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        管段式礦用鉆孔超聲波流量計研究

        發布時間:2019-09-15 15:42:23 瀏覽:

        0 引言

        在煤礦井下施工過程中, 瓦斯災害是影響煤礦安全高效開采主要的因素之一, 由瓦斯導致的安全事故屢有發生[1,2]。目前應用最為廣泛的瓦斯災害防治技術是在煤層開采前利用鉆機等工具在其內部設置眾多瓦斯抽釆鉆孔, 再通過孔口的負壓將附著于煤層之中的瓦斯進行抽離[3,4], 同時, 在總抽采管段上安裝管道流量計, 對整個抽采面的情況進行實時監測[5]。如此傳統的抽采監測方式僅能夠了解工作面整體的抽采情況[6], 而對其內部的瓦斯分布情況卻不能夠得到有效反映。為了進一步掌握群孔分布區域內部的瓦斯抽采情況, 確定抽釆面內部瓦斯分布信息, 提高煤層抽采情況的監測分辨率, 該文參考《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》, 結合高瓦斯礦井的調研[7,8], 確定了單個瓦斯抽采孔的出氣特性, 并橫向對比多種傳統流量測量技術[9,10], 提出利用TDC1000模擬驅動芯片與TDC7200時間測量芯片, 研制一款基于時差法的管段式礦用鉆孔超聲波流量計, 為建立煤礦井下瓦斯鉆孔抽釆多參數監測系統提供有力的數據基礎。

        1 超聲波流量測量原理

        隨著科學技術的不斷發展, 超聲波檢測技術在測距、測溫、探傷檢測等測試計量工業中得到了廣泛應用[11,12]。目前較為主流的測量原理如圖1所示, 選用壓電陶瓷作為換能器件, 利用逆壓電效應將便于控制的電信號作為驅動并轉換為超聲波信號, 以超聲波作為測量與傳播介質, 再通過正壓電效應將超聲波信號變換回電信號, 根據測量前后電信號的變化實現測量與傳播[13]。

        圖1 超聲波測量原理

        圖1 超聲波測量原理   下載原圖

        為了實現不同的測量目的, 超聲波測量有著眾多測量方法[14], 該研究是基于超聲波時差法實現鉆孔瓦斯測量的。所謂時差法是指, 超聲波在方向一定的流體介質中傳播時, 雖然順流方向與逆流方向的飛行距離相同, 但由于流體介質具有方向性, 介質在超聲波順逆流傳播方向上的速度矢量大小相等方向相反, 順流速度同向疊加, 速度增大, 傳播時間減小;同理反之, 逆流時傳播時間增大, 從而導致超聲波在順逆流飛行時間不同, 產生了時間差[15,16]。因此, 只要能夠準確地測量該時間差值, 就可以很方便計算出介質的流速及其他流量信息。

        圖2 超聲波時差法測量過程

        圖2 超聲波時差法測量過程   下載原圖

        超聲波時差法測量過程如圖2 所示, 管段截面積直徑為D;流體介質的流速為V;換能器A與換能器B是2個中心頻率相同的收發一體式超聲波換能器, 分別完成超聲波順流及逆流的發射與接收。將兩者穿過管段截面以θ角度對射安裝, 換能器敏感面中心點的間距為L[17]。當換能器A作為發射端, 換能器B作為接收端, 流體介質在超聲波傳播方向上的流速分量與超聲波傳播方向相同, 記做順流飛行t1;當換能器B作為發射端, 換能器A作為接收端時, 可得到逆流飛行時間t2[18]。假設超聲波在流體介質中的傳播速度為聲速C, 則t1t2的表達式如式 (1) 、式 (2) 所示:

        t1=LC+V?cosθ?????????(1)t2=LC?V?cosθ?????????(2)t1=LC+V?cosθ(1)t2=LC-V?cosθ(2)

        式中:θ為換能器安裝與管壁夾角。

        將式 (1) 、式 (2) 相減就可以得到時間差Δt, 如式 (3) 所示:

        Δt=t1?t2=2L?V?cosθC2?(V?cosθ)2?????????(3)Δt=t1-t2=2L?V?cosθC2-(V?cosθ)2(3)

        由于在實際的工程應用中流體介質的流速遠遠達不到聲速C的量級[19], 即 (V·cosθ) << C2, 因此式 (3) 中時間差Δt還可簡化為式 (4) :

        Δt=2L?V?cosθC2?????????(4)Δt=2L?V?cosθC2(4)

        即流體介質流速V的表達式為:

        V=Δt?C22L?cosθ?????????(5)V=Δt?C22L?cosθ(5)

        則瞬時流量Q[20]如式 (6) 所示:

        QS·V (6)

        式中:S為管段橫截面積。

        即可得到瞬時流量近似如式 (7) :

        Q=D2?Δt?C28L?cosθ?????????(7)Q=D2?Δt?C28L?cosθ(7)

        由上述推導可知, 超聲波時差法的本質就是準確獲得超聲波順流與逆流的傳播時間, 得到飛行時間差, 從而計算出介質的流速, 再根據管段結構信息實現介質流量的測量。

        2 系統總體設計

        系統的總體設計如圖3所示。系統主要由低功耗的單片機控制器、高集成度的超聲波收發單元、皮秒級的高精度計時單元、發射驅動電路及外圍的人機交互、數據通信等部分組成。系統主要的工作流程如下:測量任務開始前, 單片機會利用使能端口使能測量單元, 再通過SPI端口對超聲波收發單元與高精度計時單元進行參數設置, 由高精度計時單元向超聲波收發單元發送測量起始指令, 收發單元發出200 kHz發射信號, 經發射驅動電路放大后激勵發射端換能器發出超聲波, 超聲波經過被測介質后到達接收端換能器, 再將該信號傳回給收發單元, 由其內部的濾波放大電路完成信號調理后進行判斷, 輸出截止信號, 由計時單元完成一次飛行時間的測量, 并存入結果寄存器中, 同時發送給單片機。全部測量完成后, 由單片機進行數據處理, 并通過人機交互與數據通信模塊實現結果的顯示與傳輸。

        圖3 系統總體設計框圖

        圖3 系統總體設計框圖   下載原圖

        3 系統測量單元硬件設計

        3.1 超聲波收發單元設計

        超聲波收發單元是以TDC1000為核心設計的, 該芯片是德州儀器公司針對超聲波感測技術開發的一款模擬前端, 測量范圍高達8 ms, 超低功耗的工作電流僅有1.8 μA, 可以滿足大部分超聲波應用需求, 具有超高集成度, 其片內結構如圖4所示。

        TDC1000主要由發射信號驅動、接收信號調理與判斷兩部分構成, 同時其內部還有一個片上控制單元及一個標準的SPI通信接口。片上控制單元主要具有芯片使能、測量觸發、復位、報錯等功能, 而SPI可以實現芯片與外部MCU的通信, 通過該接口外部MCU可以輕松地對片內的寄存器進行配置和修改。發射信號驅動部分可以發出31.25 kHz~4 MHz任意頻率的脈沖方波, 脈沖個數多達31個, 通道選擇開關的切換可以方便地滿足時差法中順逆流收發的應用需求。TDC1000的接收信號調理與判斷部分集成一套由低噪聲放大器、可編程增益放大器、帶通濾波電路構成的完整信號調理電路, 僅需要在外部配置少量的電阻和電容并結合相應的寄存器就可以對調理參數進行修改。此外用于回波信號判斷的閾值也可以根據實際回波信號的情況利用寄存器修改, 進而準確地輸出STOP信號, 以達到最佳的判斷狀態。

        圖4 TDC1000片內結構框圖

        圖4 TDC1000片內結構框圖   下載原圖

        3.2 高精度計時單元設計

        根據理論計算, 超聲波單程的飛行時間約為330 μs, MCU自帶的計數器已經無法滿足測量的精度要求, 因此計時單元選用了德州儀器公司生產的專用時間數字轉換器TDC7200作為計時芯片。TDC7200自身內部配置了自校準功能, 可以對溫度及時間的偏差進行自補償, 該功能的應用能夠使時間測量達到皮秒級的測量精度。此外, TDC7200能夠支持5個STOP信號的讀取與測量, 為用戶提供更加靈活的調試空間, 已得到最佳的截止脈沖。只要對TDC7200進行正確配置與連接就可以準確地測量出接收到START信號與STOP信號之間的時間差, 而這一時間差就是時差法中所要求的超聲波飛行時間, 計時原理如圖5所示。TDC7200首先運用計數器與外部時鐘周期計算出記數計時的時間, 該計時結果較為粗大, 再利用內部時鐘與外部時鐘相結合, 經過多次測量, 獲得精度很高的校準計時, 對記數計時結果進行修正, 從而得到高精度的超聲波飛行時間。

        圖5 TDC7200 計時原理圖

        圖5 TDC7200 計時原理圖   下載原圖

        4 系統測量單元軟件設計

        軟件設計流程如圖6所示。系統上電后對測量芯片、I/O口、通信接口等進行硬件初始化, 使能TDC1000與TDC7200, 并通過SPI接口對TDC1000與TDC7200內部寄存器進行參數配置。完成后開始進行超聲波飛行時間測量, 此時TDC7200會向TDC1000發送觸發脈沖, TDC1000根據寄存器配置內容發出換能器驅動信號, 同時向TDC7200回饋發出START信號, 計時功能開啟。當接收端換能器接收到測量信號后, 由TDC1000進行調理并完成判斷, 判斷成功后發出STOP脈沖信號, TDC7200接收到后進行時間測量, 并會以中斷的形式告知MCU, 同時將測量數據進行上傳, 從而完成了一個周期的超聲波飛行時間測量。之后, 測量單元會進入低功耗狀態, 等待下一個測量指令的到來。

        圖6 系統測量單元軟件流程

        圖6 系統測量單元軟件流程   下載原圖

        5 實驗結果

        該文研制了一款管段式礦用鉆孔超聲波流量計, 管段直徑為80 mm, 換能器采用Z字型安裝。為了進一步驗證研究成果的性能, 根據JJG1030—2007《超聲流量計》計量標準要求, 利用臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置對管段式礦用鉆孔超聲波流量計進行了標定檢驗, 檢驗結果如表1所示, 檢驗數據與示值誤差圖如圖7所示。檢驗結果表明, 所研制的管段式礦用鉆孔超聲波流量計滿足1.5級的精度標準。

        表1 管段式礦用鉆孔超聲波流量計檢驗結果 (檢定介質:空氣;介質壓力:96.5 kPa;介質溫度:22 ℃) 導出到EXCEL

        標準流量/
        (m3/h)
        實測流量/
        (m3/h)
        標準流量/
        (m3/h)
        實測流量/
        (m3/h)

        10.418
        10.558 150.763 149.376

        30.106
        30.411 170.086 169.254

        50.006
        50.378 190.435 189.013

        70.053
        70.556 210.871 209.013

        90.704
        91.881 230.425 229.010

        110.058
        111.002 250.027 248.461

        130.227
        130.826 270.316 267.153
        圖7 檢驗結果分析圖

        圖7 檢驗結果分析圖   下載原圖

        6 結論

        為了進一步掌握瓦斯抽采工作面內部的瓦斯分部情況, 建立以單個瓦斯抽采孔為監測單元的抽采監測系統, 研制了一款針對瓦斯抽采孔的管段式礦用鉆孔超聲波流量計。該文通過測量原理、系統總體設計、測量單元的硬件軟件設計對研究成果進行了詳細介紹, 并通過標準的檢驗裝置對其性能進行了驗證。檢驗結果表明, 管段式礦用鉆孔超聲波流量計性能優良, 測量精度高, 工作性能穩定, 具有良好的實際應用能力, 能夠為更合理抽采方案提供有力的數據支持。

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