超聲波明渠流量計在監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用：

      1 概述

      在煤礦開采過程中,，礦井水由井下排水泵提升至預沉調(diào)節(jié)池,，自流進入吸水井。對進入吸水井中的礦井水排水流量的實時監(jiān)測能夠得知井下工作狀態(tài),，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義,。

      目前井下排水流量為人工通過流量表測量獲得。流量表不易讀數(shù),，不能記憶累計流量,，更重要的是地面管理者不能及時得到信息。為此研制了超聲波明渠流量計,。其玻璃鋼“測井”耐腐蝕,、易安裝、電路簡單可靠,、故障率低,，整機測量精度高，能夠適用于各種環(huán)境,。

      2 超聲波明渠流量計研制

      明渠流量計由量水器具,、液位傳感器組成。安裝于井下測量現(xiàn)場,，傳感器通過電纜將測量數(shù)據(jù)傳輸給地面的上位機,。

      2.1 工作原理
      
      對明渠流量的測量方法主要有直接法和間接法兩大類,。直接法由于很難找出質(zhì)點運動速度與明渠中流體平均流速之間的關(guān)系，因此很少采用,。間接法是在明渠中安裝量水器具,，對被測流體形成約束阻力，從而在器具的上下游形成與明渠橫截面上平均流速有關(guān)的液位差,。如能保證量水器具下游出口處的液位不變,，則量水器具的上游液位即可反映明渠橫截面上的平均流速，進而達到明渠流量測量的目的,。間接法在明渠流量測量中應(yīng)用比較廣泛,。

      間接法所用的量水器具分為堰式和槽式兩大類，堰式量水器具z常用的是三角堰和矩形堰,。槽式量水器具z常用的是帕歇爾槽,，帕歇爾量水槽由上游收縮段、喉道段和下游擴散段3部分組成,。收縮段的槽底向下游傾斜,，擴散段槽底的傾斜方向與喉道槽底相反，其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。帕歇爾槽安裝在渠道上要牢固,，與渠道側(cè)壁、渠底連結(jié)要緊密,，不能漏水,。使水流全部流經(jīng)帕歇爾槽的計量部位，帕歇爾槽的計量部位是槽內(nèi)喉道段,。

      不論堰式還是槽式明渠流量計,，都是在渠道中加裝量水器具，流體通過量水器具時受到阻擋而使渠道定斷面處的液位h發(fā)生變化,，而通過渠道的流體流量q與h之間存在對應(yīng)關(guān)系,。因此，明渠流量計的研究工作主要由以下3部分組成：① 對于定的量水器具,，確定q與h之間對應(yīng)關(guān)系式,；② 準確測出液位h值；③ 計算出對應(yīng)的流量值并做相應(yīng)的輸出,。液位h值由超聲波液位計測得,，其換能器通過介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測物反射回來,，若可以測出*個回波到達的時間與發(fā)射脈沖間的時間差t,，利用h=tv/2（v為空氣中的聲速），即可算出測井中的液位。

      2.2 儀器安裝

      明渠流量計安裝在現(xiàn)場渠糟內(nèi),，量水器具采用帕歇爾水槽,，利用安裝在測井的超聲波液位計測得測井內(nèi)液位高度，液位計采用9V電池供電,，只需一根電纜與上位機進行通信,，避免了大量供電和通信電纜，以及供電電壓在線路上的損耗,。

      2.3 超聲波液位計設(shè)計

      液位計全部由低電壓,、低功耗的單片機、超聲波發(fā)射電路,、超聲波接收電路、串行接口電路,、電池供電電路等組成,，圖2為系統(tǒng)框圖。配備了一體化的超聲波發(fā)送接收模塊和遠程通信模塊,。超聲波發(fā)射接收電路與單片機相連,，單片機與串行接口相連。電池供電電路由其他電路供電,。

      2.3.1 設(shè)計說明

      超聲波換能器的工作原理是陶瓷的壓電效應(yīng),。測量過程中，聲波信號由發(fā)送換能器發(fā)出,，經(jīng)物體表面反射后由接收換能器接收,，可以測量聲波的整個運行時間，從而實現(xiàn)距離的測量,。液位計所用換能器是工作頻率為40kHz的陶瓷超聲波傳感器,，適用于中短程范圍測量，z大量程4m,，脈沖觸發(fā)模式工作,。此類傳感器適應(yīng)性強，可在-40~90℃環(huán)境下工作,，散射角z大15º,。為測量更，鑒于聲速受溫度影響z大,，測距數(shù)據(jù)處理過程采用溫度補償,。

      單片機驅(qū)動發(fā)送換能器發(fā)出12個周期40kHz方波信號，接收換能器接收回聲信號,。單片機MSP430的定時器用于記數(shù)40kHz的晶振頻率,，時間測量的分辨率為25μs測量系統(tǒng)來說是足夠了，是因為自石英晶振的測量時基非常穩(wěn)定。接收換能器接收到的回聲信號經(jīng)運算放大器放大后送給單片機的比較器,。比較器接收到回聲信號立即觸發(fā)定時器的捕捉功能來獲得捕捉/較寄存器中的記數(shù)值,。捕獲的數(shù)值就是超聲波從液位計發(fā)送換能器發(fā)出運行到目標，再從目標返回接收換能器的測量時間,。單片機利用這個時間計算出系統(tǒng)到目標的距離,，得出測井中的液位高度，并將數(shù)據(jù)通過通信電纜傳輸至上位機,。然后單片機CPU睡眠模式以達到省電目的,。由串行通信中斷信號喚醒CPU重復下一個測量周期。

      換能器輸出驅(qū)動電路由9V電池直接供電,，并提供18V的電壓來驅(qū)動換能器,。這個18V電壓由六反向器（U4 CD4049）組成的橋路獲得。一個反向器用來提供驅(qū)動器一側(cè)的180º相移信號,。另一側(cè)則由反向信號驅(qū)動,。設(shè)置使輸出電壓幅值加倍，這樣就以推挽的方式提供發(fā)送換能器18V電壓,。兩個反向器并聯(lián)是為了每側(cè)都能提供足夠的電流以驅(qū)動換能器,。電容C6和C7用來隔斷直流流入換能器。因為CD4049工作在9V,，而MSP430工作電壓是3.6V,，在MSP430和輸出驅(qū)動電路之間有個邏輯電平不匹配的問題。在這兩種電平之間三管Q1充當邏輯電平轉(zhuǎn)換的角色,。

      U3使用的是T1的五引腳的運算放大器TLV2771,，這種放大器有高增益帶寬，提供40kHz高增益信號,。運放設(shè)置成反向放大器狀態(tài),。R7和R5使得放大倍數(shù)為55，C5使高頻信號旁路,，R3和R4偏置放大器的輸入到一個實際的中值,，并提供給運算放大器的單輸入端，放大的超聲波信號在這個中值附近上下振動,。接收換能器的高F 值阻止了40kHz外的無效信號,。運算放大器的通過MSP430的引腳P1.6輸出接入比較器Comparator_A的CAO。Comparator_A的內(nèi)部參考電壓設(shè)置為0.5Vcc,。沒有超聲波回聲信號時,，CAO的電平略低于 CA1的參考電壓；當接收到回聲信號時,，電壓高于參考電壓并使Comparator_A的輸出CAOUT翻轉(zhuǎn),。R3用于微調(diào)所需靈敏度和優(yōu)化測量范圍。

      U5為串行通信轉(zhuǎn)換芯片SN65HVD10，工作電壓為3.3V,。單片機的串行通信口RXD,，TXD與SN65HVD10的R，D口相連,，P2.1口與SN65HVD10的RE,，DE口相連，通過標準通信協(xié)議RS-485接收上位機指令進行測量后,，芯片SN65HVD10的B,，A口發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機。

      MSP430和超聲波信號放大電路由9V電池通過T1的電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS77001提供3.6V電源,。電阻R1和R2設(shè)置使芯片電壓輸出3.6V,，C1和C2是實現(xiàn)芯片正常功能所需的推薦電容值。發(fā)送驅(qū)動直接由9V供電,。開關(guān)S1是電源主開關(guān),。

      2.3.3 軟件設(shè)計

      運用MSP430系列單片機豐富的片內(nèi)資源和簡潔的內(nèi)核指令，可編制出性能優(yōu)良的源程序,。裝置采用flash型芯片MSP43012x，內(nèi)有JTAG調(diào)試接口,，只需一臺PC機和一個JTAG 調(diào)試器即可完成程序?qū)懭?。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。

      系統(tǒng)具有率性,。MSP430系列具有16位RISC結(jié)構(gòu),，大量寄存器，較高的處理速度,，可以編制出率的源代碼,。

      系統(tǒng)具有高實時性。系統(tǒng)初始化后將CPU置于省電模式,，串行通信產(chǎn)生中斷喚醒程序,。在中斷服務(wù)程序里驅(qū)動發(fā)送換能器發(fā)出12個周期的40kHz方波信號，并允許定時器Timer_A 的捕捉中斷,，同時定時器Timer_A 用于記數(shù)40kHz的晶振頻率,。比較器Comparator_A 接收到回聲信號觸發(fā)定時器Timer_A 的捕捉功能來獲得捕捉/比較寄存器CCR1中的記數(shù)值。單片機計算出系統(tǒng)到目標的距離,，通過查預先設(shè)置在程序中的溫度和聲速關(guān)系的列表進行測量數(shù)據(jù)的溫度補償,，得出液位的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通信電纜傳輸至上位機,。然后MSP430進入LMP3睡眠模式,。由串行通信中斷信號喚醒MSP430重復下一個測量周期。

      系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性。如果晶體振蕩器在用作CPU,，時鐘時發(fā)生故障,，DCO會自動啟動，程序中可將DCO設(shè)置成40kHz來保證系統(tǒng)正常工作,。在程序中設(shè)置看門狗,，一旦程序跑偏，可用看門狗將其復位,。

      3 系統(tǒng)通信

      液位傳感器和上位機的通信方式選擇了具有可靠性高,、距離遠、通信速率較高,、性能價格比高等優(yōu)點的標準通信協(xié)議RS485方式,，在計算機和液位計間有RS485/RS232通信轉(zhuǎn)換裝置。若干個傳感器接在同一通信電纜上,，井下通信狀態(tài)如圖4所示,。計算機作為上位機通過通信給傳感器順序發(fā)出測量指令，傳感器順序返回測量數(shù)據(jù),，計算機計算并顯示當前各流量計流量和累計流量,，一旦流量有異常增大即自動報警。

      4 應(yīng)用情況

      孔莊礦-375水平吸水井有主水倉和副水倉,，4臺水泵,，2臺運行，1臺檢修,，1臺備用,。試驗時，考慮到現(xiàn)場情況,，分別在主水倉和副水倉進水口各安裝一組超聲波明渠流量計,。取連續(xù)一周的樣本，由試驗數(shù)據(jù)得知流量計的平均誤差為1.34%,，z大誤差為1.90%,，說明本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對礦井水流量的實時監(jiān)測；同時在實驗中發(fā)現(xiàn),，由于液位計采用電池供電,，系統(tǒng)長時間運行將對測量精度有影響。

      5 結(jié)語

      明渠流量計中帕歇爾槽上的玻璃鋼測井裝置耐腐蝕,、易安裝,；超聲波測位計體積小，密封性好,、安裝和維護方便,，供電等設(shè)計能滿足煤礦設(shè)備的本安防爆性,，整個儀器電路簡單可靠、故障率低,，測量精度高,，能夠適用于各種環(huán)境。其在井下排水流量監(jiān)測系統(tǒng)中能夠有效監(jiān)測排水流量,，為實時監(jiān)測井下生產(chǎn)狀態(tài)提供了可能,。

      在孔莊礦的實踐證明，超聲波明渠流量計測量精度較高,，運行安全可靠,、穩(wěn)定有效。但也需要進一步完善,，通過對其的逐步完善,，將在煤礦安全生產(chǎn)管理工作中發(fā)揮更大作用。

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