本發(fā)明涉及物料高度檢測(cè)，具體為一種基于弦振動(dòng)的煤倉(cāng)料位檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于煤礦、洗煤廠、電廠等，煤倉(cāng)的料位檢測(cè)是煤炭存量、煤炭質(zhì)量檢測(cè)的重要指標(biāo)，對(duì)料位的自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)是自動(dòng)化程度提高的重要體現(xiàn)。因現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜、粉塵大、易粘易掛等特點(diǎn)，使得料位的精確、連續(xù)測(cè)量成為物位測(cè)量技術(shù)中的一大難點(diǎn)。目前煤倉(cāng)料位的自動(dòng)測(cè)量最常用的方式主要有重錘法、超聲波測(cè)距法和激光測(cè)距法。其中，重錘法根據(jù)重錘下降距離折算料位高度，原理簡(jiǎn)單、可靠，能夠避免粉塵、懸掛物的干擾，測(cè)量精度高，但其測(cè)量速度較慢，完成一次測(cè)量需重錘上下往復(fù)，不利于連續(xù)監(jiān)測(cè)；超聲波法測(cè)量一個(gè)超聲波脈沖從發(fā)出到返回整個(gè)過(guò)程所用的時(shí)間，但由于煤倉(cāng)中粉塵嚴(yán)重、受各種懸掛物的作用會(huì)產(chǎn)生虛假回波，影響測(cè)量結(jié)果，同時(shí)，超聲波發(fā)散角大且功率有限，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離測(cè)量，量程受限；激光法測(cè)量激光脈沖從發(fā)出到返回的時(shí)間，同樣也會(huì)受煤倉(cāng)中粉塵、各種懸掛物的作用產(chǎn)生虛假回波，同時(shí)，由于激光傳播速度極快，所以傳播時(shí)間小，對(duì)時(shí)間測(cè)量的相對(duì)誤差偏大，另外對(duì)于煤倉(cāng)，煤炭為黑色，對(duì)光波吸收作用很強(qiáng)，反射光強(qiáng)度很低，不利于測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決目前煤倉(cāng)內(nèi)部料位高度的檢測(cè)存在測(cè)量速度慢以及測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于弦振動(dòng)的煤倉(cāng)料位檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明所述的基于弦振動(dòng)的煤倉(cāng)料位檢測(cè)系統(tǒng)是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于弦振動(dòng)的煤倉(cāng)料位檢測(cè)系統(tǒng)，包括垂直連接在用于盛放物料的筒倉(cāng)內(nèi)部頂端和底端之間的弦線、用于擊弦的機(jī)械擊弦裝置、用于采集弦線振動(dòng)頻率的聲波頻譜儀以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)輸出端與機(jī)械擊弦裝置的信號(hào)輸入端相連接；聲波頻譜儀的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)輸入端相連接。

本系統(tǒng)基于弦振動(dòng)理論，測(cè)量弦振動(dòng)發(fā)出的聲音頻率，利用多項(xiàng)式擬合得到弦長(zhǎng)和振動(dòng)頻率的定標(biāo)模型，精確計(jì)算弦長(zhǎng)，從而確定料位高度。整個(gè)測(cè)量過(guò)程包括擊弦、聲音頻譜測(cè)量、數(shù)據(jù)分析處理。

本發(fā)明所述的基于弦振動(dòng)的煤倉(cāng)料位檢測(cè)方法是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于弦振動(dòng)的煤倉(cāng)料位檢測(cè)方法，包括以下步驟：

（a）設(shè)筒倉(cāng)高度為h，料位高度為h，弦長(zhǎng)即弦線自由振動(dòng)的長(zhǎng)度為l，當(dāng)倉(cāng)內(nèi)料位發(fā)生變化時(shí)，弦線自由振動(dòng)的長(zhǎng)度l發(fā)生變化；則弦長(zhǎng)和料位高度關(guān)系為h=h-l；

（b）、料位定標(biāo)

筒倉(cāng)料位變化時(shí)，弦線自由振動(dòng)的長(zhǎng)度l也變化，同時(shí)料位變化也會(huì)使弦線的張力發(fā)生微小變化，弦線的振動(dòng)頻率f也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化；對(duì)此采用多項(xiàng)式擬合建立弦長(zhǎng)l和頻率f的數(shù)學(xué)模型，利用回歸分析來(lái)得到定標(biāo)模型；將弦長(zhǎng)l和頻率f的關(guān)系用高階多項(xiàng)式表示如下：

l=a0+a1f+a2f²+…+anfⁿ

式中a0、a1、…，an分別為各階回歸系數(shù)，具體階數(shù)n由用來(lái)定標(biāo)的數(shù)據(jù)量來(lái)決定；在不同料位高度下，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)杠桿擊弦，并通過(guò)聲波頻譜儀采集弦線振動(dòng)頻率，進(jìn)而測(cè)出料位高度分別為l1、l2、…、lm時(shí)對(duì)應(yīng)的弦線的振動(dòng)頻率f1、f2、…、fm，其中，m>n，可得到回歸方程：

數(shù)學(xué)模型建立以后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在相應(yīng)軟件的支持下結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到回歸方程系數(shù)a0、a1、…，an的值，建立弦長(zhǎng)l和頻率f之間的定量關(guān)系；

（c）通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)杠桿擊弦，并通過(guò)聲波頻譜儀測(cè)得弦線的振動(dòng)頻率后，由l=a0+a1f+a2f²+…+anfⁿ式計(jì)算出自由振動(dòng)弦長(zhǎng)l，帶入h=h-l式即可得到筒倉(cāng)內(nèi)實(shí)際的料位高度。

對(duì)于一種特定的物料，測(cè)量前需要進(jìn)行定標(biāo)，即在筒倉(cāng)內(nèi)裝填不同高度的物料，然后分別測(cè)量每個(gè)高度下的弦線在相同頻率的外力作用下的振動(dòng)頻率，列出相應(yīng)的多項(xiàng)式，然后根據(jù)上述多個(gè)多項(xiàng)式擬合出各階回歸系數(shù)，完成定標(biāo)；之后就可以進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量了。

本發(fā)明所述檢測(cè)系統(tǒng)克服了當(dāng)前常用測(cè)量方法測(cè)量精度和測(cè)量速度不能兼顧、易受粉塵和懸掛物干擾的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)料位高度的連續(xù)、精確檢測(cè)，并且不受倉(cāng)筒內(nèi)粉塵和懸掛物影響。所述方法測(cè)量準(zhǔn)確，處理速度快，能夠滿足目前煤礦、電廠、洗煤廠的需要；不僅可用于煤炭的測(cè)量，還可以用于其它礦石以及化工原料的料位測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明所述煤倉(cāng)料位檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1-筒倉(cāng)，2-弦線，3-聲波頻譜儀，4-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，5-電機(jī)，6-聯(lián)動(dòng)杠桿。

具體實(shí)施方式

所述機(jī)械擊弦裝置包括電機(jī)5和聯(lián)動(dòng)杠桿6；所述電機(jī)5的信號(hào)輸入端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4的信號(hào)輸出端相連接，電機(jī)5的動(dòng)力輸出端連接有用于擊發(fā)弦線2的聯(lián)動(dòng)杠桿6。

聲波頻譜儀3、電機(jī)5和聯(lián)動(dòng)杠桿6均位于弦線2靠近筒倉(cāng)1頂端的位置處。弦線2采用鋼絲繩。

實(shí)施例

1、裝置結(jié)構(gòu)

所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包括：弦線2，機(jī)械擊弦裝置，聲波頻譜儀3，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4。所述弦線2為一垂直安裝的、直徑約為3～5cm、長(zhǎng)度與筒倉(cāng)1高度相當(dāng)?shù)匿摻z繩，其上下兩端分別與筒倉(cāng)1的頂端和底端固定；機(jī)械擊弦裝置由電機(jī)5和聯(lián)動(dòng)杠桿6組成，其轉(zhuǎn)速和扭矩由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4控制，即可以在一定范圍調(diào)節(jié)擊弦頻率和擊弦力度；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4接收聲波頻譜儀3的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理分析，得到料位高度，同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4還進(jìn)行擊弦、聲音頻譜測(cè)量、數(shù)據(jù)分析處理過(guò)程的時(shí)序控制。

2、測(cè)量原理

根據(jù)弦振動(dòng)理論，兩端固定的連續(xù)均勻弦線振動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)可以表示為多個(gè)駐波的疊加。對(duì)于第n個(gè)駐波，弦線各點(diǎn)做諧振動(dòng)的振幅和頻率分別為：

振幅（1）

頻率（2）

式中，l為弦長(zhǎng)，t為弦線張力，ρ為弦線密度。其中，n=1時(shí)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為基頻，n為其它值時(shí)為各次諧頻。由上式可以看出，弦線的振動(dòng)包括多種頻率，但基頻強(qiáng)度比其他諧頻強(qiáng)得多,因此它決定弦的頻率，所以本發(fā)明通過(guò)測(cè)量弦振動(dòng)基頻計(jì)算弦線長(zhǎng)度。根據(jù)（2）式，弦振動(dòng)基頻與弦長(zhǎng)、弦的張力、弦密度有關(guān)，對(duì)于確定弦線，其密度為一常數(shù)。

當(dāng)倉(cāng)內(nèi)料位發(fā)生變化時(shí)，弦線2自由振動(dòng)的長(zhǎng)度l發(fā)生變化，如圖1所示，設(shè)筒倉(cāng)高度為h，料位高度為h，則弦長(zhǎng)和料位高度關(guān)系為：

h=h-l（3）

3、料位定標(biāo)

筒倉(cāng)1料位變化時(shí)，弦線自由振動(dòng)的長(zhǎng)度l也變化，同時(shí)料位變化也會(huì)使鋼絲弦線的張力發(fā)生微小變化，如果測(cè)得振動(dòng)頻率直接按照（2）式計(jì)算弦長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)計(jì)算誤差。而張力對(duì)料位高度的變化規(guī)律不容易由數(shù)學(xué)公式定量描述，基于此，本發(fā)明用多項(xiàng)式擬合建立弦長(zhǎng)l和頻率f的數(shù)學(xué)模型，利用回歸分析來(lái)得到定標(biāo)模型。將弦長(zhǎng)l和頻率f的關(guān)系用高階多項(xiàng)式表示如下：

l=a0+a1f+a2f²+…+anfⁿ（4）

式中a0、a1、…，an分別為各階回歸系數(shù)，具體階數(shù)n由用來(lái)定標(biāo)的數(shù)據(jù)量來(lái)決定。通過(guò)使用重錘法測(cè)出料位高度分別為l1、l2、…、lm時(shí)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率f1、f2、…、fm（其中，m>n），可得到多組結(jié)構(gòu)形式（回歸方程）：

數(shù)學(xué)模型建立以后，用matlab、spss等軟件可以對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行擬合，得到回歸方程系數(shù)a0、a1、…，an的值，建立弦長(zhǎng)l和頻率f之間的定量關(guān)系。

測(cè)得弦線振動(dòng)頻率后，由式（4）計(jì)算自由振動(dòng)弦長(zhǎng)l，帶入（3）式即可得到料位高度。

通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以5～20hz的頻率連續(xù)擊弦，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)料位高度的連續(xù)測(cè)量。