關規定，這在對超聲波流量計的設計中必須考慮到，例如在濕熱前后流量傳感器電路和外殼之間的絕緣電阻分別必須大于規程規定的100MΩ 和1MΩ；在工頻耐壓試驗中，要求流量傳感器的電路和外殼之間可以承受50Hz，500V 的交流電，而且在1 分鐘的測試過程中不能出現外殼被擊穿等現象；這就對傳感器外殼的材質有一定要求，可以全部采用2mm 厚的鋼板進行焊接制作，附有涂層，使其結構牢固，并具有耐高溫、耐腐蝕等特性。而且在外殼上顯示屏、按鍵與外殼之間必須采用一定的手段進行密封，使其完全達到相關規定中IP54 等級的外殼防護要求。本文所設計的外殼結構外形如圖4 所示，生產制造出的流量計實物如圖5 所示。

2 試驗結果與討論

為驗證該流量計的穩定性與準確性，在流速可調的水循環實驗系統對所設計的流量傳感器進行測試，試驗平臺如圖6 所示，由三向異步電機驅動水泵轉動，水流通過管路重新流回水箱中再不斷由泵輸出到管路中，使得水流不斷循環。試驗系統中電機選用的型號為YE2-80S-2，水泵選用的型號為1H50-32-125A，通過變頻器實現電機的轉速控制，檢定智能電磁流量計選用的型號為ISF1010C13D-L5DM23，將其測量結果與本文所設計的超聲波傳感器檢測結果進行比較，結果如圖7 所示。圖7 橫坐標為設置的旋轉頻率，縱坐標為通過管路的流量，可以看出轉頻由0-50Hz 變化，整個過程中本文設計的超聲波傳感器與檢定的電磁傳感器采集得到的數據趨勢基本一致，再轉頻低于11Hz 的時候測量得到的流量為零，之后轉頻增加流量出現一個波動，這是由于水泵開始突然排水造成的沖擊，流量穩定后開始隨著轉頻增大逐漸增加，在轉頻為50Hz 的時候排水流量達到最大為24m3/h。

在管路上同一測點安裝傳感器，并將系統持續運行兩天后選取3 個不同的流速點進行測量，不同流速下至少測量3 次，測量得到的結果如表1 所示，可以看到流量值誤差最大為1.20%，分別出現在流速為0.30m/s 和0.71m/s 情況下。對同一流速下測量結果比較可以看出重復性最大誤差為0.30%，滿足礦山要求的準確性±1.5%和重復性0.5%的指標要求。

本安試驗測試結果如表2 所示，從測試結果得到本安參數：Ui：DC18.5V，Ii：85mA，Ci:0μF，Li:0mH。完全符合之前定制的指標參數，能滿足煤礦使用需求。

3 結語

針對煤礦排水系統，開發研究了管路流量監測傳感器，基于超聲波時差測量原理設計了傳感器的硬件和軟件方案，并考慮到煤礦相關規程設計了本安電路需要到達的技術指標，通過試驗對所設計傳感器的進行測試，結果表明傳感器達到對管道流量的準確監測，同時符合煤礦安全規程要求。