基于电容法的煤泥水浓度检测装置的设计.pdf

第 11 期 山 西 焦 煤 科 技 No.112023 年 11 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyNov.2023试验研究收稿日期:2023-09-20作者简介:张鲁(1998),男,江苏扬州人,2021 级安徽理工大学在读硕士研究生,主要从事矿物加工自动控制的研究(E-mail)194660772 基于电容法的煤泥水浓度检测装置的设计张鲁,刘海增,吕文豹(安徽理工大学,安徽淮南232001)摘要针对选煤过程中使用传统煤泥水浓度检测方法药剂损耗量大、选煤效率低等问题,设计了基于电容法的煤泥水浓度检测装置,采用电容传感器和单片机间接测得煤泥水电容值,再通过浓度与电容值的对应关系,计算出煤泥水相应的浓度值。研究结果表明:该装置操作简便,能实时、快速地检测出煤泥水浓度,解决了传统检测方法的局限性,提高了选煤效率和自动化程度。关键词煤泥水浓度;浓度检测;电容法;电容值中图分类号:TD94文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)11-0026-04在选煤生产中,煤泥水浓度是一项非常重要的参数指标,煤泥水浓度的精确检测对于提高生产效率,降低药剂消耗等有着重要的意义1.目前,煤泥水浓度测量方法主要有超声波法、射线法、差压法和电容法等。超声波检测法工作稳定,能连续在线检测煤泥水浓度,但后期维护繁琐,煤泥水中存在过多气泡会导致检测结果不准确;射线检测法虽然后期很少需要维护,精度高,使用寿命长且性能相对稳定,但存在核辐射防护和环保等方面的问题;差压式检测法可实现煤泥水浓度的连续在线测量且对人体无危害,但由于压力传感器直接与煤泥水接触,对传感器的磨损和腐蚀比较严重,后期维护相对麻烦2.电容法由于电容传感器安装在管道外部,实现非接触测量,因此不会被腐蚀损坏,而且其结构简 单,容 易 制 造,并 且 能 被 应 用 到 各 种 环 境中3.利用电容容量与介电常数成一定函数关系,改变介电常数使得电容值变化,通过测量瞬时电容值并换算即可得到煤泥水浓度4.本文利用传感器技术结合单片机技术,设计了一种基于电容法测量煤泥水浓度的检测装置。1测量原理系统设置的基本原理是基于平行板式电容传感器,其由两个平行极板组成,两个极板间充满介质,用电容传感器测两相流浓度时,两相流流体作为介质存在于两个极板间。平行板式电容传感器见图 1,图中S 为两个极板相互重合的面积,d 为两个极板之间的距离,为两个极板间物质的介电常数。图 1平行板式电容传感器图若忽略电容传感器的边缘效应,两个极板间的电容量计算公式为:C=Sd=0rSd(1)式中:C 为电容量,pF;为电极板间的介电常数;0为真空介电常数;r为两极板间介质的介电常数,pF/cm;S 为两极板相互覆盖面积,cm2;d 为两极板间的间距,cm.浓度测量装置传感器结构见图 2,将电容级板置于绝缘管道外面,把其中的一个平行极板与激励电压源相连接作为源电极,另一极板作为检测电极。其原理是当煤泥水通过源电极和检测电极形成的敏感电场时,固液流体混合物浓度(即等效介电常数)的变化将会引起电极电容值相应的变化,使测量煤泥水浓度问题转化为检测电容值的问题。为了得到精准稳定的电容数值,加一个屏蔽层用于屏蔽其他信号的干扰。图 2电容传感器结构图煤泥水为固/液两相流,设其等效介电常数为eff,其中固体介电常数为 a,液体介电常数为 b,假设固体和液体混合均匀,则固/液两相流的等效介电常数与固体和液体的体积有关,等效介电常数 eff可表示为:eff=VaVa+VbVb(2)式中:Va为固相体积;Vb为液相体积;V 为被检测部分固/液两相流总体积,表示为:V=Va+Vb(3)由式(2)和式(3)可得出:eff=VaVa+VbVb=b+VaV(a-b)=h VaV()(4)设固相体积浓度为,即 =V1V,因此有:Cx=keff+Co=kh VaV()+Co=kh()+Co(5)式中:Cx为被测电容;k 为特征系数,由电容传感器的结构特性决定;Co为两边绝缘管道的电容值,其值为定值,因此被测电容与固相浓度 有关,且为线性关系。由式(5)可知,只要测出电容值 Cx,即可得到煤泥水浓度。2硬件设计2.1硬件设计方案系统硬件设计采用功能模块化,通过电容将矿浆浓度信号转换成电容量,为了精确测量电容值,将使用 555 定时器芯片与单片机构成多谐振荡电路5,将电容量转换成频率量送至单片机处理,运用算法编写程序,计算出对应的电容值,最终再由电容值确定煤泥水浓度并送 LCD1602 液晶屏显示。系统硬件设计方案见图 3.图 3硬件设计方案图2.2检测电路模块系统检测电路主要通过 555 定时器芯片构成多谐振荡电路来实现,检测电路见图 4.当电容传感器Cx通电后,输入端电压持续上升,达到 2/3Vcc 时,输出端 Uo跃变为低电平,内部三极管导通,电容 Cx放电,其两端电压下降;当输入端电压降到 1/3Vcc 时,输出端 Uo跃变为高电平,同时内部三极管截止,电容Cx又被充上电,其两端电压上升。Cx充电放电所需的时间分别为:tPH=(R1+R2)Cxln2(6)tPL=R2Cxln2(7)检测电路输出端得到方波信号,其频率为:f=1H=1tPL+tPH(8)根据以上 3 个公式可推出 Cx:Cx=1(R1+2R2)fln2(9)2.3单片机控制模块系统控制核心采用 STC89C52 单片机,通过与电源电路、复位电路和晶振电路组成单片机最小系统,电路见图 5.在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 口外接 12 MHz 石英晶振,在单片机内部产生 12 MHz 时钟脉冲信号,旁边的电容 C1 和 C2 通常取 30 pF,起快速起振和稳定频率作用。复位电路采用按键复位,由 10 k 电阻与 10 F 电容串联,电容两端并联按钮开关,722023 年第 11 期张鲁等:基于电容法的煤泥水浓度检测装置的设计按下按钮开关时,系统会自动复位。图 4555 定时器构成多谐振荡电路图2.4显示模块设计显示模块采用液晶 LCD1602,可靠性高、功耗低、寿命长,是一种广泛使用的字符型液晶显示模块。其由 5 V 电压驱动,用于数字、字母、符号等点阵式 LCD 显 示,其 控 制 器 通 常 采 用 HD44780 和HD44100.LCD1602 分为带背光和不带背光 2 种,该次设计采用带背光,可显示两行,每行 16 个字符,不能显示汉字,其内置 192 种字符,64 个字节的自定义字符 RAM,通 讯 方 式 为 4 或 8 位 并 口,单 片 机STC89C52 的 P0.0 P0.7、P2.5、P2.6、P2.7 端口,分别与 LCD1602 的数据端和控制端连接。图 5单片机最小系统图3软件设计系统设计使用的软件为 Keil uVision5,采用 C 语言编写程序。软件设计主要包括 3 个方面:初始化系统、数据采集和处理、数据显示。该系统通过一个测量按键启动整个测量程序,将电容量转换成频率量送单片机进行处理,再通过单片机软件编程,对数据进行进一步的计算从而得出被测电容的值,并通过液晶LCD1602 显 示 出 其 测 量 的 电 容 值,设 计 流 程 图 见图 6.4实验与分析实验时以铜箔材料构成电容贴片,两贴片对齐,左右间距相同,再固定在计量杯两端,通过电极引出线连接到单片机,并在电容贴片外部加一层塑料薄膜,用于屏蔽其他信号,防止干扰实验测量的精度和稳定性。在计量杯里加入 300 mL 水,然后加入 5 g煤泥,搅拌均匀且稳定后,打开单片机开关,液晶显示相应的电容数值,并记录下来,再加入 5 g 煤泥,搅拌均匀后,记录电容数值,重复实验步骤,直到累计加到55 g 煤泥,记录后完成实验。在实验过程中,由于煤泥颗粒在自身重力作用下发生沉降,加上实验室受到其他信号干扰,显示的电容数值会有一个小范围的波动,共做 5 组实验,实验数据见图 7,电容取 5 组数值的平均值。将实验数据利用最小二乘法进行拟合,得到煤泥与电容的线性关系,其函数关系表达式为:y=-0.410 9x+3 448.6(10)式中:x 为煤泥的质量,g;y 为电容值,pF.通过对实验数据的分析和计算,发现当加入的煤泥达到 25 g 时,实际测量电容数值和拟合后的电容值误差最大为 1.93 pF.在选煤厂实际应用中,煤泥水的浓度通常用每升含有多少克固体含量(g/L)来表示,公式如下:82山 西 焦 煤 科 技2023 年第 11 期图 6软件流程图图 7煤泥与电容数值的关系图g=TV1+V2 1000=TV1+T 1000(11)式中:g 为固体含量,g/L;T 为煤泥水中固体煤泥的质量,g;V1为煤泥水中水的体积,mL;V2为煤泥水中固体煤泥的体积,cm3;为煤泥的密度,g/cm3,该次实验用煤的密度取 1.4.由式(10)和式(11)可以得到拟合后煤泥水浓度 g 与电容值 y 的关系表达式:g=4 828 040-1400y3 621.178-y(12)根据式(2)标定实验数据,见表 1.通过标定数据可知,当煤泥水实际浓度在 20 160 g/L,都可以用该测量装置先测出其电容值,再通过表 1 转化为浓度。通常选煤厂的煤泥水浓度在60120 g/L,最高不超过 150 g/L,该实验装置可以满足要求。5验证选煤厂广泛使用的煤泥水浓度测量方法是浓度壶法,该方法为间接测量法,即先测出煤泥密度及煤泥水质量,再间接算出煤泥水的浓度。为了对比这两种测量方法,分别进行 5 次实验。实验具体步骤为:先将电子称清零,测出浓度壶的重量,再依次称取10 g、35 g、50 g、65 g 和 80 g 干煤泥,并依次倒入500 mL 的浓度壶内,缓慢加入清水,直到浓度壶溢流口有少量煤泥水流出为止,待停止流动时捂住溢流口,用抹布将浓度壶外壁擦拭干净后称重,并记入数据,通过浓度壶法计算公式算出浓度值。搅拌浓度壶内的煤泥水,防止发生沉降,再倒入计量杯,搅拌均匀且稳定后,通过电容检测装置测出电容值,并依次记入数据,通过式(12)计算出浓度值。通过计算 5 次实验浓度的理论真值,将电容法和浓度壶法的测量数据与其进行对比,结果见表 2.表 1实验标定数据表浓度/(g L-1)20406080100120140160电容/pF3 446.13 443.53 440.93 438.13 435.33 432.43 429.43 426.3表 2实验数据对比表煤泥/g1035506580理论真值/(g L-1)19.7266.6793.33118.95143.59浓度壶法/(g L-1)20.0970.0899.76129.52159.99电容法/(g L-1)20.7773.7795.26109.20149.29根据表 2 计算平均相对误差,浓度壶法和电容法测量数据的平均相对误差分别为 6.84%和 6.04%,因此电容法测量煤泥水浓度准确度较高。6结论基于电容法的煤泥水浓度检测装置的设计,以单片机为核心,利用两电容极板间煤泥水浓度变化会引起电容值的变化,通过测量电容值,间接测量煤泥水浓度。通过实验得出该装置在检测时实现了非接触式测量,操作简便,并且煤泥水浓度与电容值呈现较好的线性关系,通过标定数据和拟合后的表达式,可以实时、快速地得出煤泥水浓度,且准确度较高。(下转第 51 页)922023 年第 11 期张鲁等:基于电容法的煤泥水浓度检测装置的设计图 71301 运输巷 B2 预裂孔瓦斯抽采参数趋势图高 6.25 倍。采用高能气体预裂后,掘进工作消突取得进展,防突参数钻屑解吸指标 K1值超限频率大幅度降低。据 15 个掘进面 2340 m 掘进量统计,在掘进工作面施工 39 个循环,监测数据 1332 次,百米巷道 K1值超限率由高能气体预裂增透之前密集钻孔技术的 4.135次,下降到高能气体预裂增透后的 0.548 次,下降了 86.7%.4结语1)高能气体预裂增透技术可有效提升煤层透气性,低渗透性煤层高能气体预裂后使煤层地应力重新分布,可以改善局部应力集中状态,均衡应力场,起到消突效果;预裂后煤层产生大量裂隙,提高渗透率,大幅度提高了瓦斯抽采速度和抽采率。2)高能气体预裂技术实施后,钻孔瓦斯自然涌出衰减系数降低 5.93 倍,煤层由难抽变为可抽;百米钻孔瓦斯自然涌出极限提高近 4 倍,煤层渗透率提高29.5 倍,瓦斯抽采有效影响半径提升 2.5 倍以上;掘进面预裂孔平均瓦斯纯流量平均浓度提高 5 7 倍,平均纯量提高 6 倍;回采工作面瓦斯浓度提高 3 6倍,钻孔平均单孔日抽采瓦斯量平均提高 6.25 倍;对掘进工作消突作用大,防突参数钻屑解吸指标 K1值超标同比下降了 86.7%.参考文献1袁亮,郭华,李平,等.大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术J.煤炭学报,2013,38(1):1-8.2程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展J.采矿与安全工程学报,2009,26(2):127-139.3刘明举,孔留安,郝富昌,等.水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用J.煤炭学报,2005,30(4):451-454.4李晓红,卢义玉,赵瑜.高压脉冲射流提高松软煤层透气性的研究J.煤炭学报,2008,33(12):1386-1390.5康红普,冯彦军.定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律研究J.煤炭学报,2012,37(12):1953-1959.6Zhai Cheng,Liu Jizhao,Qin Shimin,et al.Fracturing mechanism of coal-like rock specimens under the effect of nonexplosive expansionJ.Interna-tional Journal of Rock Mechanics and Mining 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