[導(dǎo)讀] 提出由帕歇爾槽和超聲波液位計(jì)組成的超聲波明渠流量計(jì)。設(shè)計(jì)了一體化的、結(jié)合基于超聲波發(fā)送接收的測(cè)距模塊、低功耗MSP430系列單片機(jī)的控制模塊和RS485通信協(xié)議的通信模塊的超聲波液位計(jì)，并實(shí)現(xiàn)明渠流量計(jì)在井下排水監(jiān)測(cè)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(yù)沉調(diào)節(jié)池，自流進(jìn)入吸水井。對(duì)進(jìn)入吸水井中的礦井水排水流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠得知井下工作狀態(tài)，對(duì)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(cè)量獲得。流量表不易讀數(shù)，不能記憶累計(jì)流量，更重要的是地面管理者不能及時(shí)得到信息。為此研制了超聲波明渠流量計(jì)。其玻璃鋼“測(cè)井”耐腐蝕、易安裝、電路簡(jiǎn)單可靠、故障率低，整機(jī)測(cè)量精度高，能夠適用于各種環(huán)境。
2 超聲波明渠流量計(jì)研制
明渠流量計(jì)由量水器具、液位傳感器組成。安裝于井下測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，傳感器通過電纜將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給地面的上位機(jī)。
2.1 工作原理
對(duì)明渠流量的測(cè)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)被測(cè)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(jìn)而達(dá)到明渠流量測(cè)量的目的。間接法在明渠流量測(cè)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爾槽，帕歇爾量水槽由上游收縮段、喉道段和下游擴(kuò)散段3部分組成。收縮段的槽底向下游傾斜，擴(kuò)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(jì)量部位，帕歇爾槽的計(jì)量部位是槽內(nèi)喉道段。
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測(cè)井與水槽的底部相通，其水位h和瞬時(shí)流量q也具有確定的關(guān)系。如果帕歇爾槽各部位尺寸嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[1]的要求制作，流量按下式表達(dá)：
q=khα （1）
式中，k和α為流量系數(shù)，依喉部尺寸不同而異。
不論堰式還是槽式明渠流量計(jì)，都是在渠道中加裝量水器具，流體通過量水器具時(shí)受到阻擋而使渠道特定斷面處的液位h發(fā)生變化，而通過渠道的流體流量q與h之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，明渠流量計(jì)的研究工作主要由以下3部分組成：① 對(duì)于特定的量水器具，確定q與h之間對(duì)應(yīng)關(guān)系式；② 準(zhǔn)確測(cè)出液位h值；③ 計(jì)算出對(duì)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(jì)測(cè)得，其換能器通過介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測(cè)物反射回來，若可以測(cè)出第一個(gè)回波到達(dá)的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)間差t，利用h=tv/2（v為空氣中的聲速），即可算出測(cè)井中的液位。
2.2 儀器安裝
明渠流量計(jì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)渠糟內(nèi)，量水器具采用帕歇爾水槽，利用安裝在測(cè)井頂?shù)某暡ㄒ何挥?jì)測(cè)得測(cè)井內(nèi)液位高度，液位計(jì)采用9V電池供電，只需一根電纜與上位機(jī)進(jìn)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。
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2.3 超聲波液位計(jì)設(shè)計(jì)
液位計(jì)全部由低電壓、低功耗的單片機(jī)、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(yuǎn)程通信模塊。超聲波發(fā)射接收電路與單片機(jī)相連，單片機(jī)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(jì)說明
超聲波換能器的工作原理是陶瓷的壓電效應(yīng)。測(cè)量過程中，聲波信號(hào)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(cè)量聲波的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。液位計(jì)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(cè)量，最大量程4m，脈沖觸發(fā)模式工作。此類傳感器適應(yīng)性強(qiáng)，可在-40~90℃環(huán)境下工作，散射角最大15º。為測(cè)量更精確，鑒于聲速受溫度影響最大，測(cè)距數(shù)據(jù)處理過程采用溫度補(bǔ)償。
單片機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)送換能器發(fā)出12個(gè)周期40kHz方波信號(hào)，接收換能器接收回聲信號(hào)。單片機(jī)MSP430的定時(shí)器用于記數(shù)40kHz的晶振頻率，時(shí)間測(cè)量的分辨率為25μs測(cè)量系統(tǒng)來說是足夠了，是因?yàn)樽允⒕д竦臏y(cè)量時(shí)基非常穩(wěn)定。接收換能器接收到的回聲信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后送給單片機(jī)的比較器。比較器接收到回聲信號(hào)立即觸發(fā)定時(shí)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(jì)發(fā)送換能器發(fā)出運(yùn)行到目標(biāo)，再從目標(biāo)返回接收換能器的測(cè)量時(shí)間。單片機(jī)利用這個(gè)時(shí)間計(jì)算出系統(tǒng)到目標(biāo)的距離，得出測(cè)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(jī)。然后單片機(jī)CPU睡眠模式以達(dá)到省電目的。由串行通信中斷信號(hào)喚醒CPU重復(fù)下一個(gè)測(cè)量周期。
2.3.2 電路設(shè)計(jì)
液位計(jì)的電氣原理如圖3所示。
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MSP430F12x（U1）是系統(tǒng)的核心。MSP430系列單片機(jī)是T1公司（FLASH型）16位單片機(jī)，采用MSP430F12x，具有低電壓（工作電壓1.8~3.6V）、超低功耗、處理能力強(qiáng)、工業(yè)級(jí)環(huán)境（-40~+85℃） 下工作穩(wěn)定，開發(fā)方便高效等性能。選擇40kHz晶振X1作為和超聲波換能器的諧振頻率相匹配的低頻晶振。R12是復(fù)位電路的上拉電阻，集成的省電電路自動(dòng)進(jìn)入省電狀態(tài)。C9用于MSP430供電電源的解耦，它和供電線路應(yīng)盡量接近。14腳的雙列接頭（J1）提供了一個(gè)便于使用MSP430閃存模擬工具在線調(diào)試和編程的接口。P1.5口設(shè)置成輸出超聲波換能器要求的40kHz方波ACLK信號(hào)。
換能器輸出驅(qū)動(dòng)電路由9V電池直接供電，并提供18V的電壓來驅(qū)動(dòng)換能器。這個(gè)18V電壓由六反向器（U4 CD4049）組成的橋路獲得。一個(gè)反向器用來提供驅(qū)動(dòng)器一側(cè)的180º相移信號(hào)。另一側(cè)則由反向信號(hào)驅(qū)動(dòng)。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(gè)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(dòng)換能器。電容C6和C7用來隔斷直流流入換能器。因?yàn)镃D4049工作在9V，而MSP430工作電壓是3.6V，在MSP430和輸出驅(qū)動(dòng)電路之間有個(gè)邏輯電平不匹配的問題。在這兩種電平之間三極管Q1充當(dāng)邏輯電平轉(zhuǎn)換的角色。
U3使用的是T1的五引腳的運(yùn)算放大器TLV2771，這種放大器有高增益帶寬，提供40kHz高增益信號(hào)。運(yùn)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(hào)旁路，R3和R4偏置放大器的輸入到一個(gè)實(shí)際的中值，并提供給運(yùn)算放大器的單輸入端，放大的超聲波信號(hào)在這個(gè)中值附近上下振動(dòng)。接收換能器的高F 值阻止了40kHz外的無效信號(hào)。運(yùn)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(hào)時(shí)，CAO的電平略低于 CA1的參考電壓；當(dāng)接收到回聲信號(hào)時(shí)，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(cè)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議RS-485接收上位機(jī)指令進(jìn)行測(cè)量后，芯片SN65HVD10的B，A口發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。
MSP430和超聲波信號(hào)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(shí)現(xiàn)芯片正常功能所需的推薦電容值。發(fā)送驅(qū)動(dòng)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(jì)
運(yùn)用MSP430系列單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源和簡(jiǎn)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(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG 調(diào)試器即可完成程序?qū)懭搿ｉ_發(fā)語言有匯編語言和C語言。
系統(tǒng)具有高效率性。MSP430系列具有16位RISC結(jié)構(gòu)，大量寄存器，較高的處理速度，可以編制出高效率的源代碼。
系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)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(dòng)發(fā)送換能器發(fā)出12個(gè)周期的40kHz方波信號(hào)，并允許定時(shí)器Timer_A 的捕捉中斷，同時(shí)定時(shí)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(hào)觸發(fā)定時(shí)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(jī)計(jì)算出系統(tǒng)到目標(biāo)的距離，通過查預(yù)先設(shè)置在程序中的溫度和聲速關(guān)系的列表進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)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(jī)。然后MSP430進(jìn)入LMP3睡眠模式。由串行通信中斷信號(hào)喚醒MSP430重復(fù)下一個(gè)測(cè)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(shí)鐘時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，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(fù)位。
3 系統(tǒng)通信
液位傳感器和上位機(jī)的通信方式選擇了具有可靠性高、距離遠(yuǎn)、通信速率較高、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議RS485方式，在計(jì)算機(jī)和液位計(jì)間有RS485/RS232通信轉(zhuǎn)換裝置。若干個(gè)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(jì)算機(jī)作為上位機(jī)通過通信給傳感器順序發(fā)出測(cè)量指令，傳感器順序返回測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)計(jì)算并顯示當(dāng)前各流量計(jì)流量和累計(jì)流量，一旦流量有異常增大即自動(dòng)報(bào)警。
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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(tái)水泵，2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)檢修，1臺(tái)備用。試驗(yàn)時(shí)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)情況，分別在主水倉和副水倉進(jìn)水口各安裝一組超聲波明渠流量計(jì)。取連續(xù)一周的樣本，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知流量計(jì)的平均誤差為1.34%，最大誤差為1.90%，說明本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦井水流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于液位計(jì)采用電池供電，系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行將對(duì)測(cè)量精度有影響。
5 結(jié)語
明渠流量計(jì)中帕歇爾槽上的玻璃鋼測(cè)井裝置耐腐蝕、易安裝；超聲波測(cè)位計(jì)體積小，密封性好、安裝和維護(hù)方便，供電等設(shè)計(jì)能滿足煤礦設(shè)備的本安防爆特性，整個(gè)儀器電路簡(jiǎn)單可靠、故障率低，測(cè)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(cè)系統(tǒng)中能夠有效監(jiān)測(cè)排水流量，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下生產(chǎn)狀態(tài)提供了可能。
在孔莊礦的實(shí)踐證明，超聲波明渠流量計(jì)測(cè)量精度較高，運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定有效。但也需要進(jìn)一步完善，通過對(duì)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。