巴歇爾槽在智能流量傳感器中的應用

巴歇爾槽在智能流量傳感器中的應用，礦井水害一直是困擾國內煤炭安全生產的一個重大問題,其主要的表現形式是礦井涌水量的突然增大,超出礦井排水系統的排水能力。因此,井下出水點的涌水量監測被作為預防水害發生的一項非常重要的工作。然而,由于煤礦井下條件比較惡劣,水中雜物也比較多,容易造成淤積,使所選用傳感器不能正常工作。所以,有必要研制一種適合惡劣環境下排水流量測量的傳感器。

1 巴歇爾槽

巴歇爾槽(Parshall flume)簡稱P槽或巴氏槽,是一種明渠量水堰槽。巴歇爾槽為矩形橫斷面短喉道槽,由上游均勻收縮段、喉道段和喉道下游均勻擴散段3部分組成。根據喉道寬度尺寸(b)分為3種類型:小型槽、標準型槽和大型槽。小型槽:b=0·076 m,0·152 m,0·220 m;標準型槽:b=0·25~2·4 m;大型槽:b=3·05~15·24 m[1].

與其他明渠流量計比較,巴歇爾槽有以下顯著特點:水中固態物質幾乎不沉積,隨水流排出;水位抬高比堰小,僅為1/4,適用于不允許有大落差的渠道。

顯然,巴歇爾槽很適合井下用于測量煤礦井下排水溝渠的流量。

1·1 技術要求

進口收縮段要求底面嚴格水平,兩側邊墻與底面垂直與縱軸線成1:5的比值對稱收縮。喉道段兩側邊墻互相平行,喉道寬度(b)尺寸準確。為了預防超出設計標準的洪水漫溢,進口收縮段邊墻高度應增加0·35~0·50 m超高。上下游翼墻長度取決于河渠的寬度,要求翼墻插入河渠兩岸的長度不得少于0·4~0·5 m.

安裝時應注意:

(1)巴歇爾槽中心線應與行近渠中心線重合;

(2)順直的行進渠槽長度應不小于5倍的行近渠寬度;

(3)巴歇爾槽的進口和出口段應加以防護。上游護底長一般為4hmax(hmax為實測最大水頭值),下游護底長度為6hmax~8hmax;

(4)堰體施工允許誤差:喉道寬度(b)允許相對偏差為寬度的0·2%,最大偏差值≤0·01 m.喉道的水平長度允許相對偏差為水平長度的0·1%。堰高的允許相對偏差為設計堰高的1·0%,最大偏差值≤0·02 m.

另外,為了保證所測水位不受流動性的影響,在行近渠槽的一側建靜水井,由連通管與行近渠槽水流相通,用水位傳感器觀測靜水井中的水位,即巴氏槽中的水位。觀測位置在堰頂上游收縮段2/3處,如圖1所示[2]。

1·2 巴歇爾槽結構尺寸和水位的關系

標準巴歇爾槽具體結構尺寸可參考JJG711—1990(明渠堰槽流量計試行檢定規程)。水位與流量的關系如下:

式中:a=b0·026;b為喉道寬;Q為常數;h為實測水頭。

2 智能流量傳感器的設計

智能流量傳感器主要由巴歇爾槽、電容式水位傳感器、溫度傳感器DS18B20、A/D轉換器AD7705、單片機P89LPC932[3]及M-BUS總線通信接口電路等部分組成。電容式水位傳感器用于測量流經巴歇爾槽行近渠槽的實測水頭h;溫度傳感器用于測量水的溫度;M-BUS總線通信接口電路用于智能流量傳感器與設置器或者監測分站進行通信,并且通過M-BUS總線接口可以實現智能流量傳感器的遠程供電[4]。工作流程如下:

將巴歇爾槽安裝在煤礦井下的排水溝里,并在巴歇爾槽行進渠槽一側的靜水井水中放置水位傳感器和溫度傳感器DS18B20。然后,將它們連接到智能流量傳感器的數據采集板上,如圖2所示。電容式水位傳感器采用直流5 V供電,輸出為0·5~4·5 V直流信號。在(5±0·5)V的情況下,輸出雖然變化,但其線性、重復性和溫度系數不變。來自水位傳感器的模擬電壓經過A/D轉換后送到單片機并進行相關處理后,得到水頭高度h,然后單片機再根據式(1)計算出流量,并將得到的流量和DS18B20測得的水溫通過底層M-BUS總線送到監測分站[5],監測分站將來自底層的數據存儲。最后,監測分站根據中心計算機的命令,通過M-BUS總線將所存儲數據送到中心計算機進行處理。如果出現異常,如流量突然增長超過了警界線,中心計算機就會報警,以提醒工作人員及時采取措施,以免發生不必要的災難。設置器用于對智能流量傳感器進行初始化或者相關參數(如地址、公式計算系數等)的修改。具體的流程圖如圖3所示。

實踐證明:基于巴歇爾槽的智能流量傳感器在礦井水文監測系統中運行可靠、穩定,測量準確,很好地起到了監測煤礦井下排水流量的作用。

基于巴歇爾槽的智能流量傳感器安裝簡單、通用性強、成本低、易維護,而且測量準確。可應用于城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業廢水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道等。目前,使用基于巴歇爾槽的智能流量傳感器的礦井水文自動監測報警系統已經在全國幾十個煤礦推廣使用,社會反映良好,市場前景廣闊。