膏体充填管道流量在线检测系统

王桂梅，张帅

(河北工程大学机电学院，河北邯郸056038)

膏体充填管道流量检测不同于一般的匀质管道流量检测，为了实现对膏体充填管道流量的在线检测，文中运用超声波检测膏体中流速信息，进而检测膏体的流量。DSP 实时采集处理后的电压信号，然后输出数字信号，并与PLC 进行通信，上位机组态软件WinCC 通过与西门子PLC 通信，实现对膏体充填管道流量的在线显示。

1 课题背景及意义

我国“三下”压煤量大，煤炭资源的人均拥有量少，严重影响煤矿的正常生产;常规的垮落法开采会造成很多损害，如地表建筑物损毁等;当今，大量煤矸石直接露天堆积，这不但对环境造成污染，而且还占用很多耕地。这些问题亟待通过创新型开采技术予以解决。

充填开采可减少井下采空区瓦斯的聚集空间，从而降低采空区瓦斯爆炸等事故发生的可能性;可抑制煤层移动，减少煤矿事故的发生;可充分对边角残煤和“三下”压煤进行回收;可大量使用煤矸石，减少对耕地的占用，保护煤矿周边的生态环境，促进资源的开发与生态环境的协调发展。

为了充分利用资源，提高煤矿的综合效益和煤矿的可持续发展，减小对地下水系的破坏程度，重要的一个环节就是严格控制充填计量。但是，由于充填管道的管线长、流速不均匀并且含有大颗粒煤矸石(最大粒径25 mm)等因素影响，膏体充填管道流量检测不同于一般的匀质管道流量检测，目前尚无成熟、可行的方法。一般的电磁流量计，只能检测均匀介质的流量，并不能满足膏体充填管道流量检测。因此，急需一种膏体充填流量计量装置。文中针对这一问题提出了具体的解决方案。

2 膏体充填管道流量检测方法

膏体充填管道流量检测较为可行的方法有差压检测法、电容式传感器检测法和超声波检测法等。

差压检测法。当膏体流过横截面变化的管道时，其动能和静压能互相转换，膏体的动量也随之发生变化，使得在这些不同横截面之间形成压力差，这个压力差与流过的流量存在着一定的比例关系。但是，差压测量法需要改变管道的直径，而膏体中含有大颗粒煤矸石(最大粒径25 mm)，这样容易造成充填管道的阻塞。

电容式传感器检测法。当膏体流经电容传感器的敏感场区域时，膏体中的液/液、气/液相可作为电介质，由于不同相介质的介电常数不同，膏体中离散相的浓度也会随流体的流动而发生随机变化，导致膏体等效介电常数发生变化，使得电容传感器的电容测量值也随之发生变化，从而可以得到膏体的流速等相关的信息。但是，电容式传感器测量法随着膏体的流速不同，测量误差会随之增大，而膏体输送管道内浆体流速不均匀，使得电容式传感器不能精确测量。

超声波检测法。超声波技术用于流量测量主要是依据膏体的速度信息能加载到射入到膏体的超声波中，根据接收的超声波信号就可以检测膏体的流速，进而计算得到膏体的流量。该检测法是把检测元件置于管道外侧不与膏体直接接触，因此不会破坏膏体的流场，特别是超声波可以从较厚的管道外侧测量管内膏体的流速，不需改造原管道，就能满足膏体充填管道的要求。

因此，文中选用超声波检测法实现膏体充填管道的流量检测。

3 超声波检测法

膏体内部包含与流动状态相关的噪声信号，并且具有一定的统计特性。这种噪声信号对超声波信号进行调制，调制包含相位和幅频调制。接收的超声波信号会加载流动噪声信号，其中就包含了流速信号。在超声波检测系统中，利用超声波传感器检测流动噪声信号并处理，从中提取出包含膏体速度的噪声信号。膏体的流动速度可根据膏体流过间距一定的两截面的时间获得，进而可以计算得到膏体的流量。其原理如图1 所示。

图1 超声波检测法原理

沿着管道的轴线方向安置间距为L 且性能完全相同的超声波传感器，按照膏体流动方向，称之为1、2 号传感器。系统开始工作时，1、2 号传感器分别向膏体充填管道内发射强度一定的超声波，并且被膏体中的噪声信号调制，然后接收器接收经噪声信号调制过的超声波信号，经过适当的信号解调，分别从1、2 号传感器中提取出有用的噪声信号x(t)和y(t)，然后将提取出来的噪声信号x(t)和y(t)做互相关运算从而得到互相关函数 Rxy(τ)，Rxy(τ) =当两传感器之间的间距L 在某一范围内时，膏体中的流动噪声信号x(t)和y(t)有一定的相似性，它们的互相关函数Rxy(τ)的图形中出现一个峰值，如图2 所示。

图2 流动噪声信号及其互相关函数图形

图2 中，Rxy(τ)峰值所对应的时间位移τ0即为膏体在理想状态下从1 号到2 号传感器的渡越时间。在该检测系统中，1、2 号传感器之间的距离足够小，并且1、2 号传感器前后的直管段比较长，当膏体从1、2 号传感器之间流过时，膏体之间相对流动变化较小，因此膏体的速度vcp为:vcp=L/τ0。

充填管道的横截面积为定值S，通过测得的膏体流速vcp可计算得到膏体充填管道的流量:Q = S·vcp=S· L/τ0。

4 在线检测

4.1 在线检测系统流程图

检测系统如图3 所示，包括超声波检测模块、西门子PLC 和上位机组态软件。

图3 在线检测系统流程图

超声波检测模块中，发射电路在换能器压电元件上加载电能，将超声波发射到膏体充填管道。

超声波在膏体中进行传播时，噪声信号对超声波进行调制(幅频调制和相位调制)。当接收电路接收调制信号后，对其进行滤波、放大和解调，从而去除高频信号得到所需的低频信号，即含有膏体流速信息的信号，然后A/D 转换器对其进行数据采集，最后传输至DSP。

上位机组态软件不能直接和DSP 建立通信，DSP与PLC 进行通信，接受PLC 发出的控制指令并将处理后的检测数据传输给PLC。利用DSP 高速的数据处理功能，DSP 不断地采集经过处理的电压信号，然后输出数字信号，从而实现对该检测系统的控制。DSP 通过RS485 总线和PLC 通信。

上位机组态软件WinCC 在变量管理器中选择添加PLC 驱动程序，配置PROFIBUS 协议系统参数并建立逻辑连接，在连接中加入变量并设置变量(包括变量名、数据类型、变量地址等)完成与西门子PLC通信连接。

4.2 系统工作过程

开启膏体充填管道流量在线检测系统，设置各检测参数。DSP 程序将控制信号发送到高频振荡电路触发脉冲，换能器发射超声波。接收电路接收调制信号并对其进行滤波、放大和解调，去除高频信号分离出含有膏体流速信息的低频信号，A/D 转换器对其进行数据采集，然后传输给DSP 模块。通过DSP 模块计算得到膏体流动噪声信号的互相关函数，再根据实时采集的检测数据对数据进行处理，然后将处理过的数据传输给西门子PLC，PLC 将数据即膏体流量在上位机WinCC 上显示出来。

5 结论

超声波传感器具有较高的精度和良好的动态响应;用该方法成功实现对膏体充填管道的流量检测;WinCC 具有良好的通用性，检控效果良好，操作员可及时了解系统的运行情况，成功实现对膏体充填管道流量的实时检测。

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