【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤矿水文地质监测，特别涉及一种用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法。
技术介绍
1、水灾在煤矿环境中具有严重的危害性；在煤矿开采和生产过程中，由于地下水体涌入矿井或者矿井内水体未能有效排除，导致矿井内水位升高，容易带来生命安全危害、设备和基础设施损坏、生产中断和经济损失、环境污染、地质灾害风险增加等风险。目前针对井下水体监测多采用接触式传感器进行灾害预防，对水位、流量、流速多采用压力传感器、涡轮流量计、声呐传感器等获取信号，在安装使用和维护上较为复杂，检修需要靠人为打捞排查，费时费力。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，针对矿井水仓、大巷内地下水的水位、流速、流量进行非接触式实时测量，根据预设的算法输出瞬时断面流量、累计流量、流速、水位等数据，为流速报警、水位报警、涌水报警提供判断依据。
2、本专利技术提供了一种用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，基于矿井水位流量监测结构，所述矿井水位流量监测结构采用矩形外壳，在前段视窗处安装雷达水位探头及雷达流速探头；所述方法具体包括：
3、水位测量采用fmcw调制方式，以三角波为调制信号；其工作过程为：
4、首先电压调制电路产生三角波电压输入至压控振荡器vco产生频率变化的电磁波，电磁波频率的变化按调制电压规律而变化，天线发射出的电磁波经过被测物体反射后产生回波；雷达天线将回波信号和发射信号进行耦合得到差频信号，差频
5、流速测量采用多普勒雷达测速；具体为：
6、在对水面进行测速时，雷达流速传感器向水面发射微波，遇到水面后微波将被吸收、反射，反射波的一部分被雷达流速传感器探头接收，然后转换成电信号，由测量电路处理并测出多普勒频移，再根据上述原理通过fft信号处理算法即可计算出水体的流速；
7、流量测量具体为：
8、通过雷达流速探头获取并换算平均流速，通过雷达水位探头获取并换算水深，根据流速-面积法，先测得水位换算出断面面积，再由表面流速结合断面参数换算出平均流速，通过建立圆形、矩形和梯形等断面流速分布的经验公式，结合水力模型算法计算得到流量。
9、进一步地，在水位测量中，当雷达波发射源与目标相对静止时，记雷达发射频率带宽为b，雷达波从发射到返回雷达天线用时为δt，三角波的频率为f，差频信号的频率为fd；推导如下：
10、
11、
12、
13、其中，s为雷达板到目标距离，t为三角波的周期，c0为光速，f为调制三角波的频率，b为雷达扫频带宽，fd为mcu分析获得到差频信号，所以唯一的fd即可计算出雷达板到目标对应的距离。
14、进一步地，在流速测量中，当雷达波发射源与目标相对静止时，则接收频率和发射频率相等：
15、
16、当发射波源位置固定，移动目标相对发射波源以速度v向波源方向运动时，雷达波对于移动目标来说，速度增大为c0+v，单位时间内到达移动目标的雷达波的波长个数即接收频率为：
17、
18、多普勒频移：
19、fd＝f'接收-f0
20、移动目标的运动速度：
21、
22、值为正值时表示速度与发射波同向，负号则反向；移动目标的速度与频移成正比，则有：
23、
24、在对流体水面进行测速时，雷达流速传感器向水面发射微波，遇到水面波浪、水泡、漂浮物，即被测移动目标物后，微波将被吸收、反射，反射波的一部分被探头接收，转换成电信号，由测量电路处理并测出多普勒频移，再根据上述原理通过fft浮点运算即可计算出水体的流速。
25、进一步地，在流速测量中，由于雷达波发射方向和水流的方向通常会有一定的角度，同时发射接收需要距离往返，故需要对上述结果进行修正，修正后的实际水流速度为：
26、
27、其中，α表示雷达波发射方向和水平方向的夹角。
28、进一步地，在流量测量中，断面流量＝平均流速×水流截面积×岸边系数；
29、根据断面形式、底坡、纵坡和糙率对流速场分布进行修正，对于矩形断面的流速场修正，在巷道外区流速分布趋于二次抛物线分布或乘幂函数分布，垂线平均流速沿横向的分布接近于乘幂函数分布，故通过表示巷道底部内区的垂线流速分布，用描述巷道外区和表面区的垂线流速分布；测量中，表面流速是y/h＝1点的速度；根据预设公式表，可以计算出垂线平均流速。
30、进一步地，在流量测量中，对于梯形断面的流速场修正，影响垂线流速分布形态的主要因素是糙率、垂线位置和宽深比：无量纲化的相对流速u/v与相对水深y/h的关系在底部内区能符合对数分布律，但在相对水深y/h>0.6的区域，其分布偏离对数分布而趋于乘幂函数分布；其中，u为点流速，v为垂线平均流速，y为点水深，h为垂线水深；
31、对梯形断面巷道，用对数公式描述底部内区的垂线流速分布，用乘幂公式描述外区的垂线流速分布，其中，us为表面流速，一般取us＝1.05d；
32、对于巷道等效垂线平均流速沿横向的分布，通过如下公式进行描述：
33、
34、将梯形巷道的流速分布按n＝0.014和n＝0.03分别得出经验公式，确定影响经验公式的待定系数的主要因素为b/h和z/h，其中，z为测线离开边坡和水面交界点的距离。
35、本专利技术的有益效果为：
36、1、针对煤矿井下水仓、大巷涌水带来的生命安全危害、固定资产损坏、经济损失、环境污染、地质灾害风险增大，可做到涌水灾害提前预警，井下水位情况实时监控，避免无人值守引起的涌水事故。
37、2、采用微波雷达可非接触式测量水位、流速、流量数据，安装选择更丰富，且现场安装更便捷，亦避免了井下涌水的腐蚀问题，传感器工作寿命更长，减少了后期维护工作量。
38、3、可同时采集水位、流速、流量数据，避免了多传感器安装带来的相位配合问题，减少了安装及运维工作量。
39、4、采用毫米波雷达，具有较好的抗干扰能力，介质适用性高，可对矿井中的水位、流速进行高精度测量，并可在复杂环境中稳定运行。
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1.一种用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，基于矿井水位流量监测结构，所述矿井水位流量监测结构采用矩形外壳，在前段视窗处安装雷达水位探头及雷达流速探头；所述方法具体包括：
2.根据权利要求1所述的用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，在水位测量中，当雷达波发射源与目标相对静止时，记雷达发射频率带宽为B，雷达波从发射到返回雷达天线用时为Δt，三角波的频率为f，差频信号的频率为fd；推导如下：
3.根据权利要求2所述的用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，在流速测量中，当雷达波发射源与目标相对静止时，则接收频率和发射频率相等：
4.根据权利要求3所述的用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，在流速测量中，由于雷达波发射方向和水流的方向通常会有一定的角度，同时发射接收需要距离往返，故需要对上述结果进行修正，修正后的实际水流速度为：
5.根据权利要求4所述的用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，在流量测量中，断面流量＝平均
6.根据权利要求5所述的用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，在流量测量中，对于梯形断面的流速场修正，影响垂线流速分布形态的主要因素是糙率、垂线位置和宽深比：无量纲化的相对流速u/V与相对水深y/H的关系在底部内区能符合对数分布律，但在相对水深y/H>0.6的区域，其分布偏离对数分布而趋于乘幂函数分布；其中，u为点流速，V为垂线平均流速，y为点水深，H为垂线水深；
...【技术特征摘要】
1.一种用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，基于矿井水位流量监测结构，所述矿井水位流量监测结构采用矩形外壳，在前段视窗处安装雷达水位探头及雷达流速探头；所述方法具体包括：
2.根据权利要求1所述的用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，在水位测量中，当雷达波发射源与目标相对静止时，记雷达发射频率带宽为b，雷达波从发射到返回雷达天线用时为δt，三角波的频率为f，差频信号的频率为fd；推导如下：
3.根据权利要求2所述的用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其特征在于，在流速测量中，当雷达波发射源与目标相对静止时，则接收频率和发射频率相等：
4.根据权利要求3所述的用于水仓、大巷的无接触式测水位、流速和流量的方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐跃福，傅阳，陈桂权，黄靖，
申请(专利权)人：翌日科技重庆有限公司，
类型：发明
国别省市：
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