張業(yè)明，李智國，王 耿，李中凱，劉 旭，王昆鵬

(1.河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作454000;2.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州221116;3.廈門大學(xué) 物理與機電工程學(xué)院，福建 廈門361005)

0 引 言

在化工、煤炭等生產(chǎn)企業(yè)大量存在蓄水池、水倉等設(shè)施，這些設(shè)施的水深和水位信息對于企業(yè)的安全生產(chǎn)非常重要。目前，水位的檢測有直讀式液位儀表、差壓式液位儀表［1～3］、浮力式液位儀表、光電或光纖液位儀表［4，5］、超聲波液位儀表［6～9］和電容式液位儀表［10，11］等。常規(guī)的檢測方法存在以下問題:接觸式傳感器一旦浸入水中，容易導(dǎo)致傳感器遇水短路、腐蝕等檢測問題，最終導(dǎo)致檢測信號異常，無法實現(xiàn)液位和水深的同時檢測;非接觸式傳感器因為蓄水池內(nèi)有懸浮物、顆粒等物料，無法準(zhǔn)確測量出水深。當(dāng)前還沒有一種傳感器能夠同時檢測水深和水位。

為解決準(zhǔn)確測量蓄水池水深和水位的問題，本文設(shè)計了一種帶增量式編碼器的滾筒提升重錘的測量裝置，實現(xiàn)了蓄水池水深和水位的可靠測量。

1 測量裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 為新型機械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測量裝置的剖視圖。圖2 為測量裝置的俯視圖與電氣接線。圖3 為測量裝置的測量原理圖，其中，重錘直徑為D2，外殼距離蓄水池底面的高度為L0，蓄水池高度為H，蓄水池水深為h1，蓄水池沉淀物料厚度為h2，蓄水池水面處為x，固液界面處為y。

圖1 水深水位測量裝置的剖視圖Fig 1 Sectional view of water depth and water level measurement device

圖2 水深水位測量裝置的俯視圖與電氣接線Fig 2 Top view of water depth and water level measurement device and its electrical wiring

圖3 水深水位測量裝置的測量原理圖Fig 3 Measuring principle diagram of water depth and water level measurement device

新型機械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測量裝置由滾筒提升裝置、夾緊裝置和控制裝置三部分組成。

1)在滾筒提升裝置中，滾筒電動機通過右聯(lián)軸器與滾筒軸相連，滾筒上纏繞著鋼絲繩，鋼絲繩末端連接重錘，滾筒軸通過左聯(lián)軸器與光電編碼器相連;滾筒電動機轉(zhuǎn)動帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鋼絲繩收繩的動作，將重錘提起。

2)夾緊裝置由絲杠、夾緊電動機、光軸和夾緊擋板組成;夾緊電動機的軸與絲杠連接在一起，絲杠的另一端連接帶有螺紋孔夾緊擋板，同時夾緊擋板的光孔與光軸來連接;當(dāng)夾緊擋板緊壓在滾筒表面時，由于滾筒表面摩擦力，阻止?jié)L筒旋轉(zhuǎn)，從而使重錘停止自由下落。

3)控制裝置由可編程序控制器、光電編碼器、光電開關(guān)、電源、滾筒電動機和夾緊電動機組成?？删幊绦蚩刂破餍吞枮槲鏖T子S7—200 SMART SR20，光電編碼器型號為HN3806—600—AB，光電開關(guān)型號為E3S—GS15N。滾筒電動機和夾緊電動機采用37GB528 型12 V 供電減速馬達。

2 測量裝置的測量原理與測量步驟

2.1 測量原理

由于重錘的自身重力大于滾筒電動機的減速器的機械阻力，當(dāng)夾緊裝置松開以后，重錘會因為重力作用下加速下落。在重錘自由下降的過程中，通過實時檢測光電編碼器輸出的旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，可以得到重錘下降的位移、速度、加速度，找出重錘下降的加速度突變點，由此判斷出蓄水池的水面和固液界面兩個臨界點，進而計算出蓄水池的水深和水位。

從測量裝置外殼底部重錘開始自由下落起，至下落到蓄水池的固液界面處y 的整個過程中，以時間間隔Δt 為采樣周期，實時采集重錘下降的位移L0，L1，…，Ln。設(shè)光電編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出脈沖數(shù)為M，滾筒直徑為D1，重錘直徑為D2;設(shè)在某一時刻t，可編程序控制器采集到光電編碼器輸出的脈沖數(shù)為N，則重錘下降位移L 為

根據(jù)采樣周期Δt 和位移序列，計算出各采樣點間的平均速度序列V0，V1，…，Vn－1，其中，Vi為

根據(jù)采樣周期Δt 和速度序列V0，V1，…，Vn－1，計算出加速度序列a0，a1，…，an－2和相鄰加速度差序列b0，b1，…，bn－3;其中，ai，bi分別為

假設(shè):1)當(dāng)i=x1(0≤x1≤n－3)，相鄰加速度差bi由零變?yōu)樨撝担瑒t此時重錘開始進入蓄水池水面，由于受到水的阻力作用，導(dǎo)致相鄰加速度差bi由零變?yōu)樨撝?。由此確定出蓄水池x 處的臨界采樣點x1(0≤x1≤n－3)，此時重錘下落的位移Lx1+1;2)當(dāng)i=y1(0≤y1≤n－3)，相鄰加速度差取負值中的最小值，則此時重錘達到蓄水池固液界面交界處，由于受到蓄水池固態(tài)物料的阻力作用，導(dǎo)致相鄰加速度差bi為負值的最小值。由此確定出蓄水池y 處的臨界采樣點y1(0≤y1≤n－3)，此時重錘下落的位移Ly1+1。于是，有:

1)蓄水池水深h1為

2)蓄水池沉淀物料厚度h2為

3)蓄水池水位h 為

2.2 測量步驟

1)尋找檢測零位

光電開關(guān)輸入信號，夾緊電動機正轉(zhuǎn)解除滾筒閉鎖，啟動滾筒電動機正轉(zhuǎn)，驅(qū)動重錘下降0.5 m，然后滾筒電動機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動重錘上升到測量裝置的外殼的表面，此刻滾筒電動機反轉(zhuǎn)堵轉(zhuǎn)，可認(rèn)為重錘位于初始檢測零位。

2)檢測蓄水池水面x

滾筒電動機斷電(此時夾緊電動機通電，滾筒閉鎖已經(jīng)解除)，重錘在自身重力作用下，克服減速機阻力、空氣阻力等向下運動。重錘進入水面x 的瞬間，加速度發(fā)生突變。通過編碼器測到的數(shù)據(jù)，可算出重錘自初始檢測零位到蓄水池水面x 的位移量Lx1+1。

3)檢測蓄水池固液界面y

重錘進入水中后，繼續(xù)往下運動。當(dāng)接觸到蓄水池固液界面y 時，重錘受到蓄水池固體物料的阻力，加速度發(fā)生突變?yōu)樨撝档淖钚≈?，記下此時編碼器的脈沖數(shù)，即得到初始零位到固液界面y 的距離Ly1+1。

測量出初始檢測零位到蓄水池底板的高度L0，根據(jù)公式(5)、式(6)、式(7)，計算出蓄水池水深h1、蓄水池沉淀物料厚度h2和蓄水池水位h。

4)重錘返回初始檢測零位

當(dāng)檢測到重錘運動加速度發(fā)生突變?yōu)樨撝档淖钚≈禃r，延遲0.1 s，啟動滾筒電動機反轉(zhuǎn)，通過鋼絲繩將重錘提升上去，當(dāng)重錘回到初始檢測零位時，夾緊電動機反轉(zhuǎn)，使?jié)L筒閉鎖，滾筒電動機斷電。本次測試結(jié)束。

5)計算平均值

多次重復(fù)步驟(1)～(4)過程，計算蓄水池水深、沉淀物料厚度和水位的平均值，并存儲。

3 測量裝置的控制程序設(shè)計

新型機械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測量裝置的PLC 控制程序的總流程圖如圖4 所示，PLC 控制程序的運行時序圖如圖5 所示。

圖4 測量裝置的PLC 控制程序的流程圖Fig 4 Flow chart of PLC control program of measurement device

圖5 測量裝置的PLC 控制程序的運行時序圖Fig 5 Running sequence diagram of PLC control program for measuring device

4 具體應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理

重錘質(zhì)量取360，510 g 兩種情況，采樣時間間隔取0.2，0.15，0.12，0.10 s 四種情況，分別在實驗室進行測量實驗。表1 和表2 分別為360，510 g 重錘在不同采樣時間下的測量數(shù)據(jù)。

表1 360 g 重錘時測量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement datas when hammer weight is 360g

表2 510 g 重錘時的測量數(shù)據(jù)Tab 2 Measurement datas when hammer weight is 510 g

圖6 為重錘510 g 采樣間隔0.10 s 時的采樣數(shù)據(jù)曲線。

經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)對比可知，采樣時間越短其在臨界位置的判斷越為清晰，但當(dāng)采樣時間過短時其脈沖間的數(shù)據(jù)波動較大而不利于水面和固液界面兩個臨界點的界定。綜合分析，確定出重錘為510 g、采樣時間間隔為0.10 s 時測量效果最佳，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果最為理想，其水深測量誤差小于1%。

圖6 重錘510 g 采樣間隔0.10 s 時的數(shù)據(jù)曲線Fig 6 Data curve when hammer weight is 510 g and sampling interval is 0.10 s

5 結(jié)束語

機械式旋轉(zhuǎn)脈沖水深水位測量裝置采用S7—200 SMART SR20 為控制器，通過對重錘自由下降過程中光電編碼器輸出旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的實時檢測，完成蓄水池水深、水位、物料厚度的自動測量，有助于實現(xiàn)蓄水池的可靠自動檢測和狀態(tài)監(jiān)視。該測量裝置抗污染能力強，誤差較小，能同時檢測水深、水位和沉淀物料厚度，作為煤礦水倉自動控制系統(tǒng)的組成部分，已經(jīng)成功應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)。

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