基于紅外掃描裝置的轉載機煤量監測技術研究

孫鵬亮，吳少偉

（1.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京 100011；2.中煤華晉集團有限公司，山西 河津 043300）

1 紅外掃描裝置原理研究

紅外掃描裝置對煤量的掃描計算，主要是根據紅外線測距原理。通過紅外線發射裝置發出的紅外線光束，直接投射到綜采工作面的轉載機上，根據轉載機上不同的介質在接收到紅外線光束后發生反射作用，紅外線接收裝置再對反射的光束進行接收，根據發射和接收的時間差值計算紅外線傳播的距離。紅外線具有這一特性主要得益于其穿越其他物質時折射率很小，這種測距方法可分為相位法、三角測距法、時間差測距法等。相位法即通過高頻調制發射光，利用相位計比較發射信號與接收信號的相位，得到調制光在往返時引起的相移，從而得到往返時間t，再根據光速求出距離D。這種方法的測量范圍在300~1000 m，它雖然不需要高速待膩子器件來測量時間，但其測量精度依賴于頻率產生電路與差頻測量電路，從而造成其電路造價的升高。三角測量法是在紅外線發射裝置、被測物體以及紅外線接收裝置三者之間形成一個三角關系，通過三角形關系中的邊、高距離測算方法，來推演測量裝置距離目標的實際距離。該方法的有效使用距離為米級，適合于近距離測量，主要用于機器人障礙識別、汽車避障等。時間差測距法是測量從紅外線發射到紅外線接收的時間間隔t，通過光速c即可得到測量距離D。這種方法快速直接，且距離D與時間t成線性關系，理論上可測出任意范圍的距離。但由于光速c很大，時間間隔t很小，受電子技術及電子器件速度的限制，實際上無法無窮小地測量時間，故該方法僅適合遠距離測量（大于1 km）。因此結合上述特點，根據實際工況，在選用紅外測距方法上選用三角測量原理進行測量[1]。

紅外三角測距法的結構原理如圖1所示，包括校準光束、準直透鏡及光電位置檢測器PSD元件。

圖1 紅外三角測距法原理圖

校準光束為紅外線光源發射裝置直接發射的紅外線光束，該光束在遇到物體后會形成多個方向的反射，其中一定角度的光束反射回來，被紅外線接收裝置檢測并接收。再通過透鏡原理將反射回來的光束進行處理，在感知器件上得到感應。如圖1所示。反射回來的紅外光線被光電位置檢測器件PSD檢測到后會獲得一個偏移值x，由三角關系可知，在知道了中心矩LD、凸透鏡的焦距f以后，測量出偏移距x，則傳感器到物體的距離D即可通過幾何關系

得到：

該檢測距離為諸多紅外線發射光束中的一個點，為了實現對轉載機全斷面的煤量監測，將發射點進行旋轉，實現高密度的面發射，進而覆蓋整個轉載機的斷面，再從每個發射的紅外線中獲取對應的發射曲線，進而實現對橫斷面全部煤量的紅外線的掃描。為了滿足精準測量，通過轉載機空載測試值和帶載測試值進行對比，進行差值計算，則可獲取在轉載機橫斷面上的煤量。

當轉載機空載時，通過紅外線接收裝置獲取到轉載機上某一點的數值為D1；當轉載機帶載時通過紅外線接收裝置獲取到轉載機上某一點的數值為D1’，通過計算可以得出轉載機斷面該位置的高度為H；發射裝置在上個角度到這個角度之間，旋轉的角度導致被測物體的寬度存在一定的變化，該變化量可以設為Δx，通過積分原理，可以將該變化量Δx視為無限小，則可對紅外發射裝置在每次旋轉過程進行面積計算，每個計算單元的面積為

當擴展到整個斷面時，

通過上述求和公式，對每個單位面積的數據進行累加計算，可獲得整個斷面的面積。該面積為轉載機有煤狀態和空載狀態的差值面積，即轉載機上的煤量，通過變頻器數據獲取轉載機電機運行的頻率和速度，通過以下公式來獲得轉載機上的煤量

式中，M為轉載機上的煤量；V為轉載機運行的速度；S為轉載機斷面的瞬時煤量；ρ為煤的密度。

2 煤量掃描計算方法

轉載機的煤量掃描裝置采用紅外線掃描儀的傳感方式來對轉載機上的煤量進行掃描，煤量瞬時掃描裝置及原理如圖2所示，該套裝置采用1臺二維紅外線測距儀，垂直懸掛在轉載機中部槽的上方，通過該裝置對運行的轉載機進行數據采集，在采集過程中紅外線測距儀會不斷向中部槽發射光束，同時紅外線接收裝置會不斷接收發射裝置發射出的紅外線，裝置內部結構設計原理如圖3所示，該裝置還會按照設計的角度不停高速轉動，進而實現對煤量輪廓的掃描[2]。

圖2 煤量掃描裝置煤量識別原理圖

圖3 煤量掃描裝置內部原理圖

轉載機上煤量的負荷與其他系統稍有區別，底層整體為平面煤量整體覆蓋在該平面上，因此煤量也基本均勻分布在轉載機中部槽上，在煤量體積計算方面，可將底部設定為標準的平面，煤量的高度為掃描儀掃描到每個點的高度H負荷，在空載時該點的理論高度為H空，則該點煤量的高度為

H負荷可通過實際測量獲取，H空可通過在空載時掃描儀對轉載機中部槽進行不斷掃描、學習獲取，通過學習獲取一個標準值，在實際使用過程中H空就是該標準值。通過積分原理，將轉載機處的煤量可以劃分為無限個矩形進行計算，則單個矩形的面積為

再通過轉載機運行的速度，即可獲得轉載機上煤量的體積V即

結合煤的密度以及轉載機上煤的碎漲系數即可獲得轉載機上瞬時的煤量負荷M

式中，K為碎漲系數；ρ為煤的密度；V為體積。

3 實際應用情況

王家嶺煤礦智能化開采工作面煤量掃描系統安裝于順槽轉載機處，對轉載機的瞬時煤量進行掃描，設備安裝完畢后便進行設備調試及使用，設備外觀及具體安裝情況如圖4所示。

圖4 煤量掃描裝置及井下安裝使用情況

經過近兩個月的使用，設備的檢測數據基本能夠反應轉載機上煤量實時的變化情況，能夠與當天的產量數據相匹配，具體監測界面及數據情況如圖5所示。

圖5 實際使用效果圖

該裝置根據實際的設備運行情況進行實時監測并顯示、存儲每天的煤量數據，經計算發現，每天的監測數據與實際的生產數據基本吻合，監測誤差不大于10%，某一時間段內，具體監測數據如表1所示。

表1 某時間段內每天產量監測數據報

系統能夠根據實時的煤炭產量將監測數據通過圖標的方式進行顯示，顯示內容可以分為瞬時煤量值和累計煤量值，具體監測界面如表6和表7所示。

圖6 累計煤量

圖7 瞬時煤量

轉載機還能夠根據實時的負荷對轉載機進行變頻調速，當轉載機負荷超過80%，進行第一檔調速，當負荷值穩定在80%以下時維持原有速度。充分保證轉載機的合理運量及負荷，讓系統穩定運行，提高設備的運行效率。

4 結束語

煤量掃描裝置能夠通過對轉載機處的煤量進行有效掃描，提供可靠的煤量負荷數據，對轉載機的調速控制提供有效依據，保障了系統的穩定運行。但設備在使用過程中需要對空載和負載狀態進行大量的建模學習，通過反復的驗證才能夠提供一組有效的數據。該數據能夠與整個工作面的產量初步匹配，但其精確度及檢驗方法仍具有一定的提升空間?！?/p>