膏體充填管道流量在線檢測系統(tǒng)

王桂梅，張帥

(河北工程大學機電學院，河北邯鄲056038)

膏體充填管道流量檢測不同于一般的勻質管道流量檢測，為了實現(xiàn)對膏體充填管道流量的在線檢測，文中運用超聲波檢測膏體中流速信息，進而檢測膏體的流量。DSP 實時采集處理后的電壓信號，然后輸出數字信號，并與PLC 進行通信，上位機組態(tài)軟件WinCC 通過與西門子PLC 通信，實現(xiàn)對膏體充填管道流量的在線顯示。

1 課題背景及意義

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

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，減少煤礦事故的發(fā)生;可充分對邊角殘煤和“三下”壓煤進行回收;可大量使用煤矸石，減少對耕地的占用，保護煤礦周邊的生態(tài)環(huán)境，促進資源的開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(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，減小對地下水系的破壞程度，重要的一個環(huán)節(jié)就是嚴格控制充填計量。但是，由于充填管道的管線長、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不同于一般的勻質管道流量檢測，目前尚無成熟、可行的方法。一般的電磁流量計，只能檢測均勻介質的流量，并不能滿足膏體充填管道流量檢測。因此，急需一種膏體充填流量計量裝置。文中針對這一問題提出了具體的解決方案。

2 膏體充填管道流量檢測方法

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

差壓檢測法。當膏體流過橫截面變化的管道時，其動能和靜壓能互相轉換，膏體的動量也隨之發(fā)生變化，使得在這些不同橫截面之間形成壓力差，這個壓力差與流過的流量存在著一定的比例關系。但是，差壓測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。

電容式傳感器檢測法。當膏體流經電容傳感器的敏感場區(qū)域時，膏體中的液/液、氣/液相可作為電介質，由于不同相介質的介電常數不同，膏體中離散相的濃度也會隨流體的流動而發(fā)生隨機變化，導致膏體等效介電常數發(fā)生變化，使得電容傳感器的電容測量值也隨之發(fā)生變化，從而可以得到膏體的流速等相關的信息。但是，電容式傳感器測量法隨著膏體的流速不同，測量誤差會隨之增大，而膏體輸送管道內漿體流速不均勻，使得電容式傳感器不能精確測量。

超聲波檢測法。超聲波技術用于流量測量主要是依據膏體的速度信息能加載到射入到膏體的超聲波中，根據接收的超聲波信號就可以檢測膏體的流速，進而計算得到膏體的流量。該檢測法是把檢測元件置于管道外側不與膏體直接接觸，因此不會破壞膏體的流場，特別是超聲波可以從較厚的管道外側測量管內膏體的流速，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法實現(xiàn)膏體充填管道的流量檢測。

3 超聲波檢測法

膏體內部包含與流動狀態(tài)相關的噪聲信號，并且具有一定的統(tǒng)計特性。這種噪聲信號對超聲波信號進行調制，調制包含相位和幅頻調制。接收的超聲波信號會加載流動噪聲信號，其中就包含了流速信號。在超聲波檢測系統(tǒng)中，利用超聲波傳感器檢測流動噪聲信號并處理，從中提取出包含膏體速度的噪聲信號。膏體的流動速度可根據膏體流過間距一定的兩截面的時間獲得，進而可以計算得到膏體的流量。其原理如圖1 所示。

圖1 超聲波檢測法原理

沿著管道的軸線方向安置間距為L 且性能完全相同的超聲波傳感器，按照膏體流動方向，稱之為1、2 號傳感器。系統(tǒng)開始工作時，1、2 號傳感器分別向膏體充填管道內發(fā)射強度一定的超聲波，并且被膏體中的噪聲信號調制，然后接收器接收經噪聲信號調制過的超聲波信號，經過適當的信號解調，分別從1、2 號傳感器中提取出有用的噪聲信號x(t)和y(t)，然后將提取出來的噪聲信號x(t)和y(t)做互相關運算從而得到互相關函數 Rxy(τ)，Rxy(τ) =當兩傳感器之間的間距L 在某一范圍內時，膏體中的流動噪聲信號x(t)和y(t)有一定的相似性，它們的互相關函數Rxy(τ)的圖形中出現(xiàn)一個峰值，如圖2 所示。

圖2 流動噪聲信號及其互相關函數圖形

圖2 中，Rxy(τ)峰值所對應的時間位移τ0即為膏體在理想狀態(tài)下從1 號到2 號傳感器的渡越時間。在該檢測系統(tǒng)中，1、2 號傳感器之間的距離足夠小，并且1、2 號傳感器前后的直管段比較長，當膏體從1、2 號傳感器之間流過時，膏體之間相對流動變化較小，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，通過測得的膏體流速vcp可計算得到膏體充填管道的流量:Q = S·vcp=S· L/τ0。

4 在線檢測

4.1 在線檢測系統(tǒng)流程圖

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

圖3 在線檢測系統(tǒng)流程圖

超聲波檢測模塊中，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。

超聲波在膏體中進行傳播時，噪聲信號對超聲波進行調制(幅頻調制和相位調制)。當接收電路接收調制信號后，對其進行濾波、放大和解調，從而去除高頻信號得到所需的低頻信號，即含有膏體流速信息的信號，然后A/D 轉換器對其進行數據采集，最后傳輸至DSP。

上位機組態(tài)軟件不能直接和DSP 建立通信，DSP與PLC 進行通信，接受PLC 發(fā)出的控制指令并將處理后的檢測數據傳輸給PLC。利用DSP 高速的數據處理功能，DSP 不斷地采集經過處理的電壓信號，然后輸出數字信號，從而實現(xiàn)對該檢測系統(tǒng)的控制。DSP 通過RS485 總線和PLC 通信。

上位機組態(tài)軟件WinCC 在變量管理器中選擇添加PLC 驅動程序，配置PROFIBUS 協(xié)議系統(tǒng)參數并建立邏輯連接，在連接中加入變量并設置變量(包括變量名、數據類型、變量地址等)完成與西門子PLC通信連接。

4.2 系統(tǒng)工作過程

開啟膏體充填管道流量在線檢測系統(tǒng)，設置各檢測參數。DSP 程序將控制信號發(fā)送到高頻振蕩電路觸發(fā)脈沖，換能器發(fā)射超聲波。接收電路接收調制信號并對其進行濾波、放大和解調，去除高頻信號分離出含有膏體流速信息的低頻信號，A/D 轉換器對其進行數據采集，然后傳輸給DSP 模塊。通過DSP 模塊計算得到膏體流動噪聲信號的互相關函數，再根據實時采集的檢測數據對數據進行處理，然后將處理過的數據傳輸給西門子PLC，PLC 將數據即膏體流量在上位機WinCC 上顯示出來。

5 結論

超聲波傳感器具有較高的精度和良好的動態(tài)響應;用該方法成功實現(xiàn)對膏體充填管道的流量檢測;WinCC 具有良好的通用性，檢控效果良好，操作員可及時了解系統(tǒng)的運行情況，成功實現(xiàn)對膏體充填管道流量的實時檢測。

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