1.本发明涉及一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置和方法，属于矿山充填堵管监测及处理领域。
背景技术：2.采煤后的区域会变为采空区，为了能够保障地面的安全，通常需要对采空区进行充填作业，因此也出现了充填开采的采煤方式。充填开采中的充填作业通常是使用充填管道将配好的料浆输送至地下采空区，但由于料浆在运输时易发生离析沉淀现象，会造成管道的堵塞，甚至会发生管道炸裂等危险情况，严重危害充填作业的完成，并会造成十分重大的经济损失。为了能够保障充填作业的安全进行，需要对充填管道的各个位置进行实时监测，在发现有产生堵管的问题后立即做出相关处理措施，防止危险的发生。
3.现阶段，充填管道监测的方式已有一些发展，最早主要是通过对充填管道受到的压力进行数据采集，并把获取到的信号进行处理，从而得到管道具体的堵塞情况。针对于管道压力的监测，淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿采矿工程师李秀山(李秀山,柳成懋.矸石膏体充填管道压力在线监测研究与实践[j].煤炭工程,2012(10):56-58.)采用压力在线监测的技术，通过对输送管路沿线的压力实时在线监测，发现管路堵塞故障位置或预警管道破损位置。河北工程大学信息与电气工程学院刘增环(刘增环,杨帆.煤矿井下超高水充填管道在线监测及故障诊断系统设计[j].煤矿机械,2015,36(08):329-331.)设计了基于模糊专家系统的超高水充填管道在线监测及故障诊断系统，通过将模糊集合理论和专家系统相结合，对充填管道压力、超高水流量的在线监测和信号的处理与分析，实现了超高水充填管道的故障诊断。中国专利 cn106093131a公开了一种膏体充填管路堵管监测装置及方法，主要采用充填管道内壁圆弧形凹槽上的电阻率测试装置对管内的电阻率进行监测，通过电阻率值的不同来反映管道的堵塞状况。然而，已有的这些技术都存在着许多的问题，例如基于管道压力的测试方法对于压力传感器的灵敏度要求较高，若灵敏度较高时，由于管内料浆无规则碰撞管壁，压力示数变化较快，无法得到精准的数据；若灵敏度较低时，引起示数的变化较小，无法实现精准的计算。
[0004]
同样地，充填管道堵塞的处理方式也已经有了一些研究，主要的工作原理都是加大输送泵的送水量，利用水的高压对管壁离析沉淀的料浆进行冲洗，中国专利cn113738440a公开了一种膏体充填管道的处理方法及装置，对堵塞的充填管道通过高压风进行疏通，其次将充填管道进行引流及清洗并将水排入到沉淀池中，最后充填完毕后的充填管道通过高压风进行清洗。此外，也有采用震动原理对堵管进行监测与处理的装置，中国专利cn112796828a公开了一种膏体充填管道的处理方法及装置，利用共振碎石仪将震动能量通过管道壁传递至固结体，根据超高水材料固结体的固有频率，通过高频率低振幅运动产生相应的共振破坏，使固结体由外而内产生均匀裂碎，从而解决堵塞问题。然而，已有的这些堵管处理方案虽然简单且方便处理，但是存在一些问题，加大水泵输送水压或采用震动等方法时会对管道本身造成较大的磨损，长期采用这种方法会降低管道使用寿命，经济
效益较低，并且会影响充填作业的安全运行。
[0005]
因此，有必要对管道堵塞监测与处理的方案进行改进与创新，能够更加合理并且精确地监测管道内部运输情况，并对堵塞的管道进行处理，高效且有针对性的解决充填管道堵塞问题。
技术实现要素：[0006]
本发明旨在提供一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置和方法，能够精准的监测管道堵塞位置并做出相应的处理。
[0007]
本发明的原理：充填管道的堵塞会导致料浆的传输速度发生改变，因此可以通过反映料浆在不同位置的流速确定管道的堵塞情况。磁阻传感器会监测随着料浆移动磁钉的磁场变化情况，将监测到的信号经过处理后传送至pc计算机，并由pc计算机计算出通过监测管道的平均速度，将速度与料浆移动的速度进行大小比较，判断管道堵塞情况。在料浆发生离析沉淀现象时，由于受到重力的影响会使靠近管道底部的位置料浆密度逐渐增大，堵管处理装置通过底层的高压喷气孔向充填管道喷射气流，使沉淀在底部密度较大的料浆重新活跃起来，并随着料浆的冲击向前运动，从而防止堵管现象的发生。
[0008]
本发明提供了一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，包括监测管道、磁阻传感器装置、磁钉、磁钉发射装置、信号处理系统以及高压喷气装置。
[0009]
在本装置中包含若干条监测管道，所述监测管道各个参数规格一致，布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上易堵塞的区间，磁钉发射装置位于长距离水平充填管道的起始端部，磁钉发射装置所在的管道与监测管道内径、管壁厚度一致；磁钉发射装置在设定的间隔时间内发送磁钉，通过将磁阻传感器监测到磁钉信号的时间传送给单片机进行计算，并与设置好的安全速度范围作比较，判断是否发生堵管，但管道长度有所不同。
[0010]
一般地，将磁钉发射装置所在的管道安置在水平运输位置的始端，紧接着布置监测管道，直至离开水平管道易堵塞的区间，磁钉顺着管道的输送方向移动。相邻监测管道之间通过法兰、螺栓进行连接；在每节监测管道的内壁上方均匀设有磁阻传感器，用于监测磁钉通过时磁信号的变化；
[0011]
高压喷气装置安装在监测管道的易发生堵管问题的底部位置。高压喷气装置设置在监测管道下方，包括高压喷气总管道、高压喷气阀门、高压喷气孔、防堵盖，在高压喷气总管道接近监测管道的易发生堵管问题的底部位置均匀设置高压喷气孔高压喷气孔上设有高压喷气阀门，用于控制高压气体的流通，高压喷气孔顶部设有管道喷气口，管道喷气口顶部设有防堵盖；进一步地，防堵盖通过防堵盖转动轴固定在高压喷气孔的一端，用于控制高压喷气孔的开闭；
[0012]
信号处理系统包括恒流源、信号放大与滤波电路、dsp微处理器、pc计算机以及电源。磁阻传感器连接信号放大与滤波电路，信号放大与滤波电路连接dsp微处理器，dsp微处理器与pc计算机连接。磁阻传感器将监测到的磁信号转化为电压信号，经过放大后使用低通滤波器过滤掉放大产生的低频噪声，接着dsp微处理器将处理后的电压模拟信号进行模电转换，产生电压数字信号，并通过噪声去除算法去掉周边环境铁磁性材料、交流电磁干扰以及地磁场等方面引起的干扰，并将测得的信号传给pc计算机进行下一步处理与运算。电源与磁阻传感器、磁钉发射装置、恒流源、放大滤波波电路、dsp微处理器、pc计算机相连。
[0013]
pc计算机连接plc，plc连接并控制高压喷气阀门。pc计算机根据计算磁钉通过磁阻传感器的时间计算出运行的速度，再对磁钉的运行速度进行处理与分析，得到具体某处管道的堵塞情况，并控制plc开启高压喷气阀门对堵管的位置进行喷气。电源连接pc计算机、 plc以及高压喷气阀门。
[0014]
上述装置中，磁钉为圆柱式，其磁力线分布情况如图8，圆柱形磁钉沿轴线方向计算磁场表达式为：
[0015][0016]
式(1)中，br表示剩磁系数，l表示磁钉的长度，r表示磁钉的半径，d表示离开磁钉上表面的距离。b的量纲为gauss，且1t＝104gs，文中主要分析磁感应强度。
[0017]
上述装置中，磁钉材料的选取需保证产生足够的磁场，且为了保证磁钉的密度相比料浆密度不能过大，可采用空心磁钉(不可空心占比过大，否则会无法监测磁场信号)或选取较轻材质。
[0018]
上述装置中，连接与磁阻传感器周围的电线采用可屏蔽电磁场的电线，尽可能的降低噪声干扰。
[0019]
上述装置中，高压喷气孔采用垂直管道料浆输送的方向进行布置，也可采用有一定偏转角的布置，例如倾斜45
°
沿料浆输送方向喷气。
[0020]
上述装置中，在高区喷气孔的顶部设计有防堵盖，防堵盖通过转动轴固定在料浆运送方向的一端，可沿转动轴进行开合；保证喷气结束后会通过运输料浆的水流压力将防堵盖重新盖在喷气孔上，防止高压喷气孔进入料浆。
[0021]
本发明中，监测管道布置在长距离直线运输段，由长度相等的多节管道组合而成，方便管道的安装与后期维修更换，节约成本。为了保证监测精度，每一节监测管道的长度可在 20～50米之间，管道内半径为8cm，管厚为2cm。
[0022]
本发明提供了一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的方法，采用上述基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，包括以下步骤：
[0023]
s1：将磁阻传感器与磁钉发射装置安装在监测管道的内壁上方，并与信号放大与滤波电路相连，接着将放大滤波电路、dps微处理器、pc计算机、plc与高压喷气阀门两两依次连接，构成信号传输电路；再将电源与恒流源、磁阻传感器、磁钉发射装置、放大滤波电路、dps微处理器、pc计算机、plc以及高压喷气阀门连接，为其提供所需要的电力情况；
[0024]
s2：监测系统的信息传递主要通过磁阻传感器将监测到的磁信号转化为电压信号，经过放大后使用低通滤波器过滤掉放大产生的低频噪声，接着dsp微处理器将处理后的电压模拟信号进行模电转换，产生电压数字信号，并通过噪声去除算法去掉周边环境铁磁性材料、交流电磁干扰以及地磁场等方面引起的干扰，并将测得的信号传给pc计算机进行下一步处理与运算；
[0025]
s3标注磁阻传感器的设置参数，并进行相关计算。监测管道在管道水平方向的长度为s，磁阻传感器在管道水平方向的长度为l，磁阻传感器的监测长度为m，正常充填作业下磁钉之间的发射间距为w，计算出监测管道之间的监测盲区长度为s-m；
[0026]
s4：设置磁信号感应强度，由于磁阻传感器主要对随着料浆漂浮的磁钉产生的磁场进行监测，为了保证监测数值的合理与监测作业的精确，需要设置磁阻传感器监测磁场
信号的最小值(起始值)为b
min
；通过式(1)求出此时圆柱形磁钉沿轴线方向可监测到磁场距圆柱顶端的长度为d，即当磁钉横向沿管道方向传送时，磁钉顶端距离磁阻传感器监测范围长度为d 时，能够产生检测信号；同理，当驶出监测范围长度d时，由于磁场大小小于了磁阻传感器可监测的最小值b
min
，因此结束监测；
[0027]
s5：确定监测管道长度参数范围：为了保证磁阻传感器的精确监测，避免一个磁钉共处两个监测区间，需要使两传感器之间的监测盲区大于磁钉产生可监测磁场的总范围：
[0028]
s-m》2d+h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0029]
式(2)中，s-m表示，监测管道之间监测盲区的长度，h表示圆柱形磁钉的高度；
[0030]
s6：设置磁钉发射间隔时间t
p
：磁钉发射装置会间隔t
p
秒发射一个磁钉，但由于圆柱形磁钉沿轴线方向计算的可监测磁场最小值为b
min
，该值对应的位置距离圆柱形磁钉顶端为d，为了避免可监测磁场的叠加而造成监测信号的不间断，要保证磁钉之间的距离(磁钉发射装置的发射间隔时间)在一个合理的区间：
[0031]
w＝vr·
t
p
》2d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0032]
式(3)中，vr表示充填管道内料浆的流速；
[0033]
s7：对管道上的磁阻传感器以及发射到管道内的磁钉进行编号，磁钉按照依次发射的顺序进行编号，磁阻传感器按照距离磁钉发射装置的远近开始编号；例：料浆输送方向为从右向左，因此磁阻传感器从右向左依次编号，磁钉从左向右依次编号。i＝1,2,3,
…
，i为磁阻传感器的编号；j＝1,2,3,
…
，j为磁钉的编号；
[0034]
s8：计算磁钉通过第i个监测管道的平均速度：第i监测管道上安装着第i个磁阻传感器，因此可根据监测磁钉通过第i个监测区间的距离除以通过时间计算平均速度：
[0035][0036]
式(4)中，v
ij
为第j个磁钉通过第i个磁阻传感器的平均速度，t
ij
为第j个磁钉通过第i 个磁阻传感器的通过时间；
[0037]
s9：计算磁钉平均速度的误差与上下限：s7中计算的平均速度v
ij
是当磁钉在理想状态下的运动，即圆柱形磁钉轴线方向与管道输送料浆方向平行，此类情况为监测速度的下限(时间上限t
ijmax
)；但也存在非理想状态下的运动，即圆柱形磁钉轴线方向与管道输送料浆方向垂直，此类情况为监测速度的上限(时间下限t
ijmin
)，由于堵管时主要表现为平均速度较低，因此计算上限时将圆柱形磁钉母线与监测区间相切时开始计算；上下限表达式如下：
[0038][0039][0040]
式中，r为圆柱形磁钉半径，因此磁钉的平均速度应在[v
ijmin
,v
ijmax
]区间内；
[0041]
s10：计算允许速度范围：定义速度监控可波动系数为k，该系数与料浆配比、输送环境以及管道参数有关。当监测计算的速度在允许速度范围((1-k)vr,(1+k)vr)，即为管道的正常运行，没有发生堵塞情况：
[0042]
(1-k)vr《v
ijmin
《v
ij
《v
ijmax
《(1+k)vr,i＝1,2,3,
…
,j＝1,2,3,
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0043]
s11：当监测速度没有落在((1-k)vr,(1+k)vr)区间时，需要将监测信号传输至pc计算机，对产生特殊的情况进行处理；例：第g个磁钉在第p个到第q个监测管道时计算的速度出现异常(未落在允许速度范围)，继续对第g+1以及g+2个磁钉经过的区间进行监测，如果仍然计算得到第p个到第q个监测管道速度异常，即确定第p个到第q个管道产生离析沉淀现象；
[0044]
s12：pc计算机分别控制磁钉发射装置降低磁钉的发射间隔时间t
p
，并且向plc控制系统发出控制指令，开启第p个到第q个管道上的高压喷气阀，使沉淀在管底部的料重新活跃起来；
[0045]
s13：实时监测第p个到第q个监测管道的状态，当其速度回归到允许区间时，pc计算机分别向磁钉发射装置以及plc控制装置发送信号，调回磁钉发射间隔时间t
p
，plc控制系统停止高压喷气，完成了一次堵管情况的处理，并继续进行监测。
[0046]
本发明的有益效果：
[0047]
(1)本发明提供一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置和方法，通过对磁钉产生的磁场信号进行监测，能够精确地计算出堵管的具体位置以及编号，并且通过底部的高压喷气装置对发生堵塞现象的管道进行喷射处理，解决了堵管情况的发生；
[0048]
(2)该装置及方法能够在很大程度上节省冲洗管道的成本，提高充填作业的运行效率以及管道的使用寿命，在充填管道堵管的监测与处理方面有十分重要的意义。
附图说明
[0049]
图1为本发明中基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置的示意图。
[0050]
图2为本发明中磁阻传感器监测充填管道的平面图。
[0051]
图3为本发明中高压喷气装置与监测管道连接处的示意图。(a)为非工作状态；(b)为工作状态。
[0052]
图4为本发明中监测管道内磁钉与传感器布置示意图。
[0053]
图5为本发明中理想状态下监测磁钉运动过程图。
[0054]
图6为本发明中非理想状态下监测磁钉运动过程图。
[0055]
图7为本发明中第g个磁钉经过第i个监测管道的平均速度图。
[0056]
图8为本发明中磁钉磁场分布图。
[0057]
图中：1为监测管道，2为磁阻传感器，3为法兰，4为螺栓，5为磁钉，6为磁钉发射装置，7为高压喷气总管道，8为高压喷气阀门，9为高压喷气孔，10为防堵盖，11为电源， 12为恒流源，13为信号放大与滤波电路，14为dsp微处理器，15为pc计算机，16为plc， 17为管道连接口，18为管道喷气口，19为防堵盖转动轴。a为料浆运行方向。
具体实施方式
[0058]
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0059]
实施例1：
[0060]
如图1～4所示，一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，包括监测管道1、磁阻传感器2、磁钉5、磁钉发射装置6、信号处理系统以及高压喷气装置；
[0061]
在本装置中包含若干条监测管道1，所述监测管道1各个参数规格一致，布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上易堵塞的区间，磁钉发射装置6位于长距离水平充填管道的起始端部，磁钉发射装置6所在的管道与监测管道1内径、管壁厚度一致(图1中，料浆的输送方向是从右向左)；磁钉发射装置6在设定的间隔时间内发送磁钉5，通过将磁阻传感器监测到磁钉信号的时间传送给单片机进行计算，并与设置好的安全速度范围作比较，判断是否发生堵管，但管道长度有所不同。
[0062]
一般地，将磁钉发射装置6所在的管道安置在水平运输位置的始端，紧接着布置监测管道1，直至离开水平管道易堵塞的区间，如图1，料浆从右向左进行输送，磁钉5顺着管道的输送方向从右向左移动。相邻监测管道1之间通过法兰3、螺栓4进行连接；在每节监测管道的内壁上方均匀设有磁阻传感器2，用于监测磁钉5通过时磁信号的变化；
[0063]
高压喷气装置设置在监测管道1下方，包括高压喷气总管道7、高压喷气阀门8、高压喷气孔9、防堵盖10，在高压喷气总管道7接近监测管道1的易发生堵管问题的底部位置均匀设置高压喷气孔9高压喷气孔9上设有高压喷气阀门8，用于控制高压气体的流通，高压喷气孔9顶部设有管道喷气口18，管道喷气口18顶部设有防堵盖10；进一步地，防堵盖10通过防堵盖转动轴19固定在高压喷气孔9的一端，用于控制高压喷气孔9的开闭；
[0064]
信号处理系统包括恒流源12、信号放大与滤波电路13、dsp微处理器14、pc计算机15 以及电源11。磁阻传感器2连接信号放大与滤波电路13，信号放大与滤波电路13连接dsp 微处理器14，dsp微处理器14与pc计算机15连接。磁阻传感器2将监测到的磁信号转化为电压信号，经过放大后使用低通滤波器过滤掉放大产生的低频噪声，dsp微处理器14将处理后的电压模拟信号进行模电转换，产生电压数字信号，并通过噪声去除算法去掉周边环境铁磁性材料、交流电磁干扰以及地磁场等方面引起的干扰，并将测得的信号传给pc计算机15进行下一步处理与运算。电源11与磁阻传感器2、磁钉发射装置6、恒流源12、放大滤波波电路13、dsp微处理器14、pc计算机15、plc16以及高压喷气阀门8相连。图1中实线表示提供电源支撑的路径，虚线表示提供数据传送的路径。
[0065]
pc计算机15连接plc16，plc16连接并控制高压喷气阀门8。pc计算机15根据计算磁钉5通过磁阻传感器2的时间计算出运行的速度，再对磁钉的运行速度进行处理与分析，得到具体某处管道的堵塞情况，并控制plc16开启高压喷气阀门8对堵管的位置进行喷气。
[0066]
上述装置中，连接与磁阻传感器2周围的电线采用可屏蔽电磁场的电线，尽可能的降低噪声干扰。
[0067]
上述装置中，高压喷气孔9采用垂直于管道料浆输送的方向进行布置，也可采用有一定偏转角的布置，通常设定的开启范围为0
°
～60
°
，例如倾斜45
°
沿料浆输送方向喷气。
[0068]
上述装置中，在高压喷气孔9的顶部设计有防堵盖10，见图3所示，其转动轴19设置在料浆运送方向的一侧，保证喷气结束后会通过运输料浆的水流压力将防堵盖10重新盖在高压喷气孔9上，防止高压喷气孔9内流入料浆。
[0069]
如图4所示，对管道上的磁阻传感器以及发射到管道内的磁钉进行编号，磁钉按照发射的顺序依次进行编号，磁阻传感器按照距离磁钉发射装置的远近开始编号。例，图4中，料浆输送方向为从右向左，因此磁阻传感器从右向左依次编号，磁钉从左向右依次编号。
[0070]
如图5和6所示，磁钉在管道中的运行情况可能存在多种不同的形式。其中理想状态下圆柱形磁钉轴线方向与管道输送料浆方向平行，这时在距磁钉顶端长度为d时(最早监
测到磁钉信号)即可接受磁钉的通过信号，计算出监测速度的下限，见图5；但也存在非理想状态下的运动，即圆柱形磁钉轴线方向与管道输送料浆方向垂直，这时由于堵管时主要表现为平均速度较低，因此计算上限时将圆柱形磁钉母线与监测区间相切时开始计算，能够得到出监测速度的上限，如图6。
[0071]
上述装置中，通过pc计算机监测到的信号对堵管的位置进行判断，通过磁阻传感器监测到的时间进行计算，得到每一个磁钉通过每一个磁阻传感器所在管道的具体速度，从而反映料浆运行速度。当某一个管道处连续监测到三个异常速度值时，即判断该处管道发生了离析沉淀现象(即管道堵塞)。
[0072]
上述装置中，磁钉5为圆柱式，其磁力线分布情况如图8所示，圆柱形磁钉沿轴线方向计算磁场表达式为：
[0073][0074]
式(1)中，br表示剩磁系数，l表示磁钉5的长度，r表示磁钉5的半径，d表示离开磁钉5上表面的距离。b的量纲为gauss，且1t＝104gs，文中主要分析磁感应强度。
[0075]
上述装置中，磁钉5材料的选取需保证产生足够的磁场，且为了保证磁钉5的密度相比料浆密度不能过大，可采用空心磁钉(不可空心占比过大，否则会无法监测磁场信号)或铝钴镍合金、smco、ndfeb等材质制成的磁钉。
[0076]
本发明提供了一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的方法，包括以下步骤：
[0077]
s1：将磁阻传感器2与磁钉发射装置6安装在监测管道1的内壁上方，并与信号放大与滤波电路13相连，接着将信号放大与滤波电路13、dsp微处理器14、pc计算机15、plc16 与高压喷气阀门8两两依次连接，构成信号传输电路；再将电源11与恒流源12、磁阻传感器2、磁钉发射装置6、放大滤波电路13、dps微处理器14、pc计算机15、plc16以及高压喷气阀门8连接，提供所需要的电力；
[0078]
s2：信号处理系统的信息传递主要通过磁阻传感器2将监测到的磁信号转化为电压信号，经过放大后使用低通滤波器过滤掉放大产生的低频噪声，接着dsp微处理器14将处理后的电压模拟信号进行模电转换，产生电压数字信号，并通过噪声去除算法去掉周边环境铁磁性材料、交流电磁干扰以及地磁场等方面引起的干扰，并将测得的信号传给pc计算机15进行下一步处理与运算；
[0079]
s3标注磁阻传感器2的设置参数，并进行相关计算；监测管道1在管道水平方向的长度为s，磁阻传感器2在管道水平方向的长度为l，磁阻传感器2的监测长度为m，正常充填作业下磁钉5之间的发射间距为w，计算出监测管道1之间的监测盲区长度为s-m；
[0080]
s4：设置磁信号感应强度，由于磁阻传感器2主要对随着料浆漂浮的磁钉5产生的磁场进行监测，为了保证监测数值的合理与监测作业的精确，需要设置磁阻传感器2监测磁场信号的最小值(起始值)为b
min
，见图8。通过式(1)求出此时圆柱形磁钉5沿轴线方向可监测到磁场距圆柱顶端的长度为d，即当磁钉5横向沿管道方向传送时，磁钉5顶端距离磁阻传感器2监测范围长度为d时，能够产生检测信号，同理，当驶出监测范围长度d时，由于磁场大小小于了磁阻传感器可监测的最小值b
min
，因此结束监测，见图5；
[0081]
s5：确定监测管道1的长度参数范围。为了保证磁阻传感器2的精确监测，避免一个磁钉5共处两个监测区间，需要使两传感器2之间的监测盲区大于磁钉5产生可监测磁场的
总范围：
[0082]
s-m》2d+h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0083]
式(2)中，s-m表示监测管道1之间监测盲区的长度，h表示圆柱形磁钉5的高度；
[0084]
s6：设置磁钉5发射间隔时间t
p
，磁钉发射装置6会间隔t
p
秒发射一个磁钉5，但由于圆柱形磁钉5沿轴线方向计算的可监测磁场最小值为b
min
，该值对应的位置距离圆柱形磁钉顶端为d，为了避免可监测磁场的叠加而造成监测信号的不间断，要保证磁钉5之间的距离(磁钉发射装置6的发射间隔时间)在一个合理的区间：
[0085]
w＝vr·
t
p
》2d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0086]
式(3)中，vr表示充填管道内料浆的流速，w代表相邻磁钉5之间的距离。
[0087]
s7：对管道上的磁阻传感器2以及发射到管道内的磁钉5进行编号，磁钉5按照依次发射的顺序进行编号，磁阻传感器2按照距离磁钉发射装置6的远近开始编号。如图4中，料浆输送方向为从右向左，因此磁阻传感器2从右向左依次编号，磁钉5从左向右依次编号。i＝1,2,3,
…
，i为磁阻传感器2的编号；j＝1,2,3,
…
，j为磁钉5的编号。
[0088]
s8：计算磁钉5通过第i个监测管道的平均速度。第i监测管道1上安装着第i个磁阻传感器2，因此可根据监测磁钉5通过第i个监测区间的距离除以通过时间计算平均速度：
[0089][0090]
式(4)中，v
ij
为第j个磁钉5通过第i个磁阻传感器2的平均速度，t
ij
为第j个磁钉5 通过第i个磁阻传感器2的通过时间。
[0091]
s9：计算磁钉5平均速度的上下限。步骤s7中计算的平均速度v
ij
是当磁钉5在理想状态下的运动，即圆柱形磁钉5轴线方向与管道输送料浆方向平行，此类情况为监测速度的下限(时间上限t
ijmax
)，见图5；但也存在非理想状态下的运动，即圆柱形磁钉轴线方向与管道输送料浆方向垂直，此类情况为监测速度的上限(时间下限t
ijmin
)，由于堵管时主要表现为平均速度较低，因此计算上限时将圆柱形磁钉母线与监测区间相切时开始计算，如图6。上下限表达式如下：
[0092][0093][0094]
式中，r为圆柱形磁钉5半径，因此磁钉的平均速度应在[v
ijmin
,v
ijmax
]区间内。
[0095]
s10：计算允许速度范围。定义速度监控可波动系数为k，((1-k)vr,(1+k)vr)该系数与料浆配比、输送环境以及管道参数有关。当监测计算的速度在允许速度范围，即为管道的正常运行，没有发生堵塞情况：
[0096]
(1-k)vr《v
ijmin
≤v
ij
≤v
ijmax
《(1+k)vr,i＝1,2,3,
…
,j＝1,2,3,
…ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0097]
s11：当监测速度没有落在((1-k)vr,(1+k)vr)区间时，需要将监测信号传输至pc计算机 15，对产生特殊的情况进行处理。如图7，第g个磁钉5在第p个到第q个监测管道1时计算的速度出现异常(未落在允许速度范围)，继续对第g+1以及g+2个磁钉经过的区间进行监测，如果仍然计算得到第p个到第q个监测管道速度异常，即确定第p个到第q个管道产生离
析沉淀现象。
[0098]
s12：pc计算机15分别控制磁钉发射装置6降低磁钉5的发射间隔时间t
p
，并且向plc16 控制系统发出控制指令，开启第p个到第q个管道上的高压喷气阀门8，使沉淀在管底部的料重新活跃起来。
[0099]
s13：实时监测第p个到第q个监测管道1的状态，当其速度回归到允许区间时，pc计算机 15分别向磁钉发射装置6以及plc16控制装置发送信号，调回磁钉发射间隔时间t
p
，plc16 控制系统停止高压喷气，完成了一次堵管情况的处理，并继续进行监测。
技术特征：1.一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：包括监测管道、磁阻传感器、磁钉、磁钉发射装置、信号处理系统以及高压喷气装置；监测管道包含若干条，每条监测管道的参数规格一致，布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上易堵塞的区间，磁钉发射装置位于长距离水平充填管道的起始端部，磁钉发射装置所在的管道与监测管道内径、管壁厚度一致；磁钉发射装置在设定的间隔时间内发送磁钉，通过将磁阻传感器监测到磁钉信号的时间传送给单片机进行计算，并与设置好的安全速度范围作比较，判断是否发生堵管；高压喷气装置安装在监测管道的易发生堵管问题的底部位置；高压喷气装置设置在监测管道下方，包括高压喷气总管道、高压喷气阀门、高压喷气孔、防堵盖，在高压喷气总管道接近监测管道的易发生堵管问题的底部位置均匀设置高压喷气孔，高压喷气孔上设有高压喷气阀门，用于控制高压气体的流通，高压喷气孔顶部设有管道喷气口，管道喷气口顶部设有防堵盖；信号处理系统包括恒流源、信号放大与滤波电路、dsp微处理器、pc计算机以及电源；磁阻传感器连接信号放大与滤波电路，信号放大与滤波电路连接dsp微处理器，dsp微处理器与pc计算机连接；磁阻传感器将监测到的磁信号转化为电压信号，经过放大后使用低通滤波器过滤掉放大产生的低频噪声，接着dsp微处理器将处理后的电压模拟信号进行模电转换，产生电压数字信号，并通过噪声去除算法去掉周边环境铁磁性材料、交流电磁干扰以及地磁场方面引起的干扰，并将测得的信号传给pc计算机进行下一步处理与运算；pc计算机连接plc，plc连接并控制高压喷气阀门；电源与磁阻传感器、磁钉发射装置、恒流源、放大滤波波电路、dsp微处理器、pc计算机相连、plc以及高压喷气阀门。2.根据权利要求1所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：将磁钉发射装置所在的管道安置在水平运输位置的始端，紧接着布置监测管道，直至离开水平管道易堵塞的区间，磁钉顺着管道的输送方向移动；相邻监测管道之间通过法兰、螺栓进行连接；在每节监测管道的内壁上方均匀设有磁阻传感器，用于监测磁钉通过时磁信号的变化。3.根据权利要求1所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：磁钉为圆柱式，圆柱形磁钉沿轴线方向计算磁场表达式为：式(1)中，b
r
表示剩磁系数，l表示磁钉的长度，r表示磁钉的半径，d表示离开磁钉上表面的距离。b的量纲为gauss，且1t＝104gs，文中主要分析磁感应强度。4.根据权利要求3所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：磁钉材料的选取需保证产生足够的磁场，磁钉的密度相比料浆密度不能过大，采用空心磁钉或轻质材料制成的磁钉。5.根据权利要求1所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：与磁阻传感器周围连接的电线采用能屏蔽电磁场的电线，以降低噪声干扰。6.根据权利要求1所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：高压喷气孔采用垂直管道料浆输送的方向进行布置，也可采用有偏转角的布置，偏转角设定
为0
°
～60
°
。7.根据权利要求1所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：防堵盖通过防堵盖转动轴固定在料浆运送方向的一端，沿转动轴转动控制高压喷气孔的开闭；保证喷气结束后会通过运输料浆的水流压力将防堵盖重新盖在喷气孔上，防止高压喷气孔进入料浆。8.根据权利要求1所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：监测管道布置在长距离直线运输段，由长度相等的多节管道组合而成；每一节监测管道的长度在20～50米之间，管道内半径为8cm，管厚为2cm。9.根据权利要求1所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：pc计算机根据计算磁钉通过磁阻传感器的时间计算出运行的速度，再对磁钉的运行速度进行处理与分析，得到具体某处管道的堵塞情况，并控制plc开启高压喷气阀门对堵管的位置进行喷气。10.一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的方法，采用上述权利要求1～9任一项所述的基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置，其特征在于包括以下步骤：s1：将磁阻传感器与磁钉发射装置安装在监测管道的内壁上方，并与信号放大与滤波电路相连，接着将放大滤波电路、dps微处理器、pc计算机、plc与高压喷气阀门两两依次连接，构成信号传输电路；再将电源与恒流源、磁阻传感器、磁钉发射装置、放大滤波电路、dps微处理器、pc计算机、plc以及高压喷气阀门连接，为其提供所需要的电力情况；s2：监测系统的信息传递主要通过磁阻传感器将监测到的磁信号转化为电压信号，经过放大后使用低通滤波器过滤掉放大产生的低频噪声，接着dsp微处理器将处理后的电压模拟信号进行模电转换，产生电压数字信号，并通过噪声去除算法去掉周边环境铁磁性材料、交流电磁干扰以及地磁场等方面引起的干扰，并将测得的信号传给pc计算机进行下一步处理与运算；s3：标注磁阻传感器的设置参数，并进行相关计算：监测管道在管道水平方向的长度为s，磁阻传感器在管道水平方向的长度为l，磁阻传感器的监测长度为m，正常充填作业下磁钉之间的发射间距为w，计算出监测管道之间的监测盲区长度为s-m；s4：设置磁信号感应强度，由于磁阻传感器主要对随着料浆漂浮的磁钉产生的磁场进行监测，为了保证监测数值的合理与监测作业的精确，需要设置磁阻传感器监测磁场信号的最小值为b
min
；通过式(1)求出此时圆柱形磁钉沿轴线方向可监测到磁场距圆柱顶端的长度为d，即当磁钉横向沿管道方向传送时，磁钉顶端距离磁阻传感器监测范围长度为d时，能够产生检测信号；同理，当驶出监测范围长度d时，由于磁场大小小于了磁阻传感器可监测的最小值b
min
，因此结束监测；s5：确定监测管道长度参数范围：为了保证磁阻传感器的精确监测，避免一个磁钉共处两个监测区间，需要使两传感器之间的监测盲区大于磁钉产生可监测磁场的总范围：s-m＞2d+h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，s-m表示，监测管道之间监测盲区的长度，h表示圆柱形磁钉的高度；s6：设置磁钉发射间隔时间t
p
：磁钉发射装置会间隔t
p
秒发射一个磁钉，但由于圆柱形磁钉沿轴线方向计算的可监测磁场最小值为b
min
，该值对应的位置距离圆柱形磁钉顶端为d，为了避免可监测磁场的叠加而造成监测信号的不间断，要保证磁钉之间的距离在一个合
理的区间：w＝v
r
·
t
p
＞2d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，v
r
表示充填管道内料浆的流速；s7：对管道上的磁阻传感器以及发射到管道内的磁钉进行编号，磁钉按照依次发射的顺序进行编号，磁阻传感器按照距离磁钉发射装置的远近开始编号；例：料浆输送方向为从右向左，因此磁阻传感器从右向左依次编号，磁钉从左向右依次编号；i＝1,2,3,
…
，i为磁阻传感器的编号；j＝1,2,3,
…
，j为磁钉的编号；s8：计算磁钉通过第i个监测管道的平均速度：第i监测管道上安装着第i个磁阻传感器，因此可根据监测磁钉通过第i个监测区间的距离除以通过时间计算平均速度：式(4)中，v
ij
为第j个磁钉通过第i个磁阻传感器的平均速度，t
ij
为第j个磁钉通过第i个磁阻传感器的通过时间；s9：计算磁钉平均速度的误差与上下限：s7中计算的平均速度v
ij
是当磁钉在理想状态下的运动，即圆柱形磁钉轴线方向与管道输送料浆方向平行，此类情况为监测速度的下限、时间上限t
ijmax
；但也存在非理想状态下的运动，即圆柱形磁钉轴线方向与管道输送料浆方向垂直，此类情况为监测速度的上限、时间下限t
ijmin
，由于堵管时主要表现为平均速度较低，因此计算上限时将圆柱形磁钉母线与监测区间相切时开始计算；上下限表达式如下：低，因此计算上限时将圆柱形磁钉母线与监测区间相切时开始计算；上下限表达式如下：式中，r为圆柱形磁钉半径，因此磁钉的平均速度应在[v
ijmin
,v
ijmax
]区间内；s10：计算允许速度范围：定义速度监控可波动系数为k，该系数与料浆配比、输送环境以及管道参数有关；当监测计算的速度在允许速度范围((1-k)v
r
,(1+k)v
r
)，即为管道的正常运行，没有发生堵塞情况：(1-k)v
r
＜v
ijmin
＜v
ij
＜v
ijmax
＜(1+k)v
r
,i＝1,2,3,
…
,j＝1,2,3,
…ꢀꢀꢀꢀ
(7)s11：当监测速度没有落在((1-k)v
r
,(1+k)v
r
)区间时，需要将监测信号传输至pc计算机，对产生特殊的情况进行处理；例：第g个磁钉在第p个到第q个监测管道时计算的速度出现异常，即未落在允许速度范围，继续对第g+1以及g+2个磁钉经过的区间进行监测，如果仍然计算得到第p个到第q个监测管道速度异常，即确定第p个到第q个管道产生离析沉淀现象；s12：pc计算机分别控制磁钉发射装置降低磁钉的发射间隔时间t
p
，并且向plc控制系统发出控制指令，开启第p个到第q个管道上的高压喷气阀，使沉淀在管底部的料重新活跃起来；s13：实时监测第p个到第q个监测管道的状态，当其速度回归到允许区间时，pc计算机分别向磁钉发射装置以及plc控制装置发送信号，调回磁钉发射间隔时间t
p
，plc控制系统停止高压喷气，完成了一次堵管情况的处理，并继续进行监测。
技术总结本发明公开了一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置和方法，该装置包括监测管道、磁阻传感器、磁钉、磁钉发射装置、信号处理系统以及高压喷气装置；监测管道包含若干条，布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上易堵塞的区间，磁钉发射装置位于长距离水平充填管道的起始端部，磁钉发射装置在设定的间隔时间内发送磁钉，通过将磁阻传感器监测到磁钉信号的时间传送给单片机进行计算，并与设置好的安全速度范围作比较，判断是否发生堵管；将堵管处的高压喷气阀门打开从底部喷射气压，使沉淀在底部料浆重新活跃起来，避免了堵管的发生。本发明能够在很大程度上节省冲洗管道的成本，提高充填作业的运行效率以及管道的使用寿命。命。命。
技术研发人员：戚庭野 张志城 冯国瑞 郭育霞 李竹 王泽华 王昊晨 王林飞
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2022.06.07
技术公布日：2022/11/1
