针对高速大体积带式输送机瞬时煤流量测量困难的问题，设计了一种基于超声波的多点煤流量监测系统。介绍了系统的硬件、软件和煤流检测算法。在该系统中，利用超声波传感器和速度传感器获取带式输送机高速运行下的煤高、煤桩截面积、输送机速度等参数，并采用煤流量检测方法对数据进行拟合和分析。计算煤流量。试验结果表明，该系统能准确测量输送带内的煤流量，测量精度可达91%。

0 引入

      皮带输送机具有输送距离长、输送量大且连续、易于实现自动控制和集中控制、构建相对等特点，在煤矿生产中得到了广泛的应用。由于煤矿生产的特殊性，带式输送机系统的输煤量是不均匀的，带式输送机的瞬时煤流量难以准确测量。目前带式输送机都是全速运转，并没有有效的手段来根据负载调整电机转速。轻负载

      当无负载时，带式输送机系统的高速运行会使机械传动系统磨损更严重，缩短设备的使用寿命，并产生大量的电能。

      近年来，由于变频技术具有调速平稳、暂态稳定性高、节能等优点，国内外研究人员提出了基于输送带实时负荷的变频调速方法。为了使输送机在最佳负载状态下运行，煤的瞬时流量成为可调带式输送机运行速度的重要指标[3]。目前煤的瞬时流量测量多采用电子卷尺、核秤等接触方测量，测量精度容易受到物料分布不均匀等因素的影响。随着带式输送机向高带速、大体积方向发展，实时准确的瞬时煤流量检测方法对保障带式输送机系统的生产安全、节能和提高生产效率具有重要意义。

      超声波技术是一种能够高效、高精度、实时测量被测物体物理高度的技术。它具有非接触式测量、煤的质地特点和煤尘遮挡阴影小等优点，在煤矿生产中得到了广泛的应用。根据对带式输送机煤流实时、连续、准确测量的要求，设计了一种基于超声波的多点煤流监测系统。采用嵌入式技术对超声波传感器和速度传感器进行控制，获取带式输送机高速运行时的煤高、煤桩截面积、输送机速度等参数。利用煤流量测量算法对数据进行拟合和分析，计算出带式输送机瞬时煤流量。该系统具有测量精度高、实时性好、可靠性高等优点，可为带式输送机的自适应节能控制技术提供实时、准确的数据源。

1. 1嵌入式处理单元硬件设计

      带式输送机多点煤流监测系统基于RAM处理设备sm32f103z et6，嵌入式处理单元由电源模块、DM9000网卡、SSD RAM等组成。RAM处理器控制超声波换能器、速度换能器和温度传感器进行数据采集，并将采集到的信号通过集成的A/D和D/A接口输入信号进行转换，存储在SRRAM中。对对数数据进行拟合和分析，计算出输送带内煤流量的瞬时值。最后将监控数据通过dm9000网卡发送到上位机。

1.2软件设计

      系统软件主要完成外部传感器的读取、发送和接收信号的控制，并采用固定的计算方法对温度、速度、煤堆高度等数据进行拟合计算，从而得到煤在输送带内的瞬时流量值。最后将监测数据通过网卡发送到上位机控制系统。当超声波传感器垂直向煤堆发射超声波时，射频处理器同时开始计数，当超声波遇到障碍物反射回来时，当超声波传感器接收到反射的超声波时，射频处理器停止计时。根据超声波在空气中的传播速度73和传播时间t计算出离被测物体的出发点距离的高度，然后将超声波传感器的安装高度、托辊长度、托辊角度、传送带速度等参数进行组合。实时计算煤流。另外，超声波在空气中的传播速度受温度影响较大，需要对工艺温度进行补偿。系统软件流程路径如图3所示。

2. 准确检测煤流量和煤量的原理及计算方法

2. 1超声波测煤原理

      该系统利用超声波传感器采集带式输送机高速运行时输送带上的堆煤高度数据，并将速度传感器测得的实时带速信息进行整合，实现对物料瞬时流量的准确、高效测量。首先，建立超声煤流测量的二维坐标尺度，如图4所示。超声波传感器垂直安装在输送带上方h处。探头在嵌入式处理终端的控制下，向输送带上的煤堆发射一束超声波脉冲。超声波被物体表面反射，部分反射回波被探头接收并转换成电信号码。超声波发射和接收之间的时间与探头和被测物体之间的距离成正比。所述嵌入式处理终端测量从发射到接收所经过的总时间，并基于所述已知的超声波传播速度计计算所述距离距离。

2.2输送带内煤的瞬时流量检测算法

      瞬态流量检测的原理是利用超声波测量煤堆高度，通过堆垛角、托辊长度、托辊夹紧角等参数计算出截体积，进而计算出煤流量。计算超声波在空气中传播速度的公式为

式中T为现场温度 。
输送带上煤堆高H计算公式 为

式中：t为超声波从发射到接收经过的时间 。

把输送带上煤堆截面积近似看为梯形，其截面积S计算公式为

式中： L为托辊长 度 ；0 为托 辊夹 角 。

输送带瞬时煤流量M计算公式 为

式中：为输送带运行速度；P为煤的密度 。

3.2输送带上累计煤量的准确测算

      输送带上的累计煤量由原有煤量和进入煤量组成，超声波传感器数据采集频率为10次／s ， 时间t内输送带上累计煤量N的计算公式为

式中：N为流出煤量； M1为输送带上瞬时流出的煤量 。

3现场测试

      为了验证基于超声波的多点煤流监测系统的可靠性，在郭家湾煤矿进行了系统功能测试。郭家湾煤矿采煤先后经过运输巷输送带、驱动输送带和主巷输送带。基于超声波的煤流监测系统安装在主斜井带式输送机的落煤点和主轴口处。2吨小车牵引的煤均匀分布在5110 3条运输车道的带式输送机上。然后启动主输送系统，煤流监测系统记录通过的煤量，最后将监测到的煤量数据与实际的煤量进行对比，验证系统的可靠性。基于超声波的多点煤流监测系统安装如图5所示。

利用传感器在现场获取的数据，计算出5 1103输送头煤流监测系统采集的煤量为M z 12。在176 t时，主斜井带式输送机落煤点煤流监测系统收集的煤量为M. 1 2。125 7 t，主要井口煤流监测、装集煤量为M 4-2。22 t，检测精度P ===2 / E(m2 + M). + m2) / 3] = 9 1。从以上数据可以看出，基于超声波的多点煤流监测系统可以准确地探测煤流。

4结论

      基于超声波的带式输送机煤流多点监测系统采用基于A M的嵌入式处理单元，控制超声波传感器和速度传感器，获取煤高和输送机速度数据。结合堆料角、托辊长度、托辊夹紧角等参数，计算出煤的流量。实际现场试验结果表明，该系统能够准确地实时检测输送带内的煤流，检测精度达到91。该系统可为带式输送机自适应节能控制技术提供实时、准确的数据来源，对提高煤矿自动化水平、提高生产效率具有很大的应用价值。

参考文章:

[1] L. abV带式输送机监控系统分析。[j] .华兰南方[d] . 73:安徽理工大学，2012。

[10]范守军，吴文明，岳洪涛，等。基于煤流监测的带式输送机自动监控调速系统研究[j] .第二十四届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第六届中国煤矿信息化与自动化高层论坛，太原，2010:102 ~ 1。

[3]何忠波。带式输送机调速与节能控制研究[J]。神华技术，2013,31(2):91-93。

[4]顾伟，褚建新，甘世宏。煤炭码头吞吐量动态测量与误差分析[J]。仪器仪表学报，2005,26(增刊1):589—590。

[5]曾飞，吴青，褚秀敏，等。带式输送机物料瞬时流量的激光测量方法[j]。湖南大学学报，2015,42(2):4 0 1 46。

[6]郎永平。东环沱矿煤仓煤位监测系统的应用实践。煤矿液压开采与管道运输，2015,14(1):40-4。

[7]吴福祥，赵政，黄金兴，等。非接触式超声流量检测技术研究[J]。测控技术与仪器，2014,40(6):82—85。

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