顧逸凡 GU Yi-fan

（黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

0 引言

近年來，煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。實(shí)現(xiàn)煤礦開拓、采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等過程的智能化運(yùn)行，保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。礦井智能通風(fēng)是煤礦安全的重要因素，煤礦井下巷道風(fēng)速的精準(zhǔn)測(cè)量是保證煤礦安全的重要手段之一。如何在井下復(fù)雜的環(huán)境下準(zhǔn)確地測(cè)量風(fēng)速，提高安全生產(chǎn)的效率越來越受到煤礦人員的關(guān)注?，F(xiàn)有機(jī)械式風(fēng)表、渦旋式傳感器測(cè)量風(fēng)速，存在測(cè)量精度不足、測(cè)量高度受限、傳輸距離短等問題[3]。

超聲波時(shí)差法測(cè)量技術(shù)近年來在礦井下逐漸受到關(guān)注，本文研究的對(duì)象對(duì)射式超聲波傳感器具備測(cè)量精度±0.03m/s，分辨率0.01m/s，并且超聲波穿透能力強(qiáng)，受傳輸距離影響小，也不受安裝高度影響。但在超聲波傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)誤差分析上，近年來研究較少，筆者在運(yùn)用超聲波時(shí)差法測(cè)風(fēng)技術(shù)的同時(shí)對(duì)硬件電路上進(jìn)行改良以及測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償分析，以達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)量的目的。使得井下測(cè)風(fēng)人員對(duì)風(fēng)速、風(fēng)量更精確地掌握，煤礦安全生產(chǎn)中具有應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理

1.1 時(shí)差法工作原理

超聲波時(shí)差法利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的移動(dòng)速度加載到超聲波的速度上，在相同的傳播距離內(nèi)，順向傳播的時(shí)間會(huì)小于逆向傳播的時(shí)間。測(cè)量出超聲波的傳播時(shí)間差，并計(jì)算風(fēng)速，測(cè)量收發(fā)換能器之間的平均風(fēng)速。設(shè)有一組對(duì)射收發(fā)點(diǎn)1、2，順風(fēng)、逆風(fēng)的傳輸?shù)臅r(shí)間是不一樣的t1、t2，平均風(fēng)速為vs，即超聲波風(fēng)速傳感器的測(cè)量公式如下方程組：

其主要由顯示主機(jī)和兩個(gè)超聲波探頭組成。監(jiān)測(cè)的礦井通風(fēng)數(shù)據(jù)采用連續(xù)的一段巷道的線式的平均風(fēng)速，改變了傳統(tǒng)的“以點(diǎn)代面”的局限性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確、真實(shí)可靠地反應(yīng)當(dāng)下礦井的通風(fēng)風(fēng)量，原理圖如圖1所示。

圖1 超聲波傳感器測(cè)風(fēng)原理

1.2 基于時(shí)差法的改進(jìn)

為了使風(fēng)流與傳感器之間盡可能不受安裝角度的影響，更好地以點(diǎn)代面進(jìn)而引入即對(duì)射角度的研究確定巷道風(fēng)速，得到下面的公式：

在測(cè)量風(fēng)速的過程中該超聲波傳感器安裝在巷道2個(gè)測(cè)試位置，形成對(duì)角，其中一個(gè)發(fā)射信號(hào)，另外一個(gè)接收信號(hào)，每隔三分鐘測(cè)試通過該巷道的風(fēng)速、風(fēng)量，通過信號(hào)采集與處理發(fā)送回地面接收裝置，并且記錄下該讀數(shù)。超聲波傳感器安裝位置如圖2。

圖2 超聲波傳感器安裝位置

2 超聲波傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

超聲波傳感器是選取32位微控制器stm32單片機(jī)為主控制器，其具有速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。采用嵌入式微控制器技術(shù)，利用微壓差變化原理來測(cè)量風(fēng)速，內(nèi)部線性化和溫度補(bǔ)償均采用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，在低風(fēng)速下仍然能保證測(cè)量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)?？膳c各種類型的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套使用，連續(xù)監(jiān)測(cè)工作環(huán)境中的風(fēng)速變化。其與外圍電路相結(jié)合，完成流量數(shù)據(jù)的測(cè)量、處理、存儲(chǔ)、顯示及與上位機(jī)通信等功能[4]。超聲波傳感器主要是由發(fā)射電路、接收處理電路、通信電路、電源電路、OLED顯示電路等電路組成，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的實(shí)時(shí)測(cè)量。

系統(tǒng)整體框架較為明確，通過風(fēng)速傳感器收發(fā)切換電路再利用發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路用來產(chǎn)生能夠激勵(lì)超聲波換能器振蕩并發(fā)出超聲波信號(hào)。進(jìn)而超聲波換能器的探頭獲取礦下風(fēng)速、風(fēng)量的信息。接收調(diào)理電路的功能就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行充分放大、濾波、自動(dòng)增益控制、比較等一系列處理，最終獲得使計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)的脈沖信號(hào)。控制器內(nèi)部集成有12位AD轉(zhuǎn)換器，可以選擇其內(nèi)部AD通道對(duì)風(fēng)速傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集。然后再通過控制器與OLED液晶顯示屏通信、上傳進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并控制其顯示風(fēng)速風(fēng)量的實(shí)時(shí)數(shù)值，系統(tǒng)框架圖如圖3。

圖3 硬件系統(tǒng)框架圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括主程序、初始化程序、時(shí)間測(cè)量子程序、流量數(shù)據(jù)處理子程序、4~20mA輸出子程序、OLED顯示子程序、通信串口子程序等，采用C語言開發(fā)設(shè)計(jì)，利用接口調(diào)試先分別編寫各子程序模塊并調(diào)試，然后聯(lián)調(diào)，完成了要實(shí)現(xiàn)的功能[5]。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)誤差分析

在井下要通過測(cè)風(fēng)員實(shí)際測(cè)量該巷道風(fēng)速風(fēng)量與該傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，測(cè)風(fēng)時(shí)根據(jù)測(cè)風(fēng)員站立方式不同，可分為迎面法和側(cè)身法。側(cè)身法，測(cè)風(fēng)人員背向巷道壁站立，手持風(fēng)表，手臂向垂直風(fēng)流方向伸直，進(jìn)行測(cè)風(fēng)，本次測(cè)風(fēng)選擇為側(cè)身法。

超聲波傳感器測(cè)定數(shù)據(jù)與葉式風(fēng)表測(cè)定數(shù)據(jù)對(duì)比分析首先本次在井下使用葉式風(fēng)表采用側(cè)身法測(cè)量，再與超聲波傳感器上的風(fēng)速風(fēng)量讀數(shù)進(jìn)行誤差對(duì)比分析，詳見表1。

由表1可以看出由超聲波傳感器所測(cè)得的風(fēng)速精度可以達(dá)到0.01m/s，所測(cè)風(fēng)速與實(shí)際測(cè)量相比較誤差均小于15%，當(dāng)被測(cè)測(cè)風(fēng)量小于2000m3/min時(shí)，誤差均小于5%，當(dāng)被測(cè)風(fēng)量大于2000m3/min時(shí)，誤差均小于10%，由此可知該傳感器檢測(cè)精度較高，滿足實(shí)際測(cè)風(fēng)需求，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)。

表1 超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)

當(dāng)風(fēng)量較大，風(fēng)速較高時(shí)，風(fēng)流場(chǎng)較為劇烈，所以其測(cè)量誤差較大，該傳感器在風(fēng)量較大、風(fēng)速較高的巷道中使用其測(cè)量精度會(huì)下降。

3.2 超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定分析

安裝在各個(gè)巷道的超聲波傳感器，每隔三分鐘測(cè)一次通過該巷道的風(fēng)速，并且通過控制器實(shí)時(shí)記錄并發(fā)送給地面，本次選取了200個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總成圖5。

圖5 超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定

4 結(jié)論

各個(gè)測(cè)風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)速差異加大，但風(fēng)速傳感器測(cè)量極差在0.02～0.35m/s，測(cè)量精度和誤差在合理范圍之內(nèi)，表明該傳感器測(cè)量精度準(zhǔn)確，測(cè)試性能較為穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)井下通風(fēng)數(shù)據(jù)。

為煤礦智能通風(fēng)數(shù)據(jù)采集提供保障。同時(shí)保證了煤礦的通風(fēng)安全，可以有效地減少煤礦事故的發(fā)生。