CN104729585B - 一种新型机械式煤矿水仓水深水位的测量方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于煤矿自动化检测领域，公开了一种用于煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度的测量方法及其装置。传统的煤矿水仓深度测量的方式主要是靠超声波的检测，由于泥水界面的交界处水很浑浊，导致效果很差。本发明的测量方法是通过可编程序控制器实时采集光电编码器的旋转脉冲信号，从而测量和计算得出滚筒下方重锤的下降位移、速度、加速度和加速度差等实时数据，判断水仓水面和水仓泥水界面两个临界点，从而计算出重锤的下落距离，最终得到煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度。本发明的测量装置由滚筒提升装置、夹紧装置和控制装置三部分组成。本发明是一种机械式检测传感器，抗污染能力强，实现了水仓水深、水位和和煤泥厚度三者同时检测。

Description

一种新型机械式煤矿水仓水深水位的测量方法及其装置
技术领域
本发明属于煤矿自动化检测领域，涉及一种用于煤矿水仓的水深、水位和煤泥厚度的测量方法及其装置。
背景技术
传统的煤矿水仓水深、水位测量的方式主要是靠超声波的检测，由于煤矿水仓泥水界面的交界处水很浑浊，导致测量效果很差，容易误判，目前，没有一款传感器能够可靠地实现煤矿水仓水位、水深和煤泥厚度的同时检测。
本发明针对现有煤矿水仓的数字化监测和控制的难题，设计了一款安全稳定、性能可靠的机械式煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度检测传感器，实现了煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度三者同时检测的功能，有助于实现煤矿水仓的自动化可靠监控。
发明内容
本发明的目的是：为解决现有技术没法准确测量煤仓水深、水位和煤泥厚度的问题，本发明提出了一种新型机械式煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度的测量方法及其装置。该测量装置通过可编程序控制器实时检测光电编码器的旋转脉冲信号，从而测量和计算得出滚筒钢丝绳下方重锤的下降位移、速度、加速度和加速度差等实时数据，判断水仓水面和水仓泥水界面两个临界点，进而计算出重锤的下落距离，最终得到煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度。
本发明的技术方案是：
重锤14从外壳2底部开始自由下落，至下落到水仓15的泥水界面处y的整个下降过程中，以时间间隔Δt为采样周期，实时采集重锤14下降的位移L0,L1,…,Ln；设光电编码器1旋转一圈输出脉冲数为M,滚筒6直径为D1；设在某一时刻，可编程序控制器采集到光电编码器1输出的脉冲数为N，则重锤14下降的位移L为：
根据采样周期Δt，计算出各采样点间的平均速度序列V0,V1,…,Vn-1，其中Vi为：
根据采样周期Δt和速度序列V0,V1,…,Vn-1，计算出加速度序列a0,a1,…,an-2和相邻加速度差序列b0,b1,…,bn-3；其中ai,bi分别为：
bi＝ai+1-ai(0≤i≤n-3)
设新型机械式煤矿水仓水位测量装置的重锤14直径为D2，外壳2距离水仓底面的高度为L0，水仓高度为H,水仓水深为h1,水仓煤泥厚度为h2。
假设当i＝x1(0≤x1≤n-3)，相邻加速度差bi由零变为负值，则此时重锤开始进入水仓水面，由于受到水的阻力作用，导致相邻加速度差bi由零变为负值。由此确定出水仓水面x处的临界采样点x1(0≤x1≤n-3)，此时重锤下落的位移Lx1+1。
假设当i＝y1(0≤y1≤n-3)，相邻加速度差bi取负值中的最小值，则此时重锤达到水仓泥水界面交界处，由于受到水仓泥水界面煤泥的阻力作用，导致相邻加速度差bi为负值的最小值。由此确定出水仓泥水界面y处的临界采样点y1(0≤y1≤n-3)，此时重锤下落的位移Ly1+1。
则水仓水深h1为：h1＝Ly1+1-Lx1+1；
水仓水深煤泥厚度h2为：h2＝L0-D2-Ly1+1；
水仓水位h为：h＝h1+h2＝L0-D2-Lx1+1。
新型机械式煤矿水仓水位测量装置由滚筒提升装置、夹紧装置和控制装置三部分组成。
滚筒提升装置由光电编码器1、外壳2、左联轴器3、左轴承支座4、钢丝绳5、滚筒6、右轴承支座7、右联轴器8、滚筒电动机9和重锤14组成；滚筒提升装置主要用于重锤14的提升；通过右联轴器8与滚筒6相连，滚筒6上缠绕着钢丝绳5，钢丝绳5末端连接重锤14，滚筒6轴通过左联轴器3与光电编码器1相连；滚筒电动机9转动带动滚筒6旋转，实现钢丝绳5收绳的动作，将重锤14提起。
夹紧机构由丝杠10、夹紧电动机11、光轴12和夹紧挡板13组成；夹紧机构的功能是阻碍重锤14因重力作用下自由下落；夹紧电动机11的轴与丝杠10连接在一起，丝杠10的另一端连接带有螺纹孔夹紧挡板13，同时夹紧挡板13的光孔与光轴12来连接。当夹紧挡板13紧压在滚筒6表面时，由于滚筒6表面摩擦力，阻止滚筒6旋转，从而使重锤14停止自由下落。
控制装置由可编程序控制器、光电编码器1、光电开关、电源、滚筒电动机9和夹紧电动机11组成。
控制装置的检测控制过程为：在可编程序控制器的自动控制下，当光电开关获得输入信号时，夹紧挡板13松开滚筒6，重锤14在自身重力作用下开始自由下落，测量开始；当重锤14下落到水仓泥水界面y处时，可编程序控制器控制滚筒电动机9动作，通过滚筒6和钢丝绳5将重锤14提起；可编程序控制器控制夹紧电动机9动作，通过丝杠10、光轴12和夹紧挡板13，将夹紧挡板13紧压在滚筒6表面，重锤14停止下落，测量结束。
本发明的有益效果是：精准可靠的监测煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度，为煤矿水仓水位报警和煤泥厚度超限报警提供了可靠的检测手段，有助于实现煤矿水仓的数字化监控。
附图说明
图1为本发明一种新型机械式煤矿水仓水深水位测量装置的俯视图；图2为图1的剖视图，显示出了滚筒6、滚筒电动机9、重锤14以及光电编码器1的布置情况；图3为在去除图1中光电编码器1、左联轴器3、左轴承支座4、右联轴器7、右轴承支座8、滚筒电动机9之后的夹紧装置的局部放大图，通过图3可以清楚的看到夹紧机构的布置形式；图4为新型机械式煤矿水仓水深水位测量装置进行水仓水深、水位和煤泥厚度测量的原理图。
图1中，1为光电编码器、2为外壳、3为左联轴器、4为左轴承支座、5为钢丝绳、6为滚筒、7为右轴承支座、8为右联轴器、9为滚筒电动机、10为丝杠、11为夹紧电机、12为光杆、13为夹紧挡板；此外还有可编程序控制器、光电开关、电源以及连接导线。
图2中，1为光电编码器、2为外壳、3为左联轴器、4为左轴承支座、5为钢丝绳、6为滚筒、7为右轴承支座、8为右联轴器、9为滚筒电动机、14为重锤。
图3中，10为丝杠、11为夹紧电动机、12为光杆、13为夹紧挡板。
图4中，2为外壳，14为重锤、15为水仓；图4中重锤14的直径为D2，外壳2距离水仓底面的高度为L0，水仓高度为H,水仓水深为h1,水仓煤泥厚度为h2，水仓水面处为x，水仓泥水界面处为y。
具体实施方式
一种新型机械式煤矿水仓水深水位测量装置如图1，由光电编码器1、外壳2、左联轴器3、左轴承支座4、钢丝绳5、滚筒6、右轴承支座7、右联轴器8、滚筒电动机9组成滚筒提升装置。
由丝杠10、夹紧电动机11、光杆12、夹紧挡板13组成夹紧装置。
如图2，滚筒电动机9通过右联轴器8与滚筒6相连，滚筒6上缠绕着钢丝绳5，滚筒电动机9转动带动滚筒6旋转，实现收起钢丝绳5的动作，最终将重锤14提起；同时滚筒6轴通过左联轴器3与光电编码器1相连，由光电编码器1实时检测滚筒6的转动角度。
如图3，夹紧电动机11的轴与丝杠10连接在一起，丝杠10的另一端连接带有螺纹孔夹紧挡板13；丝杠10和夹紧挡板13构成丝杠螺母副；夹紧挡板13的光孔与光轴12来连接，光轴12起到限制夹紧挡板13旋转的目的。这样，通过夹紧电动机11的正反方向转动，就可以实现夹紧挡板13对滚筒6的夹紧与松开。
一种新型机械式煤矿水仓水深水位测量装置的测量过程如下：
(1)寻找检测零位
夹紧电动机11正转解除滚筒6闭锁，启动滚筒电动机9正转，驱动重锤14下降0.5m，然后滚筒电动机9反转，驱动重锤14上升到测量装置的外壳2的表面，此刻滚筒电动机9反转堵转，可认为重锤14位于初始检测零位。
(2)检测水仓水面x
滚筒电动机9断电(此时夹紧电动机11通电，滚筒6闭锁已经解除)，重锤14在自身重力作用下，克服减速机阻力、空气阻力等向下运动。由于重锤14在空气和水中遇到的阻力不同，所以钢球进入水中的瞬间，加速度发生突变。通过编码器测到的数据，可算出重锤14自初始检测零位到水仓水面处x的位移量Lx1+1。
(3)检测水仓泥水界面y
重锤14进入水中后，继续往下运动。当接触到水仓的泥水界面y时，重锤14受到煤泥的阻力，加速度发生突变为负值的最小值，记下此时编码器的脉冲数，即得到初始零位到泥水界面的距离Ly1+1。
已知初始检测零位到水仓底板的高度为L0,则
水仓水深h1为h1＝Ly1+1-Lx1+1,
水仓水深煤泥厚度h2为：h2＝L0-D2-Ly1+1，
水仓水位h为h＝h1+h2＝L0-D2-Lx1+1。
(4)重锤14返回初始检测零位
当检测到重锤14运动加速度发生突变为负值的最小值时，延迟0.1s，启动滚筒电动机9反转，通过钢丝绳5将重锤14提升上去，当重锤14回到初始检测零位时，夹紧电动机11反转，使滚筒6闭锁，滚筒电动机9断电。本次测试结束。
(5)计算平均值
多次重复(1)-(4)过程，计算煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度的平均值，并存储。

Claims (1)

1.一种机械式煤矿水仓水深水位测量装置的测量过程如下：
(1)寻找检测零位
夹紧电动机(11)正转解除滚筒(6)闭锁，启动滚筒电动机(9)正转，驱动重锤(14)下降0.5m，然后滚筒电动机(9)反转，驱动重锤(14)上升到测量装置的外壳(2)的表面，此刻滚筒电动机(9)反转堵转，可认为重锤(14)位于初始检测零位；
(2)检测水仓水面x
滚筒电动机(9)断电，此时夹紧电动机11通电，滚筒（6）闭锁已经解除，重锤(14)在自身重力作用下，克服减速机阻力、空气阻力向下运动；由于重锤(14)在空气和水中遇到的阻力不同，所以钢球进入水中的瞬间，加速度发生突变；通过编码器测到的数据，可算出重锤(14)自初始检测零位到水仓水面处x的位移量Lx1+1；
(3)检测水仓泥水界面y
重锤(14)进入水中后，继续往下运动；当接触到水仓的泥水界面y时，重锤(14)受到煤泥的阻力，加速度发生突变为负值的最小值，记下此时编码器的脉冲数，即得到初始零位到泥水界面的距离Ly1+1；已知初始检测零位到水仓底板的高度为L0,则
水仓水深h1为h1＝Ly1+1-Lx1+1,
水仓水深煤泥厚度h2为：h2＝L0-D2-Ly1+1，
水仓水位h为h＝h1+h2＝L0-D2-Lx1+1；
(4)重锤(14)返回初始检测零位
当检测到重锤(14)运动加速度发生突变为负值的最小值时，延迟0.1s，启动滚筒电动机(9)反转，通过钢丝绳(5)将重锤(14)提升上去，当重锤(14)回到初始检测零位时，夹紧电动机(11)反转，使滚筒(6)闭锁，滚筒电动机(9)断电，本次测试结束；
(5)计算平均值
多次重复(1)-(4)过程，计算煤矿水仓水深、水位和煤泥厚度的平均值，并存储；
机械式煤矿水仓水位测量装置由滚筒提升装置、夹紧装置和控制装置三部分组成；
滚筒提升装置由光电编码器(1)、外壳(2)、左联轴器(3)、左轴承支座(4)、钢丝绳(5)、滚筒(6)、右轴承支座(7)、右联轴器(8)、滚筒电动机(9)和重锤(14)组成；滚筒提升装置主要用于重锤(14)的提升；通过右联轴器(8)与滚筒(6)相连，滚筒(6)上缠绕着钢丝绳(5)，钢丝绳(5)末端连接重锤(14)，滚筒(6)轴通过左联轴器(3)与光电编码器(1)相连；滚筒电动机(9)转动带动滚筒(6)旋转，实现钢丝绳(5)收绳的动作，将重锤(14)提起；
夹紧机构由丝杠(10)、夹紧电动机(11)、光轴(12)和夹紧挡板(13)组成；夹紧机构的功能是阻碍重锤(14)因重力作用下自由下落；夹紧电动机(11)的轴与丝杠(10)连接在一起，丝杠(10)的另一端连接带有螺纹孔夹紧挡板(13)，同时夹紧挡板(13)的光孔与光轴(12)来连接；当夹紧挡板(13)紧压在滚筒(6)表面时，由于滚筒(6)表面摩擦力，阻止滚筒(6)旋转，从而使重锤(14)停止自由下落；
控制装置由可编程序控制器、光电编码器(1)、光电开关、电源、滚筒电动机(9)和夹紧电动机(11)组成；
控制装置的检测控制过程为：在可编程序控制器的自动控制下，当光电开关获得输入信号时，夹紧挡板(13)松开滚筒(6)，重锤(14)在自身重力作用下开始自由下落，测量开始；当重锤(14)下落到水仓泥水界面y处时，可编程序控制器控制滚筒电动机(9)动作，通过滚筒(6)和钢丝绳(5)将重锤(14)提起；可编程序控制器控制夹紧电动机(9)动作，通过丝杠(10)、光轴(12)和夹紧挡板(13)，将夹紧挡板(13)紧压在滚筒(6)表面，重锤(14)停止下落，测量结束；
重锤(14)从外壳(2)底部开始自由下落，至下落到水仓(15)的泥水界面处y的整个下降过程中，以时间间隔Δt为采样周期，实时采集重锤(14)下降的位移L0,L1,…,Ln；设光电编码器(1)旋转一圈输出脉冲数为M,滚筒(6)直径为D1；设在某一时刻，可编程序控制器采集到光电编码器(1)输出的脉冲数为N，则重锤(14)下降的位移L为：
根据采样周期Δt，计算出各采样点间的平均速度序列V0,V1,…,Vn-1，其中Vi为：
根据采样周期Δt和速度序列V0,V1,…,Vn-1，计算出加速度序列a0,a1,…,an-2和相邻加速度差序列b0,b1,…,bn-3；其中ai,bi分别为：
bi＝ai+1-ai(0≤i≤n-3)，
设机械式煤矿水仓水位测量装置的重锤(14)直径为D2，外壳(2)距离水仓底面的高度为L0，水仓高度为H,水仓水深为h1,水仓煤泥厚度为h2；
假设当i＝x1(0≤x1≤n-3)，相邻加速度差bi由零变为负值，则此时重锤(14)开始进入水仓水面，由于受到水的阻力作用，导致相邻加速度差bi由零变为负值；由此确定出水仓水面x处的临界采样点x1(0≤x1≤n-3)，此时重锤(14)下落的位移Lx1+1；
假设当i＝y1(0≤y1≤n-3)，相邻加速度差bi取负值中的最小值，则此时重锤(14)达到水仓泥水界面交界处，由于受到水仓泥水界面煤泥的阻力作用，导致相邻加速度差bi为负值的最小值；由此确定出水仓泥水界面y处的临界采样点y1(0≤y1≤n-3)，此时重锤(14)下落的位移Ly1+1；
则水仓水深h1为：h1＝Ly1+1-Lx1+1；
水仓水深煤泥厚度h2为：h2＝L0-D2-Ly1+1；
水仓水位h为：h＝h1+h2＝L0-D2-Lx1+1。
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