針對高速大體積帶式輸送機瞬時煤流量測量困難的問題，設計了一種基于超聲波的多點煤流量監測系統。介紹了系統的硬件、軟件和煤流檢測算法。在該系統中，利用超聲波傳感器和速度傳感器獲取帶式輸送機高速運行下的煤高、煤樁截面積、輸送機速度等參數，并采用煤流量檢測方法對數據進行擬合和分析。計算煤流量。試驗結果表明，該系統能準確測量輸送帶內的煤流量，測量精度可達91%。

0 引入

      皮帶輸送機具有輸送距離長、輸送量大且連續、易于實現自動控制和集中控制、構建相對等特點，在煤礦生產中得到了廣泛的應用。由于煤礦生產的特殊性，帶式輸送機系統的輸煤量是不均勻的，帶式輸送機的瞬時煤流量難以準確測量。目前帶式輸送機都是全速運轉，并沒有有效的手段來根據負載調整電機轉速。輕負載

      當無負載時，帶式輸送機系統的高速運行會使機械傳動系統磨損更嚴重，縮短設備的使用壽命，并產生大量的電能。

      近年來，由于變頻技術具有調速平穩、暫態穩定性高、節能等優點，國內外研究人員提出了基于輸送帶實時負荷的變頻調速方法。為了使輸送機在最佳負載狀態下運行，煤的瞬時流量成為可調帶式輸送機運行速度的重要指標[3]。目前煤的瞬時流量測量多采用電子卷尺、核秤等接觸方測量，測量精度容易受到物料分布不均勻等因素的影響。隨著帶式輸送機向高帶速、大體積方向發展，實時準確的瞬時煤流量檢測方法對保障帶式輸送機系統的生產安全、節能和提高生產效率具有重要意義。

      超聲波技術是一種能夠高效、高精度、實時測量被測物體物理高度的技術。它具有非接觸式測量、煤的質地特點和煤塵遮擋陰影小等優點，在煤礦生產中得到了廣泛的應用。根據對帶式輸送機煤流實時、連續、準確測量的要求，設計了一種基于超聲波的多點煤流監測系統。采用嵌入式技術對超聲波傳感器和速度傳感器進行控制，獲取帶式輸送機高速運行時的煤高、煤樁截面積、輸送機速度等參數。利用煤流量測量算法對數據進行擬合和分析，計算出帶式輸送機瞬時煤流量。該系統具有測量精度高、實時性好、可靠性高等優點，可為帶式輸送機的自適應節能控制技術提供實時、準確的數據源。

1. 1嵌入式處理單元硬件設計

      帶式輸送機多點煤流監測系統基于RAM處理設備sm32f103z et6，嵌入式處理單元由電源模塊、DM9000網卡、SSD RAM等組成。RAM處理器控制超聲波換能器、速度換能器和溫度傳感器進行數據采集，并將采集到的信號通過集成的A/D和D/A接口輸入信號進行轉換，存儲在SRRAM中。對對數數據進行擬合和分析，計算出輸送帶內煤流量的瞬時值。最后將監控數據通過dm9000網卡發送到上位機。

1.2軟件設計

      系統軟件主要完成外部傳感器的讀取、發送和接收信號的控制，并采用固定的計算方法對溫度、速度、煤堆高度等數據進行擬合計算，從而得到煤在輸送帶內的瞬時流量值。最后將監測數據通過網卡發送到上位機控制系統。當超聲波傳感器垂直向煤堆發射超聲波時，射頻處理器同時開始計數，當超聲波遇到障礙物反射回來時，當超聲波傳感器接收到反射的超聲波時，射頻處理器停止計時。根據超聲波在空氣中的傳播速度73和傳播時間t計算出離被測物體的出發點距離的高度，然后將超聲波傳感器的安裝高度、托輥長度、托輥角度、傳送帶速度等參數進行組合。實時計算煤流。另外，超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響較大，需要對工藝溫度進行補償。系統軟件流程路徑如圖3所示。

2. 準確檢測煤流量和煤量的原理及計算方法

2. 1超聲波測煤原理

      該系統利用超聲波傳感器采集帶式輸送機高速運行時輸送帶上的堆煤高度數據，并將速度傳感器測得的實時帶速信息進行整合，實現對物料瞬時流量的準確、高效測量。首先，建立超聲煤流測量的二維坐標尺度，如圖4所示。超聲波傳感器垂直安裝在輸送帶上方h處。探頭在嵌入式處理終端的控制下，向輸送帶上的煤堆發射一束超聲波脈沖。超聲波被物體表面反射，部分反射回波被探頭接收并轉換成電信號碼。超聲波發射和接收之間的時間與探頭和被測物體之間的距離成正比。所述嵌入式處理終端測量從發射到接收所經過的總時間，并基于所述已知的超聲波傳播速度計計算所述距離距離。

2.2輸送帶內煤的瞬時流量檢測算法

      瞬態流量檢測的原理是利用超聲波測量煤堆高度，通過堆垛角、托輥長度、托輥夾緊角等參數計算出截體積，進而計算出煤流量。計算超聲波在空氣中傳播速度的公式為

式中T為現場溫度 。
輸送帶上煤堆高H計算公式 為

式中：t為超聲波從發射到接收經過的時間 。

把輸送帶上煤堆截面積近似看為梯形，其截面積S計算公式為

式中： L為托輥長 度 ；0 為托 輥夾 角 。

輸送帶瞬時煤流量M計算公式 為

式中：為輸送帶運行速度；P為煤的密度 。

3.2輸送帶上累計煤量的準確測算

      輸送帶上的累計煤量由原有煤量和進入煤量組成，超聲波傳感器數據采集頻率為10次／s ， 時間t內輸送帶上累計煤量N的計算公式為

式中：N為流出煤量； M1為輸送帶上瞬時流出的煤量 。

3現場測試

      為了驗證基于超聲波的多點煤流監測系統的可靠性，在郭家灣煤礦進行了系統功能測試。郭家灣煤礦采煤先后經過運輸巷輸送帶、驅動輸送帶和主巷輸送帶。基于超聲波的煤流監測系統安裝在主斜井帶式輸送機的落煤點和主軸口處。2噸小車牽引的煤均勻分布在5110 3條運輸車道的帶式輸送機上。然后啟動主輸送系統，煤流監測系統記錄通過的煤量，最后將監測到的煤量數據與實際的煤量進行對比，驗證系統的可靠性。基于超聲波的多點煤流監測系統安裝如圖5所示。

利用傳感器在現場獲取的數據，計算出5 1103輸送頭煤流監測系統采集的煤量為M z 12。在176 t時，主斜井帶式輸送機落煤點煤流監測系統收集的煤量為M. 1 2。125 7 t，主要井口煤流監測、裝集煤量為M 4-2。22 t，檢測精度P ===2 / E(m2 + M). + m2) / 3] = 9 1。從以上數據可以看出，基于超聲波的多點煤流監測系統可以準確地探測煤流。

4結論

      基于超聲波的帶式輸送機煤流多點監測系統采用基于A M的嵌入式處理單元，控制超聲波傳感器和速度傳感器，獲取煤高和輸送機速度數據。結合堆料角、托輥長度、托輥夾緊角等參數，計算出煤的流量。實際現場試驗結果表明，該系統能夠準確地實時檢測輸送帶內的煤流，檢測精度達到91。該系統可為帶式輸送機自適應節能控制技術提供實時、準確的數據來源，對提高煤礦自動化水平、提高生產效率具有很大的應用價值。

參考文章:

[1] L. abV帶式輸送機監控系統分析。[j] .華蘭南方[d] . 73:安徽理工大學，2012。

[10]范守軍，吳文明，岳洪濤，等。基于煤流監測的帶式輸送機自動監控調速系統研究[j] .第二十四屆全國煤礦自動化與信息化學術會議暨第六屆中國煤礦信息化與自動化高層論壇，太原，2010:102 ~ 1。

[3]何忠波。帶式輸送機調速與節能控制研究[J]。神華技術，2013,31(2):91-93。

[4]顧偉，褚建新，甘世宏。煤炭碼頭吞吐量動態測量與誤差分析[J]。儀器儀表學報，2005,26(增刊1):589—590。

[5]曾飛，吳青，褚秀敏，等。帶式輸送機物料瞬時流量的激光測量方法[j]。湖南大學學報，2015,42(2):4 0 1 46。

[6]郎永平。東環沱礦煤倉煤位監測系統的應用實踐。煤礦液壓開采與管道運輸，2015,14(1):40-4。

[7]吳福祥，趙政，黃金興，等。非接觸式超聲流量檢測技術研究[J]。測控技術與儀器，2014,40(6):82—85。

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