郝晓明 寇彦飞

（1.山西离柳焦煤集团 山西省太原市 030006 2.中北大学机械工程学院 山西省太原市 030006）

流量作为矿井水排放过程中的关键技术参数可反映整个排水系统的运行状态，是判断排水系统相关设备运行是否正常的重要参考指标，因此对矿井水排放流量的监测是整个排水系统中必不可少的一部分[1]。目前超声波流量计和电磁流量计是使用最广泛的两种流量监测传感器，但是在矿井水中还有大量的杂质，类如煤泥、废机油等污染物，同时考虑到排水管道的紧凑布置，因此以超声波测流量原理设计了专用于矿井水排放的流量传感器。

1 超声波流量传感器的设计

1.1 超声波测流量原理

超声波测流量采用的方法一般为时差法、频率差法、相位差法，在此考虑到现场工况，采用时差法测量流量[2,3]。时差法的工作原理如图1 所示，根据声波逆流和顺流传播的时间差计算出流体的流速，具体计算方法如公式1 ～4 所示。

图1 中θ 为声波的发射角度，当液体沿管路平行流动时也表示为声波与矿井水流动方向的夹角，Tup为声波反射到被接收所用的时间，此时与流量方向相同，也即声波正向传播时间，Tdown为传感器发射声波到声波接触管壁所用的时间，与水流向相反，因此为逆方向上的传播时间。

设置矿井水流速为v，声波的传播距离为L，那么超声波在矿井水中的实际传播速度co为声速c 和矿井水流速带来的速度分量vcosθ 的矢量和：

则分别可以计算出正向传播时间和逆方向传播时间：

1.2 硬件和软件设计

硬件系统的设计如图2 所示，微处理器采用了MSP430FG4618实现超声波的收发控制以及数据处理。超声波时差测量电路是保证测量准确的关键，因此选择了德国ACAM 公司的TDC-GP2 测量电路，其包含有高速脉冲发生器，时钟控制等功能，非常适合于时差测量方法。由微处理器和时差测量电路组成了流量传感器的主要部分，外围的超声波收发电路实现输出信号的放大，双极放大可调增益电路实现输入信号的放大，再结合LCD 显示屏、键盘等实现传感器数据的输入与显示。

图1：时差法超声波流量计原理示意图

图2：硬件设计框图

图3：程序流程图

图3 为流量传感器程序流程图，流量计开始工作后首先初始化各个模块，使参数重置为预设值。初始化参数也可通过键盘设置，输入流量参数后可以将其存储到系统存储器中代替原有的预设值。对不同工况也可通过键盘随时调整参数使达到增益效果。开始数据采集后对采集到的数据进行滤波处理消除噪声，通过时差测量电路确定信号的时间基准点并记录，得到时差并计算出流速，在显示屏上显示，并将数据实时发送到上位机中显示。

表1：基本功能试验结果

表2：本安试验测试结果

图4：传感器外壳结构设计

图5：流量计实物示意图

1.3 本安电路设计

图6：试验平台示意图

图7：不同转速下流量传感器测量结果对比

根据煤矿安全规程的相关规定以及GB3836.4-2000 中对本安电路系统设计的相关规定，这在对超声波流量计的设计中必须考虑到，例如在湿热前后流量传感器电路和外壳之间的绝缘电阻分别必须大于规程规定的100MΩ 和1MΩ；在工频耐压试验中，要求流量传感器的电路和外壳之间可以承受50Hz，500V 的交流电，而且在1 分钟的测试过程中不能出现外壳被击穿等现象；这就对传感器外壳的材质有一定要求，可以全部采用2mm 厚的钢板进行焊接制作，附有涂层，使其结构牢固，并具有耐高温、耐腐蚀等特性。而且在外壳上显示屏、按键与外壳之间必须采用一定的手段进行密封，使其完全达到相关规定中IP54 等级的外壳防护要求。本文所设计的外壳结构外形如图4 所示，生产制造出的流量计实物如图5 所示。

2 试验结果与讨论

为验证该流量计的稳定性与准确性，在流速可调的水循环实验系统对所设计的流量传感器进行测试，试验平台如图6 所示，由三向异步电机驱动水泵转动，水流通过管路重新流回水箱中再不断由泵输出到管路中，使得水流不断循环。试验系统中电机选用的型号为YE2-80S-2，水泵选用的型号为1H50-32-125A，通过变频器实现电机的转速控制，检定智能电磁流量计选用的型号为ISF1010C13D-L5DM23，将其测量结果与本文所设计的超声波传感器检测结果进行比较，结果如图7 所示。图7 横坐标为设置的旋转频率，纵坐标为通过管路的流量，可以看出转频由0-50Hz 变化，整个过程中本文设计的超声波传感器与检定的电磁传感器采集得到的数据趋势基本一致，再转频低于11Hz 的时候测量得到的流量为零，之后转频增加流量出现一个波动，这是由于水泵开始突然排水造成的冲击，流量稳定后开始随着转频增大逐渐增加，在转频为50Hz 的时候排水流量达到最大为24m3/h。

在管路上同一测点安装传感器，并将系统持续运行两天后选取3 个不同的流速点进行测量，不同流速下至少测量3 次，测量得到的结果如表1 所示，可以看到流量值误差最大为1.20%，分别出现在流速为0.30m/s 和0.71m/s 情况下。对同一流速下测量结果比较可以看出重复性最大误差为0.30%，满足矿山要求的准确性±1.5%和重复性0.5%的指标要求。

本安试验测试结果如表2 所示，从测试结果得到本安参数：Ui：DC18.5V，Ii：85mA，Ci:0µF，Li:0mH。完全符合之前定制的指标参数，能满足煤矿使用需求。

3 结语

针对煤矿排水系统，开发研究了管路流量监测传感器，基于超声波时差测量原理设计了传感器的硬件和软件方案，并考虑到煤矿相关规程设计了本安电路需要到达的技术指标，通过试验对所设计传感器的进行测试，结果表明传感器达到对管道流量的准确监测，同时符合煤矿安全规程要求。