基于時(shí)差法的液壓系統流量檢測方法研究
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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(jìn)、鏟裝、運輸、破碎及選礦等設備。但由于礦山機械大都工作在較惡劣環(huán)境下，易于產(chǎn)生液壓系統故障，且液壓系統屬于封閉運行，故障大都在內部產(chǎn)生，故障位置比較隱蔽、原因復雜，因此難以發(fā)現故障，給礦山機械維護和礦下工作人員的安全造成隱患。流量是液壓系統的重要參數之一，其大小直接反映液壓系統運行狀況的好壞。通過(guò)測量系統流量實(shí)現液壓系統的實(shí)時(shí)監控，以保證液壓系統的正常運轉和礦下工作人員的安全，同時(shí)也便于診斷液壓系統故障。因此檢測礦山機械的液壓系統的流量具有重要意義。
2 時(shí)差法測液壓流量原理
時(shí)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(dòng)速度有關(guān)，據此可測量流量。在流速v的流動(dòng)媒質(zhì)的上、下游分別放置超聲波換能器1和換能器2，結構如圖1所示。
換能器l和換能器2間距為L(cháng)，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(shí)，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傳輸到換能器2的時(shí)間為：
將換能器的接發(fā)功能調換，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傳輸到換能器1的時(shí)間：
于是，逆流和順流的時(shí)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(jiǎn)為：
這樣，液體平均流速v就可由聲時(shí)差△t確定，即
在c和x恒定的前提下，v與△t成線(xiàn)性。再根據流量方程求出流量Q：
式中k為流速分布修正系數。
3 硬件系統設計
該檢測系統的硬件系統設計主要由超聲波換能器、CPLD功能、驅動(dòng)發(fā)射、接收放大和過(guò)零比較等模塊組成。系統工作時(shí)，單片機先向CPLD發(fā)送指令，CPLD的內部PULSE功能模塊產(chǎn)生600 ns的驅動(dòng)脈沖，同時(shí)CNT功能模塊開(kāi)始計時(shí)：驅動(dòng)脈沖進(jìn)入驅動(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)由MAX903組成過(guò)零比較電路，從而為CLPD中的CNT功能模塊提供一個(gè)停止計時(shí)的高電平信號。將CNT中所計時(shí)的數據換算為時(shí)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(shí)間數據，二者相減得到順流和逆流的聲時(shí)差△t，從而計算出系統的流速和流量。該檢測系統的關(guān)鍵是要得到準確的驅動(dòng)脈沖和精確的順逆流時(shí)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功能模塊是該系統硬件設計的核心。
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