矿用光波计量秤的设计.pdf

2020 年第 8 期 第 47 卷 机械 77 收稿日期2020－03－18 作者简介田育阳（1990－），男，山西晋城人，硕士，技术员，主要从事煤矿井下综采设备的研究工作，E-mailtianyuyangcumt。 矿用光波计量秤的设计 田育阳 （山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 寺河煤矿，山西 晋城 048000） 摘要针对煤矿井下计量秤的使用现状，利用高频电磁波在穿透物料时的吸收特性设计了一种由信号发 射器、信号接收器、支架、传感器防护筒、主机和速度传感器组成的矿用光波计量秤，通过实时测量电 磁波的衰减情况计算出煤量的瞬态值，达到精准计量的目的。在晋煤集团寺河矿东井区综采工作面的顺 槽皮带输送机上对矿用光波计量秤进行了安装测试，并对运行数据进行了统计分析，得到了误差值始终 保持在 1以内的试验结果，证明该设计实现了井下煤量的动态精准测量，可为矿井产量的合理调配提供 数据支持。 关键词高频电磁波；计量秤；精准测量 中图分类号TD562.2 文献标志码A doi10.3969/j.issn.1006-0316.2020.08.013 文章编号1006－0316 2020 08－0077－04 Design of Mine Light Wave Weighing Scale TIAN Yuyang Sihe Mine, Shanxi Jincheng Anthracite Coal Mining Industry Group Co., Ltd., Jincheng 048000, China AbstractIn view of the current status of the use of measuring scales in coal mines, a light wave measurement consisting of a signal transmitter, a signal receiver, a bracket, a sensor protection tube, a host and a speed sensor is designed using the absorption characteristics of high-frequency electromagnetic waves when penetrating materials scales. The design can calculate the instantaneous value of coal quantity by measuring the attenuation of electromagnetic waves in real time, so as to achieve the purpose of accurate measurement. In this paper, the installation and testing of the mine light wave measuring scale was carried out on the down-groove belt conveyor of the comprehensive mining face in the east well area of Sihe Mine of Jincheng Anthracite Coal Mining Industry Group Co., Ltd., and the operation data was statistically analyzed, and the error value was always maintained at 1.The test results proved that the design realized the dynamic and accurate measurement of the underground coal quantity, and provided data support for the rational allocation of mine output. Key wordshigh-frequency electromagnetic waves；weighing scales；accurate measurement 随着我国工业自动化水平的不断提高，智 能矿井、智慧矿山已逐渐成为未来发展的必然 趋势[1]。若要实现企业的成功转型，必须在各 个作业地点配备功能完善、快速准确的信息采 集系统[2]。而在众多的采集系统中，产量监控 则是最为重要的一项，只有建立井上、井下联 动的在线产量监测平台，才可实现对采面生产 情况的实时掌控，保证生产组织的合理调配[3]。 在线产量监测平台是一套由众多单元组合 而成的庞大系统，其核心部件是计量秤，只有 测量准确、反应灵敏、运行可靠的计量秤才可 以保证监测到井下最真实的生产情况， 进而实现 78 机械 2020 年第 8 期 第 47 卷 整个矿井产量的动态调控。 目前我国煤矿使用的 计量秤大致可分为核子秤和电子秤两类[4]。 核子秤是一种利用物料对 γ 射线吸收的原 理而制成的计量装置[5]，可以实现非接触式的 连续计量[6]。虽然该类型的计量秤具有适应性 强、数据准确等众多优点，但由于 γ 射线具有 很强的穿透能力，所以会对现场操作人员造成 影响，不适合长期使用[7]。 电子秤虽没有辐射性[8]， 而且也可实现连续 计量， 但由于受输送机运行速度影响较大， 导致 计量精度不高， 误差基本只能保持在 5左右[9]。 为有效避免核子秤和电子秤的缺点，在保 障职工健康的前提下，实现煤矿产量的精准测 量，本文根据高频电磁波在穿透物料时的吸收 特性，设计了一种矿用光波计量秤，并在晋煤 集团寺河矿东井区综采工作面进行了现场试 验，取得了不错的效果。 1 矿用光波计量秤的工作原理 光波计量秤的工作原理是利用信号发射器 稳定地放射出呈扇形的高频电磁波，这些电磁 波在传播的过程中， 一部分被物料和皮带吸收， 另一部分被皮带下方的信号接收器吸收后转变 为与之成比例的电信号，由于放射出的总电磁 波和皮带吸收的电磁波基本为定值，所以电信 号的大小就间接地反应出了物料的多少。 高频电磁波穿过物料前后的强度变化情况 与 γ 射线相同，满足下式[10] - 0 FS i II e μ （1） 式中 Ii为有物料时接收器接收的高频电磁波强 度， A/m；I0为无物料时接收器接收的高频电磁 波强度，A/m；μ 为物料的质量吸收系数，kg-1； F 为单位长度上的物料质量， kg/m； S 为皮带输 送机上的物料在高频电磁波区内的等效宽度， m；e 为常数，e＝2.718 由于接收器输出信号与高频电磁波强度成 正比，因此 - 0 FS i UU e μ （2） 式中Ui为有物料时的接收测器输出信号，V； U0为无物料时的接收器的输出信号，V。 令 k＝S-1μ-1，由于本设计中使用的是低能 高频电磁波，所以各种物料的μ极其接近，可 看作一常数。光波计量秤装好后，S 又成为一 个定值，所以 k 也成为一定值，在此将其称作 标定参数。 由式（2）可得出 0 ln/ i kUUF （3） 通过给定输送机任意质量的物料 F 进行标 定，可以检测到 U0和 U1，进而计算出 k 值。 皮带输送机的运行速度 v 可由安装在皮带 下方的速度传感器测量得出，所以物料的瞬时 流量为 PFv （4） 式中P 为物料的瞬时流量，kg/s。 时间内的累积流量则为 1 N ii i i WFvt ∑ （5） 式中W 为时间内的累积流量，kg；Fi为某一 时段内输送机上的物料重量，kg/m；vi为皮带 瞬时运行速度，m/s；ti为第 i 次采样的时间，s； N 为采样次数。 式（5）也可等效为 0 1 ln/ N ii i i WkUU vt ∑ （6） 2 矿用光波计量秤的结构组成 矿用光波计量秤由信号发射器、信号接收 器、支架、传感器防护筒、主机部分和速度传 感器构成，具体结构如图 1 所示，主机与井下 集控中心之间用 485 或者环网等方式连接。 2020 年第 8 期 第 47 卷 机械 79 1.信号发射器 2.煤块 3.速度传感器 4.信号接收器 5.传感器防护筒 6.主机部分 7.支架 图 1 矿用光波计量秤的结构组成 （1）信号发射器 信号发射器包括稳压电源和造波单元两部 分，稳压单元负责将井下 127 V 交流电转变为 50 V 的直流电，而造波单元则是利用直流电产 生高频电磁波。 （2）信号接收器 信号接收器由高频电磁波探测器和信号处 理器组成，接收器的规格需根据输送机的宽度 而定，大体可分为 1000 mm 型、1200 mm 型、 1600 mm 型三种。高频电磁波探测器的作用是 将接收到的高频电磁波根据强度的不同转变成 相对应的 4～20 mA 电流信号，并传送给信号处 理器。 而信号处理器将这些信号进一步转化为脉 冲信号后， 会传输至控制器系统进行分析、 计算。 （3）支架及传感器防护筒 支架的作用是将信号发射器有效地固定在 接收器的上方，尽可能地保证射出的高频电磁 波全部照射在接收器的接收范围之内。 传感器防 护筒是一个用于保护接收器受到机械损伤的钢 制圆筒， 上方与支架相连， 下方固定在皮带架上。 （4）主机部分 主机部分负责接收和处理发射器、 接收器、 控制器和速度传感器所测量的所有信息，并为 各部件提供 127 V 的交流电源。内置处理器会 将各类数据进行集中运算后通过组态软件在彩 色屏幕上进行集中显示，具体包括皮带运行速 度、每小时产量、每班产量、每天产量和总产 量等各类信息。 主机不仅可以在作业现场实现数据的动态 显示，还可通过 485 或者环网等方式将采面信 息实时地传送至地面控制中心，接线方式如图 2 所示。 AC127 V供电 主机部分 AC127 V供电 接速度传感器 发射器信号线 至地面控制中心 接收器信号线 AC127 V 供电 图 2 矿用光波计量秤的接线图 3 试验效果 为验证矿用光波计量秤在井下的实际应用 效果，本文选取晋煤集团寺河矿东井区综采工 作面进行了现场安装试验。该采面顺槽皮带输 送机长约 1150 m，分为卸载部、驱动部、涨紧 部、卷带部、过渡部、中间架和机尾部分。 安装过程中，位置的选取至关重要，既要 保证空间满足要求，又要方便系统供电，还要 保证现场人员可以及时观测。经过现场调研， 最终将矿用光波计量秤的安装位置选取为过渡 部与中间架的连接处，由皮带输送机的移动变 压器负责供电，如图 3 所示。 矿用光波计量秤的主机每隔 2 min 会采集 一次数据并进行动态显示。为测量系统运行精 度， 本文设计了对比试验， 以 20 组间隔为 2 min 80 机械 2020 年第 8 期 第 47 卷 的数据为样本，通过将主机的显示值与料斗秤 测量的静态准确值进行比较，得出光波计量秤 的相对误差，具体如表 1 所示。 图 3 矿用光波计量秤的现场安装效果图 表 1 测量数据统计表 样本序号 准确值 /kg 测量值 /kg 误差值 / 现场温度 /℃ 皮带速度 /（ms-1） 1 12832 12880 0.375 21 2.852 2 11743 11829 0.736 21 2.873 3 13758 13657 -0.736 21 2.911 4 10943 10901 -0.384 21 2.835 5 3873 3884 0.284 21 2.317 6 5678 5631 -0.836 21 2.674 7 8956 8989 0.364 22 2.582 8 15653 15524 -0.827 21 2.767 9 14537 14586 0.336 22 2.934 10 13896 13960 0.462 21 2.542 11 13854 13903 0.351 22 2.928 12 17563 17517 -0.263 21 2.841 13 14564 14544 -0.139 22 2.639 14 14343 14382 0.271 21 2.916 15 12543 12588 0.361 22 2.592 16 14532 14572 0.273 21 2.749 17 13657 13600 -0.416 22 2.843 18 12548 12566 0.142 21 2.932 19 14983 15015 0.216 21 2.759 20 13936 13892 -0.316 21 2.792 误差值/ 图 4 测量数据的相对误差 由图 4 可知，矿用光波计量秤得出的煤量 误差值均在 1以内，远远低于普通电子秤 5 的误差，在运动的状态下，实现了对物料的精 准测量，完全能够用于日常的产量动态监控。 4 结语 本文利用高频电磁波在穿透物料时的吸收 特性设计研发了矿用光波计量秤，通过测量电 磁波的衰减情况实时计算得出煤量大小，实现 了井下产量的动态测量。为验证系统精度，在 晋煤集团寺河矿东井区综采工作面的顺槽皮带 输送机上进行了安装测试，结果显示系统测量 误差值始终保持在 1以内，达到了运行要求。 矿用光波计量秤的出现，有效地解决了核子秤 的辐射问题和电子秤的动态精度问题，做到了 井下煤量的动态精准测量，为矿井产量的合理 调配提供了强有力的数据支持，具有较高的应 用价值。 参考文献 [1]何敏. 智慧矿山重要特征与实现途径[J]. 工矿自动化，2018 （3）31-35. 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