顧逸凡 GU Yi-fan

（黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，哈爾濱 150022）

0 引言

近年來，煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐。實現(xiàn)煤礦開拓、采掘、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等過程的智能化運行，保障煤炭穩(wěn)定供應具有重要意義。礦井智能通風是煤礦安全的重要因素，煤礦井下巷道風速的精準測量是保證煤礦安全的重要手段之一。如何在井下復雜的環(huán)境下準確地測量風速，提高安全生產的效率越來越受到煤礦人員的關注?，F(xiàn)有機械式風表、渦旋式傳感器測量風速，存在測量精度不足、測量高度受限、傳輸距離短等問題[3]。

超聲波時差法測量技術近年來在礦井下逐漸受到關注，本文研究的對象對射式超聲波傳感器具備測量精度±0.03m/s，分辨率0.01m/s，并且超聲波穿透能力強，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得數(shù)據(jù)誤差分析上，近年來研究較少，筆者在運用超聲波時差法測風技術的同時對硬件電路上進行改良以及測得數(shù)據(jù)進行誤差補償分析，以達到精準測量的目的。使得井下測風人員對風速、風量更精確地掌握，煤礦安全生產中具有應用價值。

1 系統(tǒng)原理

1.1 時差法工作原理

超聲波時差法利用超聲波在介質中傳播時，介質的移動速度加載到超聲波的速度上，在相同的傳播距離內，順向傳播的時間會小于逆向傳播的時間。測量出超聲波的傳播時間差，并計算風速，測量收發(fā)換能器之間的平均風速。設有一組對射收發(fā)點1、2，順風、逆風的傳輸?shù)臅r間是不一樣的t1、t2，平均風速為vs，即超聲波風速傳感器的測量公式如下方程組：

其主要由顯示主機和兩個超聲波探頭組成。監(jiān)測的礦井通風數(shù)據(jù)采用連續(xù)的一段巷道的線式的平均風速，改變了傳統(tǒng)的“以點代面”的局限性。監(jiān)測數(shù)據(jù)精確、真實可靠地反應當下礦井的通風風量，原理圖如圖1所示。

圖1 超聲波傳感器測風原理

1.2 基于時差法的改進

為了使風流與傳感器之間盡可能不受安裝角度的影響，更好地以點代面進而引入即對射角度的研究確定巷道風速，得到下面的公式：

在測量風速的過程中該超聲波傳感器安裝在巷道2個測試位置，形成對角，其中一個發(fā)射信號，另外一個接收信號，每隔三分鐘測試通過該巷道的風速、風量，通過信號采集與處理發(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 超聲波傳感器的設計

2.1 硬件設計

超聲波傳感器是選取32位微控制器stm32單片機為主控制器，其具有速度快、功耗低等優(yōu)點。采用嵌入式微控制器技術，利用微壓差變化原理來測量風速，內部線性化和溫度補償均采用數(shù)字化實現(xiàn)，在低風速下仍然能保證測量。具有結構簡單、測量準確、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點。可與各種類型的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)配套使用，連續(xù)監(jiān)測工作環(huán)境中的風速變化。其與外圍電路相結合，完成流量數(shù)據(jù)的測量、處理、存儲、顯示及與上位機通信等功能[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，旨在實現(xiàn)對風速風向的實時測量。

系統(tǒng)整體框架較為明確，通過風速傳感器收發(fā)切換電路再利用發(fā)射驅動電路用來產生能夠激勵超聲波換能器振蕩并發(fā)出超聲波信號。進而超聲波換能器的探頭獲取礦下風速、風量的信息。接收調理電路的功能就是對信號進行充分放大、濾波、自動增益控制、比較等一系列處理，最終獲得使計時電路停止計時的脈沖信號?？刂破鲀炔考捎?2位AD轉換器，可以選擇其內部AD通道對風速傳感器的信號進行采集。然后再通過控制器與OLED液晶顯示屏通信、上傳進行數(shù)據(jù)存儲，并控制其顯示風速風量的實時數(shù)值，系統(tǒng)框架圖如圖3。

圖3 硬件系統(tǒng)框架圖

2.2 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化的設計思想，主要包括主程序、初始化程序、時間測量子程序、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)設計，利用接口調試先分別編寫各子程序模塊并調試，然后聯(lián)調，完成了要實現(xiàn)的功能[5]。軟件設計流程圖如圖4。

圖4 軟件設計流程圖

3 系統(tǒng)應用

3.1 系統(tǒng)誤差分析

在井下要通過測風員實際測量該巷道風速風量與該傳感器進行數(shù)據(jù)對比，測風時根據(jù)測風員站立方式不同，可分為迎面法和側身法。側身法，測風人員背向巷道壁站立，手持風表，手臂向垂直風流方向伸直，進行測風，本次測風選擇為側身法。

超聲波傳感器測定數(shù)據(jù)與葉式風表測定數(shù)據(jù)對比分析首先本次在井下使用葉式風表采用側身法測量，再與超聲波傳感器上的風速風量讀數(shù)進行誤差對比分析，詳見表1。

由表1可以看出由超聲波傳感器所測得的風速精度可以達到0.01m/s，所測風速與實際測量相比較誤差均小于15%，當被測測風量小于2000m3/min時，誤差均小于5%，當被測風量大于2000m3/min時，誤差均小于10%，由此可知該傳感器檢測精度較高，滿足實際測風需求，可以實現(xiàn)精準測風。

表1 超聲波傳感器實時檢測數(shù)據(jù)

當風量較大，風速較高時，風流場較為劇烈，所以其測量誤差較大，該傳感器在風量較大、風速較高的巷道中使用其測量精度會下降。

3.2 超聲波傳感器實時測定分析

安裝在各個巷道的超聲波傳感器，每隔三分鐘測一次通過該巷道的風速，并且通過控制器實時記錄并發(fā)送給地面，本次選取了200個實時數(shù)據(jù)進行匯總成圖5。

圖5 超聲波傳感器實時測定

4 結論

各個測風地點風速差異加大，但風速傳感器測量極差在0.02～0.35m/s，測量精度和誤差在合理范圍之內，表明該傳感器測量精度準確，測試性能較為穩(wěn)定，能夠實時準確檢測井下通風數(shù)據(jù)。

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