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(zhì)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(shù)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(chǎn);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(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(zhì)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(zhì)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(jīng)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(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隨流體的流動而發(fā)生隨機變化，導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(nèi)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(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(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(nèi)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(diào)制，調(diào)制包含相位和幅頻調(diào)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(jù)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(nèi)發(fā)射強度一定的超聲波，并且被膏體中的噪聲信號調(diào)制，然后接收器接收經(jīng)噪聲信號調(diào)制過的超聲波信號，經(jīng)過適當?shù)男盘柦庹{(diào)，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(shù) Rxy(τ)，Rxy(τ) =當兩傳感器之間的間距L 在某一范圍內(nèi)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(shù)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(shù)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(diào)制(幅頻調(diào)制和相位調(diào)制)。當接收電路接收調(diào)制信號后，對其進行濾波、放大和解調(diào)，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(shù)據(jù)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(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)過處理的電壓信號，然后輸出數(shù)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(qū)動程序，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(shù)。DSP 程序?qū)⒖刂菩盘柊l(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)制信號并對其進行濾波、放大和解調(diào)，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(shù)據(jù)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(shù)，再根據(jù)實時采集的檢測數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行處理，然后將處理過的數(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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