1 概述

      在煤礦開采過程中，礦井水由井下排水泵提升至預沉調節池，自流進入吸水井。對進入吸水井中的礦井水排水流量的實時監測能夠得知井下工作狀態，對煤礦安全生產具有重要意義。

      目前井下排水流量為人工通過流量表測量獲得。流量表不易讀數，不能記憶累計流量，更重要的是地面管理者不能及時得到信息。為此研制了超聲波明渠流量計。其玻璃鋼“測井”耐腐蝕、易安裝、電路簡單可靠、故障率低，整機測量精度高，能夠適用于各種環境。

      2 超聲波明渠流量計研制

      明渠流量計由量水器具、液位傳感器組成。安裝于井下測量現場，傳感器通過電纜將測量數據傳輸給地面的上位機。

      2.1 工作原理
     
      對明渠流量的測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點運動速度與明渠中流體平均流速之間的關系，因此很少采用。間接法是在明渠中安裝量水器具，對被測流體形成約束阻力，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，進而達到明渠流量測量的目的。間接法在明渠流量測量中應用比較廣泛。

      間接法所用的量水器具分為堰式和槽式兩大類，堰式量水器具的是三角堰和矩形堰。槽式量水器具的是帕歇爾槽，帕歇爾量水槽由上游收縮段、喉道段和下游擴散段3部分組成。收縮段的槽底向下游傾斜，擴散段槽底的傾斜方向與喉道槽底相反，其結構如圖1所示。帕歇爾槽安裝在渠道上要牢固，與渠道側壁、渠底連結要緊密，不能漏水。使水流全部流經帕歇爾槽的計量部位，帕歇爾槽的計量部位是槽內喉道段。

      測井與水槽的底部相通，其水位h和瞬時流量q也具有確定的關系。如果帕歇爾槽各部位尺寸嚴格按照文獻[1]的要求制作，流量按下式表達：

      q=kh^α                                （1）
     
      式中，k和α為流量系數，依喉部尺寸不同而異。

      不論堰式還是槽式明渠流量計，都是在渠道中加裝量水器具，流體通過量水器具時受到阻擋而使渠道特定斷面處的液位h發生變化，而通過渠道的流體流量q與h之間存在對應關系。因此，明渠流量計的研究工作主要由以下3部分組成：① 對于特定的量水器具，確定q與h之間對應關系式；② 準確測出液位h值；③ 計算出對應的流量值并做相應的輸出。液位h值由超聲波液位計測得，其換能器通過介質發射聲脈沖，聲波遇到被測物反射回來，若可以測出個回波到達的時間與發射脈沖間的時間差t，利用h=tv/2（v為空氣中的聲速），即可算出測井中的液位。

      2.2 儀器安裝

      明渠流量計安裝在現場渠糟內，量水器具采用帕歇爾水槽，利用安裝在測井頂的超聲波液位計測得測井內液位高度，液位計采用9V電池供電，只需一根電纜與上位機進行通信，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。

      2.3 超聲波液位計設計

      液位計全部由低電壓、低功耗的單片機、超聲波發射電路、超聲波接收電路、串行接口電路、電池供電電路等組成，圖2為系統框圖。配備了一體化的超聲波發送接收模塊和遠程通信模塊。超聲波發射接收電路與單片機相連，單片機與串行接口相連。電池供電電路由其他電路供電。

      2.3.1 設計說明

      超聲波換能器的工作原理是陶瓷的壓電效應。測量過程中，聲波信號由發送換能器發出，經物體表面反射后由接收換能器接收，可以測量聲波的整個運行時間，從而實現距離的測量。液位計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量，量程4m，脈沖觸發模式工作。此類傳感器適應性強，可在-40~90℃環境下工作，散射角15º。為測量更精確，鑒于聲速受溫度影響，測距數據處理過程采用溫度補償。

      單片機驅動發送換能器發出12個周期40kHz方波信號，接收換能器接收回聲信號。單片機MSP430的定時器用于記數40kHz的晶振頻率，時間測量的分辨率為25μs測量系統來說是足夠了，是因為自石英晶振的測量時基非常穩定。接收換能器接收到的回聲信號經運算放大器放大后送給單片機的比較器。比較器接收到回聲信號立即觸發定時器的捕捉功能來獲得捕捉/較寄存器中的記數值。捕獲的數值就是超聲波從液位計發送換能器發出運行到目標，再從目標返回接收換能器的測量時間。單片機利用這個時間計算出系統到目標的距離，得出測井中的液位高度，并將數據通過通信電纜傳輸至上位機。然后單片機CPU睡眠模式以達到省電目的。由串行通信中斷信號喚醒CPU重復下一個測量周期。

      2.3.2 電路設計

      液位計的電氣原理如圖3所示。

      MSP430F12x（U1）是系統的核心。MSP430系列單片機是T₁公司（FLASH型）16位單片機，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、工業級環境（-40~+85℃） 下工作穩定，開發方便高效等性能。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是復位電路的上拉電阻，集成的省電電路自動進入省電狀態。C9用于MSP430供電電源的解耦，它和供電線路應盡量接近。14腳的雙列接頭（J1）提供了一個便于使用MSP430閃存模擬工具在線調試和編程的接口。P1.5口設置成輸出超聲波換能器要求的40kHz方波ACLK信號。

      換能器輸出驅動電路由9V電池直接供電，并提供18V的電壓來驅動換能器。這個18V電壓由六反向器（U4 CD4049）組成的橋路獲得。一個反向器用來提供驅動器一側的180º相移信號。另一側則由反向信號驅動。設置使輸出電壓幅值加倍，這樣就以推挽的方式提供發送換能器18V電壓。兩個反向器并聯是為了每側都能提供足夠的電流以驅動換能器。電容C6和C7用來隔斷直流流入換能器。因為CD4049工作在9V，而MSP430工作電壓是3.6V，在MSP430和輸出驅動電路之間有個邏輯電平不匹配的問題。在這兩種電平之間三極管Q1充當邏輯電平轉換的角色。

      U3使用的是T1的五引腳的運算放大器TLV2771，這種放大器有高增益帶寬，提供40kHz高增益信號。運放設置成反向放大器狀態。R7和R5使得放大倍數為55，C5使高頻信號旁路，R3和R4偏置放大器的輸入到一個實際的中值，并提供給運算放大器的單輸入端，放大的超聲波信號在這個中值附近上下振動。接收換能器的高F 值阻止了40kHz外的無效信號。運算放大器的通過MSP430 的引腳P1.6輸出接入比較器Comparator_A的CAO。Comparator_A的內部參考電壓設置為0.5Vcc。沒有超聲波回聲信號時，CAO的電平略低于 CA1的參考電壓；當接收到回聲信號時，電壓高于參考電壓并使Comparator_A的輸出CAOUT翻轉。R3用于微調所需靈敏度和優化測量范圍。

      U5為串行通信轉換芯片SN65HVD10，工作電壓為3.3V。單片機的串行通信口RXD，TXD與SN65HVD10的R，D口相連，P2.1口與SN65HVD10的RE，DE口相連，通過標準通信協議RS-485接收上位機指令進行測量后，芯片SN65HVD10的B，A口發送數據給上位機。

      MSP430和超聲波信號放大電路由9V電池通過T1的電壓轉換芯片TPS77001提供3.6V電源。電阻R1和R2設置使芯片電壓輸出3.6V，C1和C2是實現芯片正常功能所需的推薦電容值。發送驅動直接由9V供電。開關S1是電源主開關。

      2.3.3 軟件設計

      運用MSP430系列單片機豐富的片內資源和簡潔的內核指令，可編制出性能優良的源程序。裝置采用flash型芯片MSP43012x，內有JTAG調試接口，只需一臺PC機和一個JTAG 調試器即可完成程序寫入。開發語言有匯編語言和C語言。

      系統具有高效率性。MSP430系列具有16位RISC結構，大量寄存器，較高的處理速度，可以編制出高效率的源代碼。

      系統具有高實時性。系統初始化后將CPU置于省電模式，串行通信產生中斷喚醒程序。在中斷服務程序里驅動發送換能器發出12個周期的40kHz方波信號，并允許定時器Timer_A 的捕捉中斷，同時定時器Timer_A 用于記數40kHz的晶振頻率。比較器Comparator_A 接收到回聲信號觸發定時器Timer_A 的捕捉功能來獲得捕捉/比較寄存器CCR1中的記數值。單片機計算出系統到目標的距離，通過查預先設置在程序中的溫度和聲速關系的列表進行測量數據的溫度補償，得出液位的相關數據，并將數據通過通信電纜傳輸至上位機。然后MSP430進入LMP3睡眠模式。由串行通信中斷信號喚醒MSP430重復下一個測量周期。

      系統具有高穩定性。如果晶體振蕩器在用作CPU，時鐘時發生故障，DCO會自動啟動，程序中可將DCO設置成40kHz來保證系統正常工作。在程序中設置看門狗，一旦程序跑偏，可用看門狗將其復位。

      3 系統通信

      液位傳感器和上位機的通信方式選擇了具有可靠性高、距離遠、通信速率較高、性能價格比高等優點的標準通信協議RS485方式，在計算機和液位計間有RS485/RS232通信轉換裝置。若干個傳感器接在同一通信電纜上，井下通信狀態如圖4所示。計算機作為上位機通過通信給傳感器順序發出測量指令，傳感器順序返回測量數據，計算機計算并顯示當前各流量計流量和累計流量，一旦流量有異常增大即自動報警。

      4 應用情況

      孔莊礦-375水平吸水井有主水倉和副水倉，4臺水泵，2臺運行，1臺檢修，1臺備用。試驗時，考慮到現場情況，分別在主水倉和副水倉進水口各安裝一組超聲波明渠流量計。取連續一周的樣本，由試驗數據得知流量計的平均誤差為1.34%，誤差為1.90%，說明本裝置能夠實現對礦井水流量的實時監測；同時在實驗中發現，由于液位計采用電池供電，系統長時間運行將對測量精度有影響。

      5 結語

      明渠流量計中帕歇爾槽上的玻璃鋼測井裝置耐腐蝕、易安裝；超聲波測位計體積小，密封性好、安裝和維護方便，供電等設計能滿足煤礦設備的本安防爆特性，整個儀器電路簡單可靠、故障率低，測量精度高，能夠適用于各種環境。其在井下排水流量監測系統中能夠有效監測排水流量，為實時監測井下生產狀態提供了可能。

      在孔莊礦的實踐證明，超聲波明渠流量計測量精度較高，運行安全可靠、穩定有效。但也需要進一步完善，通過對其的逐步完善，將在煤礦安全生產管理工作中發揮更大作用。

      參考文獻：

      [1] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機［M］. 北京：北京航空航天大學出版社，2001.