超声波明渠流量计在井下排水监测系统中的应用

1 概述

      在煤矿开采过程中，矿井水由井下排水泵提升至预沉调节池，自流进入吸水井。对进入吸水井中的矿井水排水流量的实时监测能够得知井下工作状态，对煤矿安全生产具有重要意义。

      目前井下排水流量为人工通过流量表测量获得。流量表不易读数，不能记忆累计流量，更重要的是地面管理者不能及时得到信息。为此研制了超声波明渠流量计。其玻璃钢“测井”耐腐蚀、易安装、电路简单可靠、故障率低，整机测量精度高，能够适用于各种环境。

2 超声波明渠流量计研制

      明渠流量计由量水器具、液位传感器组成。安装于井下测量现场，传感器通过电缆将测量数据传输给地面的上位机。

    2.1 工作原理
      对明渠流量的测量方法主要有直接法和间接法两大类。直接法由于很难找出质点运动速度与明渠中流体平均流速之间的关系，因此很少采用。间接法是在明渠中安装量水器具，对被测流体形成约束阻力，从而在器具的上下游形成与明渠横截面上平均流速有关的液位差。如能保证量水器具下游出口处的液位不变，则量水器具的上游液位即可反映明渠横截面上的平均流速，进而达到明渠流量测量的目的。间接法在明渠流量测量中应用比较广泛。

      间接法所用的量水器具分为堰式和槽式两大类，堰式量水器具最常用的是三角堰和矩形堰。槽式量水器具最常用的是帕歇尔槽，帕歇尔量水槽由上游收缩段、喉道段和下游扩散段3部分组成。收缩段的槽底向下游倾斜，扩散段槽底的倾斜方向与喉道槽底相反，其结构如图1所示。帕歇尔槽安装在渠道上要牢固，与渠道侧壁、渠底连结要紧密，不能漏水。使水流全部流经帕歇尔槽的计量部位，帕歇尔槽的计量部位是槽内喉道段。

      测井与水槽的底部相通，其水位h和瞬时流量q也具有确定的关系。如果帕歇尔槽各部位尺寸严格按照文献[1]的要求制作，流量按下式表达：

      q=khα                                （1）
      式中，k和α为流量系数，依喉部尺寸不同而异。

      不论堰式还是槽式明渠流量计，都是在渠道中加装量水器具，流体通过量水器具时受到阻挡而使渠道特定断面处的液位h发生变化，而通过渠道的流体流量q与h之间存在对应关系。因此，明渠流量计的研究工作主要由以下3部分组成：① 对于特定的量水器具，确定q与h之间对应关系式；② 准确测出液位h值；③ 计算出对应的流量值并做相应的输出。液位h值由超声波液位计测得，其换能器通过介质发射声脉冲，声波遇到被测物反射回来，若可以测出第一个回波到达的时间与发射脉冲间的时间差t，利用h=tv/2（v为空气中的声速），即可算出测井中的液位。

2.2 仪器安装

      明渠流量计安装在现场渠糟内，量水器具采用帕歇尔水槽，利用安装在测井顶的超声波液位计测得测井内液位高度，液位计采用9V电池供电，只需一根电缆与上位机进行通信，避免了大量供电和通信电缆，以及供电电压在线路上的损耗。

      2.3 超声波液位计设计

      液位计全部由低电压、低功耗的单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、串行接口电路、电池供电电路等组成，图2为系统框图。配备了一体化的超声波发送接收模块和远程通信模块。超声波发射接收电路与单片机相连，单片机与串行接口相连。电池供电电路由其他电路供电。

  2.3.1 设计说明

      超声波换能器的工作原理是陶瓷的压电效应。测量过程中，声波信号由发送换能器发出，经物体表面反射后由接收换能器接收，可以测量声波的整个运行时间，从而实现距离的测量。液位计所用换能器是工作频率为40kHz的陶瓷超声波传感器，适用于中短程范围测量，最大量程4m，脉冲触发模式工作。此类传感器适应性强，可在-40~90℃环境下工作，散射角最大15?。为测量更精确，鉴于声速受温度影响最大，测距数据处理过程采用温度补偿。

      单片机驱动发送换能器发出12个周期40kHz方波信号，接收换能器接收回声信号。单片机MSP430的定时器用于记数40kHz的晶振频率，时间测量的分辨率为25μs测量系统来说是足够了，是因为自石英晶振的测量时基非常稳定。接收换能器接收到的回声信号经运算放大器放大后送给单片机的比较器。比较器接收到回声信号立即触发定时器的捕捉功能来获得捕捉/较寄存器中的记数值。捕获的数值就是超声波从液位计发送换能器发出运行到目标，再从目标返回接收换能器的测量时间。单片机利用这个时间计算出系统到目标的距离，得出测井中的液位高度，并将数据通过通信电缆传输至上位机。然后单片机CPU睡眠模式以达到省电目的。由串行通信中断信号唤醒CPU重复下一个测量周期。

2.3.2 电路设计

      液位计的电气原理如图3所示。

      MSP430F12x（U1）是系统的核心。MSP430系列单片机是T1公司（FLASH型）16位单片机，采用MSP430F12x，具有低电压（工作电压1.8~3.6V）、超低功耗、处理能力强、工业级环境（-40~+85℃） 下工作稳定，开发方便高效等性能。选择40kHz晶振X1作为和超声波换能器的谐振频率相匹配的低频晶振。R12是复位电路的上拉电阻，集成的省电电路自动进入省电状态。C9用于MSP430供电电源的解耦，它和供电线路应尽量接近。14脚的双列接头（J1）提供了一个便于使用MSP430闪存模拟工具在线调试和编程的接口。P1.5口设置成输出超声波换能器要求的40kHz方波ACLK信号。

      换能器输出驱动电路由9V电池直接供电，并提供18V的电压来驱动换能器。这个18V电压由六反向器（U4 CD4049）组成的桥路获得。一个反向器用来提供驱动器一侧的180?相移信号。另一侧则由反向信号驱动。设置使输出电压幅值加倍，这样就以推挽的方式提供发送换能器18V电压。两个反向器并联是为了每侧都能提供足够的电流以驱动换能器。电容C6和C7用来隔断直流流入换能器。因为CD4049工作在9V，而MSP430工作电压是3.6V，在MSP430和输出驱动电路之间有个逻辑电平不匹配的问题。在这两种电平之间三极管Q1充当逻辑电平转换的角色。

      U3使用的是T1的五引脚的运算放大器TLV2771，这种放大器有高增益带宽，提供40kHz高增益信号。运放设置成反向放大器状态。R7和R5使得放大倍数为55，C5使高频信号旁路，R3和R4偏置放大器的输入到一个实际的中值，并提供给运算放大器的单输入端，放大的超声波信号在这个中值附近上下振动。接收换能器的高F 值阻止了40kHz外的无效信号。运算放大器的通过MSP430 的引脚P1.6输出接入比较器Comparator_A的CAO。Comparator_A的内部参考电压设置为0.5Vcc。没有超声波回声信号时，CAO的电平略低于 CA1的参考电压；当接收到回声信号时，电压高于参考电压并使Comparator_A的输出CAOUT翻转。R3用于微调所需灵敏度和优化测量范围。

      U5为串行通信转换芯片SN65HVD10，工作电压为3.3V。单片机的串行通信口RXD，TXD与SN65HVD10的R，D口相连，P2.1口与SN65HVD10的RE，DE口相连，通过标准通信协议RS-485接收上位机指令进行测量后，芯片SN65HVD10的B，A口发送数据给上位机。

      MSP430和超声波信号放大电路由9V电池通过T1的电压转换芯片TPS77001提供3.6V电源。电阻R1和R2设置使芯片电压输出3.6V，C1和C2是实现芯片正常功能所需的推荐电容值。发送驱动直接由9V供电。开关S1是电源主开关。

2.3.3 软件设计

      运用MSP430系列单片机丰富的片内资源和简洁的内核指令，可编制出性能优良的源程序。装置采用flash型芯片MSP43012x，内有JTAG调试接口，只需一台PC机和一个JTAG 调试器即可完成程序写入。开发语言有汇编语言和C语言。

      系统具有高效率性。MSP430系列具有16位RISC结构，大量寄存器，较高的处理速度，可以编制出高效率的源代码。

      系统具有高实时性。系统初始化后将CPU置于省电模式，串行通信产生中断唤醒程序。在中断服务程序里驱动发送换能器发出12个周期的40kHz方波信号，并允许定时器Timer_A 的捕捉中断，同时定时器Timer_A 用于记数40kHz的晶振频率。比较器Comparator_A 接收到回声信号触发定时器Timer_A 的捕捉功能来获得捕捉/比较寄存器CCR1中的记数值。单片机计算出系统到目标的距离，通过查预先设置在程序中的温度和声速关系的列表进行测量数据的温度补偿，得出液位的相关数据，并将数据通过通信电缆传输至上位机。然后MSP430进入LMP3睡眠模式。由串行通信中断信号唤醒MSP430重复下一个测量周期。

      系统具有高稳定性。如果晶体振荡器在用作CPU，时钟时发生故障，DCO会自动启动，程序中可将DCO设置成40kHz来保证系统正常工作。在程序中设置看门狗，一旦程序跑偏，可用看门狗将其复位。

3 系统通信

      液位传感器和上位机的通信方式选择了具有可靠性高、距离远、通信速率较高、性能价格比高等优点的标准通信协议RS485方式，在计算机和液位计间有RS485/RS232通信转换装置。若干个传感器接在同一通信电缆上，井下通信状态如图4所示。计算机作为上位机通过通信给传感器顺序发出测量指令，传感器顺序返回测量数据，计算机计算并显示当前各流量计流量和累计流量，一旦流量有异常增大即自动报警。

      4 应用情况

      孔庄矿-375水平吸水井有主水仓和副水仓，4台水泵，2台运行，1台检修，1台备用。试验时，考虑到现场情况，分别在主水仓和副水仓进水口各安装一组超声波明渠流量计。取连续一周的样本，由试验数据得知流量计的平均误差为1.34%，最大误差为1.90%，说明本装置能够实现对矿井水流量的实时监测；同时在实验中发现，由于液位计采用电池供电，系统长时间运行将对测量精度有影响。

   5 结语

      明渠流量计中帕歇尔槽上的玻璃钢测井装置耐腐蚀、易安装；超声波测位计体积小，密封性好、安装和维护方便，供电等设计能满足煤矿设备的本安防爆特性，整个仪器电路简单可靠、故障率低，测量精度高，能够适用于各种环境。其在井下排水流量监测系统中能够有效监测排水流量，为实时监测井下生产状态提供了可能。

      在孔庄矿的实践证明，超声波明渠流量计测量精度较高，运行安全可靠、稳定有效。但也需要进一步完善，通过对其的逐步完善，将在煤矿安全生产管理工作中发挥更大作用。