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巴歇尔槽在智能流量传感器中的应用 

矿井水害一直是困扰国内煤炭安全生产的一个重大问题,其主要的表现形式是矿井涌水量的突然增大,超出矿井排水系统的排水能力。因此,井下出水点的涌水量监测被作为预防水害发生的一项非常重要的工作。然而,由于煤矿井下条件比较恶劣,水中杂物也比较多,容易造成淤积,使所选用传感器不能正常工作。所以,有必要研制一种适合恶劣环境下排水流量测量的传感器。 

1 巴歇尔槽

巴歇尔槽(Parshall flume)简称P槽或巴氏槽,是一种明渠量水堰槽。巴歇尔槽为矩形横断面短喉道槽,由上游均匀收缩段、喉道段和喉道下游均匀扩散段3部分组成。根据喉道宽度尺寸(b)分为3种类型:小型槽、标准型槽和大型槽。小型槽:b=0·076 m,0·152 m,0·220 m;标准型槽:b=0·25~2·4 m;大型槽:b=3·05~15·24 m[1]. 

    与其他明渠流量计比较,巴歇尔槽有以下显著特点:水中固态物质几乎不沉积,随水流排出;水位抬高比堰小,仅为1/4,适用于不允许有大落差的渠道。

显然,巴歇尔槽很适合井下用于测量煤矿井下排水沟渠的流量。

1·1 技术要 

进口收缩段要求底面严格水平,两侧边墙与底面垂直与纵轴线成1:5的比值对称收缩。喉道段两侧边墙互相平行,喉道宽度(b)尺寸准确。为了预防超出设计标准的洪水漫溢,进口收缩段边墙高度应增加0·35~0·50 m超高。上下游翼墙长度取决于河渠的宽度,要求翼墙插入河渠两岸的长度不得少于0·4~0·5 m.

安装时应注意:

(1)巴歇尔槽中心线应与行近渠中心线重合;

(2)顺直的行进渠槽长度应不小于5倍的行近渠宽度;

(3)巴歇尔槽的进口和出口段应加以防护。上游护底长一般为4hmax(hmax为实测最大水头值),下游护底长度为6hmax~8hmax;

(4)堰体施工允许误差:喉道宽度(b)允许相对偏差为宽度的0·2%,最大偏差值≤0·01 m.喉道的水平长度允许相对偏差为水平长度的0·1%。堰高的允许相对偏差为设计堰高的1·0%,最大偏差值≤0·02 m.

另外,为了保证所测水位不受流动性的影响,在行近渠槽的一侧建静水井,由连通管与行近渠槽水流相通,用水位传感器观测静水井中的水位,即巴氏槽中的水位。观测位置在堰顶上游收缩段2/3处,如图1所示[2]。

1·2 巴歇尔槽结构尺寸和水位的关系

标准巴歇尔槽具体结构尺寸可参考JJG711—1990(明渠堰槽流量计试行检定规程)。水位与流量的关系如下:

式中:a=b0·026;b为喉道宽;Q为常数;h为实测水头。

2 智能流量传感器的设计

智能流量传感器主要由巴歇尔槽、电容式水位传感器、温度传感器DS18B20、A/D转换器AD7705、单片机P89LPC932[3]及M-BUS总线通信接口电路等部分组成。电容式水位传感器用于测量流经巴歇尔槽行近渠槽的实测水头h;温度传感器用于测量水的温度;M-BUS总线通信接口电路用于智能流量传感器与设置器或者监测分站进行通信,并且通过M-BUS总线接口可以实现智能流量传感器的远程供电[4]。工作流程如下:

将巴歇尔槽安装在煤矿井下的排水沟里,并在巴歇尔槽行进渠槽一侧的静水井水中放置水位传感器和温度传感器DS18B20。然后,将它们连接到智能流量传感器的数据采集板上,如图2所示。电容式水位传感器采用直流5 V供电,输出为0·5~4·5 V直流信号。在(5±0·5)V的情况下,输出虽然变化,但其线性、重复性和温度系数不变。来自水位传感器的模拟电压经过A/D转换后送到单片机并进行相关处理后,得到水头高度h,然后单片机再根据式(1)计算出流量,并将得到的流量和DS18B20测得的水温通过底层M-BUS总线送到监测分站[5],监测分站将来自底层的数据存储。最后,监测分站根据监控中心计算机的命令,通过M-BUS总线将所存储数据送到监控中心计算机进行处理。如果出现异常,如流量突然增长超过了警界线,监控中心计算机就会报警,以提醒工作人员及时采取措施,以免发生不必要的灾难。设置器用于对智能流量传感器进行初始化或者相关参数(如地址、公式计算系数等)的修改。具体的流程图如图3所示。

实践证明:基于巴歇尔槽的智能流量传感器在矿井水文监测系统中运行可靠、稳定,测量准确,很好地起到了监测煤矿井下排水流量的作用。

3 结束语

基于巴歇尔槽的智能流量传感器安装简单、通用性强、成本低、易维护,而且测量准确。可应用于城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业废水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道等。目前,使用基于巴歇尔槽的智能流量传感器的矿井水文自动监测报警系统已经在全国几十个煤矿推广使用,社会反映良好,市场前景广阔。

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