基于時差法的液壓系統(tǒng)流量檢測方法研究
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液壓技術(shù)在礦山機械得到廣泛應用，如礦山巖石鉆進、鏟裝、運輸、破碎及選礦等設(shè)備。但由于礦山機械大都工作在較惡劣環(huán)境下，易于產(chǎn)生液壓系統(tǒng)故障，且液壓系統(tǒng)屬于封閉運行，故障大都在內(nèi)部產(chǎn)生，故障位置比較隱蔽、原因復雜，因此難以發(fā)現(xiàn)故障，給礦山機械維護和礦下工作人員的安全造成隱患。流量是液壓系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，其大小直接反映液壓系統(tǒng)運行狀況的好壞。通過測量系統(tǒng)流量實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的實時監(jiān)控，以保證液壓系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)和礦下工作人員的安全，同時也便于診斷液壓系統(tǒng)故障。因此檢測礦山機械的液壓系統(tǒng)的流量具有重要意義。
2 時差法測液壓流量原理
時差法的測量原理為：超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關(guān)，據(jù)此可測量流量。在流速v的流動媒質(zhì)的上、下游分別放置超聲波換能器1和換能器2，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
換能器l和換能器2間距為L，管道直徑為D，L與v之間的夾角為θ。當換能器2接收換能器1發(fā)送的超聲脈沖時，超聲沿L的傳播速度為(c-v)，其中c是靜止媒質(zhì)中的超聲波速度。超聲波逆流由換能器l傳輸?shù)綋Q能器2的時間為：
將換能器的接發(fā)功能調(diào)換，換能器2發(fā)送超聲脈沖，換能器l接收超聲波順流由換能器2傳輸?shù)綋Q能器1的時間：
于是，逆流和順流的時間差為：
因為超聲波在液體里的傳播速度為1500m/s，而流體速度在不是很高的情況下，可認為：
則式(3)化簡為：
這樣，液體平均流速v就可由聲時差△t確定，即
在c和x恒定的前提下，v與△t成線性。再根據(jù)流量方程求出流量Q：
式中k為流速分布修正系數(shù)。
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計
該檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計主要由超聲波換能器、CPLD功能、驅(qū)動發(fā)射、接收放大和過零比較等模塊組成。系統(tǒng)工作時，單片機先向CPLD發(fā)送指令，CPLD的內(nèi)部PULSE功能模塊產(chǎn)生600 ns的驅(qū)動脈沖，同時CNT功能模塊開始計時：驅(qū)動脈沖進入驅(qū)動發(fā)射電路使超聲波換能器1產(chǎn)生超聲波信號；超聲波通過介質(zhì)被超聲波換能器2接收，接收到的信號比較微弱，需通過由LF357和LM318組成的三級接收放大電路對其放大；將放大信號再通過由MAX903組成過零比較電路，從而為CLPD中的CNT功能模塊提供一個停止計時的高電平信號。將CNT中所計時的數(shù)據(jù)換算為時間，再由換能器2發(fā)送，換能器1接收。同理用CNT記錄另外一組時間數(shù)據(jù)，二者相減得到順流和逆流的聲時差△t，從而計算出系統(tǒng)的流速和流量。該檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵是要得到準確的驅(qū)動脈沖和精確的順逆流時間。所以，選用Aher公司CPLD的MAXⅡ系列EMP240T100C5N，并配有100 MHz的晶體振蕩器，CPLD功能模塊是該系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心。
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