基于相位差检测的煤岩混合物煤含量判别方法.pdf

第 4 3卷 第 1 O期 2 0 1 7年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ．1 O Oc t ．2 01 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 0 0 0 6 9 0 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 1 4 基于相位差检测的煤岩混合物煤含量判别方法 韩 楠楠 ， 程 园新 。 ， 刘晓 文 ， 赵 端 ， 王 昕 。 1 ． 中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 矿山互联网应用技术 国家地方联合工程实验室 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 中国矿业大学 物联 网 感知矿山 研究 中心，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对现有煤岩混合物煤含量判别方法存在测量时间长、 误差大等 问题 ， 提 出了一种基 于相位差检 测 的煤岩 混合 物 煤含 量判 别 方 法。通过 实验得 到 了煤岩 混 合 物煤 含 量 与 电容之 间的 关 系， 进 而合理 选 取 相 位差检测电路各参数 ， 通过数值模拟和电路仿真分析相位差和煤含量之 间的关 系。结果表 明， 相位差为正 时 ， 煤含 量低 于煤 炭 可 开采 的最低 煤含 量 阈值 ， 相 位 差 为 负时 ， 煤含 量 高于煤炭 可开 采的 最低煤 含量 阈值 ， 通 过检 测相 位 差正 负能准确 地判 断煤 含 量是 否达 到煤 炭 可开采 的 最低 煤含 量 阈值要 求。 关键 词 煤炭 开 采 ；煤 岩混合 物 ； 煤 含 量 ； 相 位 差 中 图分类 号 T D6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 0 9 2 7 1 4 5 1 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 9 2 7 ． 1 4 5 1 ． 0 1 4 ． h t ml Co a l c on t e n t r e c o g ni t i o n me t ho d o f c o a l r o c k mi x t ur e b a s e d o n p h a s e d i f f e r e nc e d e t e c t i o n HA N Na nn a n ， 一， CH ENG Yua n xi n ， 一，LI U Xi a o we n ， ZHA O Dua n ， 一， W ANG Xi n ， ， 。 1． Sc h oo l o f I n f o r m a t i on a n d Co nt r o l En gi n e e r i n g，Chi n a Uni v e r s i t y of M i ni n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；2． Th e Na t i o n a l a n d Lo c a l J o i n t En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f I nt e r ne t Te c hn ol o g y o n M i ne，Xu z h ou 2 2 1 00 8，Chi na；3． I n t e r ne t o f Thi ng s Pe r c e p t i o n Mi n e Re s e a r c h Ce n t e r ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n vi e w of pr o bl e m s o f l o ng m e a s u r i ng t i me a nd b i g e r r or e xi s t e d i n c ur r e n t c o a l c o nt e nt r e c o g n i t i o n me t h o d s o f c o a l r o c k mi x t u r e ，a c o a l c o n t e n t r e c o g n i t i o n me t h o d o f c o a l r o c k mi x t u r e b a s e d o n ph a s e di f f e r e nc e d e t e c t i on wa s p r op o s e d． Re l a t i ons hi p b e t we e n c oa l c on t e nt o f c o a l r oc k m i x t u r e a n d c a pa c i t a n c e wa s g o t t e n t hr ou gh e xp e r i m e nt ，pa r a m e t e r s o f p ha s e di f f e r e nc e de t e c t i on c i r c u i t we r e c h os e n r e a s on a bl y，a nd r e l a t i o ns hi p b e t w e e n p ha s e d i f f e r e n c e an d t he c o a l c o nt e nt wa s a na l y z e d t hr ou gh nu m e r i c a l s i mu l a t i o n a n d C j r e u i t s i mu 1 a t j o n．Th e r e s u 】 t s s h o w t h a t c o a l c o n t e n t i S l o we r t h a n t h e mi n i mu m c o a l 收藕 日期 2 0 1 7 0 5 2 7 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 9 - 0 7 ； 责任编辑 盛 男。 基金项 目 江苏省产学研联合创新资金前瞻性联合研究资助项 目 B Y2 0 1 5 0 2 3 0 4 ； 江苏省研究生培养创新工程项 目 KYL X一 1 3 8 5 。 作者简介 韩楠楠 1 9 9 2 ， 女 ， 河南三 门峡人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向为煤岩识别技术 ， E ma i l h a n n a n 5 4 5 1 6 3 ． c o rn。 引用格式 韩楠楠 ， 程园新 ， 刘晓文 ， 等． 基于相位差检测的煤岩混合物煤含量判别方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 6 9 7 3 ． H AN Na n na n， CHENG Yu a nx i n， LI U Xi a o we n， e t a 1 ． Coa l c o n t e nt r e c og n i t i o n me t h o d o f c o a l- r o c k m i x t u r e b a s e d o n p h a s e d i f f e r e n c e d e t e c t i o n [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 6 9 7 3 ． E 1 3 ] [ 1 4 ] 张卓． 基 于 T DL AS的甲烷遥测技 术[ J ] ． 长 春大学 学 报 ， 2 0 1 1 ， 2 1 6 9 - 1 2 ． ZHANG Zh u o ． TDLAS - b a s e d me t h a n e t e l e me t r y t e c h n o l o g y[ J ] ．J o u r n a l o f C h a n g c h u n Un i v e r s i t y ， 2 0 1 1 ， 2 1 6 9 1 2 ． 曾盼． 基 于可调谐激光 吸收光谱技术 的气 体检测 系统 [ D] ． 无锡 江南大学 ， 2 0 1 6 2 0 3 2 ． [ 1 5 ] 张婷婷 ， 胡杰 ， 魏 玉宾 ， 等． 矿 用光 纤气体 检测 中的最 小二乘 拟 合 方 法 研 究 [ J ] ． 山 东科 学 ， 2 0 1 5 ， 2 8 1 4 7 5 O． ZHANG Ti n g t i n g ， HU J i e ， W EI Yu b i n， e t a 1 ．Le a s t s qu a r e s f i t t i n g i n t he d e t e c t i on f or mi ne op t i c a l f i be r g a s d e t e c t i o n[ J ] ．S h a n d o n g S c i e n c e ， 2 0 1 5 ， 2 8 1 4 7 5 O． 7 O 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 c o nt e nt t h r e s ho l d o f c o a l m i n i ng wh e n ph as e d i f f e r e nc e i s po s i t i v e， a nd c o a l c o nt e nt i s hi g he r t ha n t he mi ni mum c oa l c on t e n t t hr e s ho l d of c o a l mi ni ng whe n p ha s e di f f e r e nc e i s n e g a t i v e，whi c h i nd i c a t e wh e t he r c o a l c o n t e n t a c h i e v e s t h e mi n i mu m c o a l c o n t e n t t h r e s h o l d o f c o a l mi n i n g c a n b e j u d g e d a c c u r a t e l y t h r o u g h de t e c t i n g po s i t i v e or n e g a t i v e o f ph a s e d i f f e r e nc e． Ke y wo r d s c o a l m i n i ng；c o a l r o c k mi xt u r e；c o a l c on t e n t；p ha s e di f f e r e nc e 0 引言 ， z之间 的相位 差为嘲 在 冶金 、 煤 炭等 动力 工业 中 ， 煤 含量 是一 个重 要 技术指标 ， 对经济效益有重大影响n _ 3 _ 。陈凯等 利 用 Z Z 一 8 9 B型煤灰 分测 定 系统测 量煤 岩混 合物 中煤 含 量 ， 测量 误差 较 小 ， 但 测 量 时 间 较 长 ； 荣 绍 斌 等 ] 利 用快 速灰 化法 对 煤 岩样 品进 行 化 验 ， 较 快 地 测 定 出煤含 量 ， 但测 量 结 果 易受 人 员 、 设 备 等 因素 影 响 ， 测量误差 较大 ； 穆海军【 6 分析了影 响煤含量测量准 确 度 的因 素 ， 但 未提 出提 高测 量准确 度 的有效 方法 。 本 文将 煤含 量作 为 煤 炭 可 否 开采 的一 个 指 标 ， 提 出 了一种基于相位差检测 的煤岩混 合物煤含量 判别 方 法 。 1 相 位差 检测 电路 理论 分析 相 位 差检测 电路如 图 1所 示 ， 其 中 u 为激励 电 压 ， 【 ， 为 负 载 电压 ， R 为 负 载 ， L为 电感 ， C 为 可 变 电容 。 图 1 相位差检测 电路 Fi g．1 Pha s e d i f f e r e n c e de t e c t i o n c i r c ui t 假设 的角 频率 为 、 初 始 相位 为 0 ， 根据 欧姆 定 律 可得 电路 电流 j一 Ul ㈩ R j 叫 L 一 则 有 z R i 一 Ae x p 一 j a r c t a n B 2 式 一 w L---- 。 一眦 孥 1 R L C串联 电路谐 振 时 ， 可 得 L 一 1 式 中 f为激励 频率 ， f -o o ／ 2 7 r 。 2实 验分 析 3 4 2 ． 1 实验设 备 煤 岩混 合物 中煤 含量 的改变 必然 引起煤 岩混 合 物介 电常数 的变 化 。为探 究 煤 含 量 与 电容 的关 系 ， 采 用 Wa y n e Ke r r 6 5 0 0 B精 密 阻 抗 分 析 仪 及 W K 1 J 1 0 2 0 测 试 夹具 进 行 实 验 。Wa y n e Ke r r 6 5 0 0 B精 密阻抗分析仪 的工作频率为 2 O Hz ～1 2 0 MHz ， 测 量 精度 为 0 ． 0 5 ， 为 避 免外 界 环 境 对 测 量结 果 的 干扰 ， 测量 前需对 其进 行开 路校 准 、 短 路校 准 和高频 补 偿凹 ； WK 1 J L O 2 0测 试 夹 具 最 高 测 量 频 率 为 4 o M Hz ， 测试 电容 的极 板 间 距 可 通 过 夹 具 上 端 的 千分尺 准确 测量 。 2 ． 2样 品制备 实验 所用煤 样 和岩样 均取 自山东省 济宁 市兖 州 煤 业股 份有 限公 司 ， 煤 样 为褐煤 ， 岩样 为砂 岩 。首先 使用排水法 测得煤样 、 岩样 密度 分别为 1 ． 4 7 8 8 ， 2 ． 6 6 4 7 g ／ c m。 ， 然 后 利用 连 续式 粉 碎 机 研 磨 煤 样 、 岩样 制成 煤粉 、 岩粉 。按 照煤 粉 、 岩 粉体 积 比分别 为 1 0 0， 9 1， 8 2， 7 3， 6 4， 5 5， 4 6， 3 7， 2 8， 1 9， 0 1 0 制备 煤岩混 合 物样 品 。由于粉 状样 品 的体积难 以测量， 根据煤样、 岩样密度分别计算不同体积比对 应 的煤 粉 、 岩粉 质 量 ， 用 电 子天 平 秤 分别 称 量 、 均 匀 混合后放入等体积容器中。选取对电容测量结果影 响较小的纸盒作为盛放样品的容器 。 2 ． 3 实验 结果 将制备 好 的煤 岩 混 合 物样 品依 次 放 人 WK 1 J 1 0 2 0测试 夹 具 中 ， 利 用 Wa y n e Ke r r 6 5 0 0 B精 密 2 0 1 7年 第 1 O期 韩楠 楠等 基 于相 位 差检测 的 煤岩 混合 物煤含 量判 别 方法 ．7 1 ． 阻抗 分 析仪 依次 测 量激 励频 率 为 1 0 ， 2 O ， 3 O ， 5 o ， 1 0 0， 5 0 0， 1 1 0 。 ， 11 0 ， 21 0 ， 31 0 k Hz时 不 同煤 含量 样 品对应 的电容 ， 测量 结果 如 图 2 所 示 。 -．4 m 1 0k Hz 从图 2可看出， 煤含量与 电容存 在单调 的一一 对应 关系 。因此 ， 可用 电容来 表征 煤含 量 。然而 ， 皮 法级电容检测对仪器精度要求较高口 。由式 3 可 知电容 的改变会引起相位差变化 ， 且相位差检测技 术 较为 成熟 口 ， 因此可从 电路相 位 差 的角 度 判 断煤 岩混合物中煤含量。 3数值 模拟 与 电路仿 真 3 ． 1 数 值 模 拟 3 ． 1 ． 1 谐振 电感 、 激励频率和负载选取 假设 煤含 量 6 O 为判 断煤 炭 可 开 采 的 最 低 煤 含量阈值 ， 根据煤含量 6 O ％对应的电容选择谐振 电 感 和激励频率 。由式 4 计算煤含量 6 O 时不 同激 励频 率对 应 的谐振 电感 ， 结果 见表 1 。 表 1 煤含量为 6 O ％时不 同激 励频率对应的谐振 电感 Ta b l e 1 Re s o n a n t i n d u c t a n c e u n d e r d i f f e r e n t e x c i t a t i o n f r e q u e n c i e s wh e n c o a l c o n t e n t i s 6 0 由于常见电感 的取值范围为 0 ． 1 H～1 0 mH， 从 表 1 可 看 出 ， 谐 振 电 感 宜 选择 0 ． 0 3 0 1 5 5 H 及 以 下 ， 并通过 电感串联实现_ 1 。根据谐振 电感 的取值 范围， 激励频率应选择 5 0 0 k Hz及 以上 ， 但 激励频 率过 高对 电路 的要 求 更 高 ， 因此 选 择 0 ． 0 3 0 1 5 5 H 作 为谐 振 电感 ， 5 0 0 k Hz 作 为激 励频 率 。 为使 电容 的改 变获 得 更 明显 、 直 观 的相 位 差 变 化 ， 经式 3 计算 ， 选择 1 0 k Q作为相位差检测 电路 的负 载 。 3 ． 1 ． 2 相位差数值模拟 在 Ma t l a b中根 据式 3 计 算不 同煤 含量 对应 的 相 位 差 ， 结果 见 表 2 。可看 出煤 含量 高 于 6 0 时相 位 差 为负 ， 煤 含 量 低 于 6 0 时 相 位 差 为 正 ， 依 据相 位差正负能直观地判断煤含量是否超过煤炭可开采 所需达到的最低煤含量阈值。 表 2 相位 差数值模 拟结果 Ta bl e 2 Nume r i c a l s i mu l a t i on r e s ul t s o f p ha s e d i f f e r e n c e 煤含量／ 0 1 0 2 0 3 0 4 0 电容／ p F 4 ． 6 0 4 ． 1 6 3 ． 9 6 3 ． 7 5 3 ． 6 3 相位差／ 。 6 8 ． 6 2 6 1 ． 2 4 5 5 ． 1 4 4 4 ． 5 7 3 5 ． 1 7 3 ． 2 电路 仿 真 利 用 P S CA D 和 Ma t l a b搭 建 相位 差 检 测 电 路 仿真模型 ， 仿真模型中各元件参数 与数值模拟的参 数一致 。首先在 P S C AD中测量激励电压和负载电 压 波形 ， 再将 这 2组 波形 数据 导人 Ma t l a b中 ， 在 Ma t l a b中通 过检 测激励 电压 、 负载 电 压波 形 的 峰值 计算相位差。首先 根据采样频率 和信 号周期确定 1个采 样 区 间 ， 然 后 在 该 采 样 区 间寻 找 激 励 电压 峰 值 、 负载 电压峰值 对应 的采样 点横 坐标 ， 最后将 2个采样点横坐标的差值 A x与整个采样区间的长 9 8 7 6 5 4 3 ＼ 摊 ∞ ∞ 6 雅 蚰 O ∞ ∞ 汕 地 踞 ∞ o O 5 文 7 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 度 x相除再乘以 2 兀 ， 即可得到激励 电压与负载电压 之 间的相 位差 ， 即 A0 2 7 【 5 Z 2个角 频率 相 同的正 弦量 之 间 相位 差 的取值 范 围为[ 一 ， ] ， 由于本文中激励 电压与 负载 电压 之间的 相位差 取 值范围 为[ 一 号， 詈 ] ， 所以 相 位差表 达式 修正 为 A 0 2 7 c 一 7 【 6 Z 3 ． 2 ． 1 采样 频率 选取 将 波形 数据从 P S C AD导 人 Ma t l a b的过程 中 ， 采样频率对相位差仿 真结果 的准确性起决定作用 。 根据奈奎斯特采样定理 ， 采样频率应 至少为信号频 率的 2 倍 ， 且采样频率越高 ， 激励 电压峰值 、 负载电 压峰值对应的采样点取值越精确 ， 相位差计算误差 越 小 。 以煤含 量 5 O 9 ／ 6 对 应 的 电 容 作 为 电路 仿 真 模 型 的 电容参 数 ， 得 到不 同采样 频 率下相 位差 仿真 结果 ， 见表 3 。从 表 3可看 出 ， 采样 频 率在 5 1 0 Hz 及 以 上时， 相位差仿真结果与表 2中煤含量 5 0 时的相 位差 数值 模拟 结果 2 4 ． 5 2 。 相 接 近 。一 般情 况 下 ， 常 见示 波器 的实 际采 样频 率最 高 为 1 0 0 MHz ， 因此选 择 5 1 0 Hz 作为 电路 仿真 模型 的采样 频率 。 表 3 煤含量为 5 O 时不 同采样频率下相位差仿真结果 Ta b l e 3 S i mu l a t i o n r e s u l t s o f p h a s e d i f f e r e n c e u n d e r di f f e r e nt s a mp l i ng f r e q ue n c i e s wh e n c oa l c on t e nt i s 50 3 ． 2 ． 2 相位 差仿 真结 果 根 据不 同煤 含量 设 置 对应 的仿 真模 型 电容 ， 得 到相 位差 仿 真结果 ， 见 表 4 。 表 4 相位差仿真结果 Ta b l e 4 S i mu l a t i o n r e s u l t s o f p h a s e d i f f e r e n c e 煤含量／ o l O 2 0 3 0 4 0 5 0 电容 ／ p F 4 ． 6 0 4 ． 1 6 3 ． 9 6 3 ． 7 5 3 ． 6 3 3 ． 5 3 相位 差 ／ 。 7 2 ． o 6 1 ． 2 5 4 ． o 4 3 ． 2 3 6 ． o 2 4 ． 3 3 ． 3 数 值模 拟 结果 与 电路 仿 真 结果对 比 根据 表 2 、 表 4可 得 不 同煤 含 量 对 应 的相 位 差 数值模拟结果 和仿 真结果对 比曲线 ， 如 图 3所示 。 可看出仿真结果与数值模拟结果基本一致 ， 表明相 位差 检 测 电路 中各 参 数选取 合 理 、 准确 ， 验证 了基 于 相位差检 测 的煤 岩 混合 物煤 含 量 判 别方 法 的有 效性 。 4结语 将块 状 的煤 、 岩研 磨 、 加 工 制备成 煤 岩混 合物样 品 ， 通过 实验 得 出煤 岩 混 合 物 的煤 含 量 与 电容 的 关 系 ； 合理选取相位差检测电路各参数 ， 通过数值模拟 和电路仿 真分析相位差 和煤含量 的关 系。结果 表 明 ， 通过检测相位差正负能直观地判断煤含量 是否 达到煤炭可开采的最低煤含量阈值要求 ， 为煤 含量 判别提供 了一种新方法 。 O 一 j l4】3 图 3 不同煤含 量对 应的相位 差数 值模 拟结 果和 仿真结果对 比曲线 Fi g． 3 Co mpa r i s on c ur v e s of n ume r i c a l s i mu l a t i on r e s u l t s a nd c i r c ui t s i mul a t i o n r e s ul t s o f di f f e r e nc e p ha s e u nd er di f f e r e nt c o a l c on t e nt s 参考文献 Re f e r e n c e s [1 ] 韩银成． 煤质检验在选煤过 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