超聲波傳感技術(shù)的礦用多通道智能風(fēng)速風(fēng)向儀*

鄒云龍, 徐雪戰(zhàn)

(1.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037)

超聲波傳感技術(shù)的礦用多通道智能風(fēng)速風(fēng)向儀*

鄒云龍1,2, 徐雪戰(zhàn)1,2

(1.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037)

針對國內(nèi)礦井現(xiàn)階段測風(fēng)儀器產(chǎn)品測量精準(zhǔn)度易受井下潮濕、多塵等復(fù)雜條件的影響，提出了一種礦用智能多通道風(fēng)速風(fēng)向儀。軟件采用多平臺分模塊設(shè)計,利用多段擬合進(jìn)行測量參數(shù)誤差修正,將超聲波傳感器、干濕溫度傳感器、壓力傳感器、信號轉(zhuǎn)換電路等集成在風(fēng)速風(fēng)向儀手持終端上，實現(xiàn)了風(fēng)速、風(fēng)向等待測環(huán)境參數(shù)的多通道快速精準(zhǔn)測量與參數(shù)自主校準(zhǔn)。通過在測試環(huán)境下與傳統(tǒng)機械風(fēng)表的對比測試,結(jié)果表明：平均測試誤差僅為2.47 %，測風(fēng)效果與穩(wěn)定性明顯高于傳統(tǒng)機械風(fēng)表。

超聲波； 風(fēng)速風(fēng)向； 風(fēng)速測量； 多通道； 校準(zhǔn)方法

0 引 言

隨著礦井開拓延伸的不斷變化，需要及時調(diào)整礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)量大小[1，2]，以滿足礦井所有用風(fēng)點的風(fēng)量需求，進(jìn)而實現(xiàn)礦井的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。在礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)整過程中，通過對所有用風(fēng)點進(jìn)行風(fēng)速測定，可以了解礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速、風(fēng)量以及漏風(fēng)點分布情況，為下一步提出合理的通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)方案提供依據(jù)。因此，礦井必須建立合理有效的測風(fēng)制度。

現(xiàn)階段，我國礦井仍多采用傳統(tǒng)葉輪機械式風(fēng)表進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)量測定。機械結(jié)構(gòu)在工作過程中存在啟動風(fēng)速，且可能受井下潮濕多塵環(huán)境的影響造成葉輪磨損與腐蝕，進(jìn)而影響測量的精準(zhǔn)度。因此，迫切需要一種測量精度高、易維護(hù)的智能風(fēng)速風(fēng)向測量儀器。意大利Aprilesi G C等人[3]分析了超聲波在空氣中的傳播特性，試制成功了一種超聲波風(fēng)速儀樣機，用模擬電路處理超聲波信號，但由于技術(shù)條件限制測量精不高；曹可勁等人[4]從聲強和傳播時間上分析了超聲波風(fēng)速儀的基本原理，為超聲波風(fēng)速儀的研制提供了理論基礎(chǔ)；谷雨海等人[5]利用熱線式風(fēng)速傳感器，提出了一種多通道的智能風(fēng)速測量儀器，實現(xiàn)了風(fēng)速、溫度和濕度的多指標(biāo)測量，但存在熱線式傳感器受環(huán)境因素影響較大測量精度不準(zhǔn)確等缺陷。

本文在前期研究成果的基礎(chǔ)上，分析了超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的測風(fēng)原理，并在此基礎(chǔ)上研究了多通道智能風(fēng)速風(fēng)向儀的實現(xiàn)路線；從硬件和軟件兩方面構(gòu)建了智能風(fēng)速風(fēng)向儀樣機；通過實驗及現(xiàn)場測試對比分析了多通道智能風(fēng)速風(fēng)向儀和傳統(tǒng)葉輪機械式風(fēng)表的測風(fēng)效果。

1 多通道智能風(fēng)速風(fēng)向儀的測速原理

測量過程中超聲波收發(fā)探頭A，向距離為L的收發(fā)探頭B發(fā)射一組脈沖超聲波信號，測量超聲波在收發(fā)探頭A,B之間的傳播時間t1，可得

(1)

式中 t1為超聲波在兩探頭之間的傳播時間，L為兩探頭之間的距離，v0為聲波在無風(fēng)環(huán)境中的傳播速度，v為風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)向與聲波傳輸方向一致時取正，反之為負(fù)。

在實際測量過程中，超聲波在空氣中的傳播速度v0易受環(huán)境影響[7]，為此，本文提出了利用4個相對方向的超聲波探頭循環(huán)發(fā)射的風(fēng)速測量方法。通過同時測量超聲波在2組收發(fā)探頭之間的傳播時間來消除環(huán)境對無風(fēng)環(huán)境下超聲波傳播速度v0的影響[8]，假設(shè)另一組收發(fā)探頭之間的傳播時間t2滿足

(2)

式(1)與式(2)相減可求出

(3)

由上式可知，消除了超聲波在靜風(fēng)環(huán)境中傳播速度v0的影響。另外，為了能夠準(zhǔn)確測出風(fēng)速大小和風(fēng)向的數(shù)值，設(shè)計采用2組探頭水平方向互相垂直的超聲波測風(fēng)模型如圖1(a)所示，兩組探頭之間的距離相等。分別測量超聲波在2組探頭在順、逆風(fēng)環(huán)境下的傳播時間tab，tba，tcd，tdc，由式(3)可計算求出當(dāng)前環(huán)境中風(fēng)速的大小和風(fēng)向等數(shù)值信息，在極坐標(biāo)中表示如圖1(b)所示。

圖1 二維超聲波測速模型

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

礦用多通道智能風(fēng)速風(fēng)向儀主要由手持主機、手機APP和計算機軟件三部分組成，主機通過藍(lán)牙4.0無線信號與手機App和計算機軟件進(jìn)行通信，智能風(fēng)速儀主機采用5V直流電源供電。超聲波收發(fā)傳感器、干濕溫度傳感器、壓力傳感器和數(shù)據(jù)存儲模塊等集成在手持主機上。超聲波傳感器模塊采用安布雷拉ABLL公司生產(chǎn)的DYA—200—01K型超聲波換能器，外殼采用POM型材質(zhì)制成，傳感器中心頻率192 kHz，Qm為11.46，最小阻抗2 002.36 Ω，反共振頻率241 kHz，該傳感器導(dǎo)納曲線如圖2所示。

圖2 超聲波傳感器導(dǎo)納曲線

風(fēng)速儀主機的干濕溫度傳感器采用Sensirion公司生產(chǎn)的Datasheet SHT21，傳感器采用新一代4C CMOSens?處理芯片，除集成有干濕溫度傳感器外還包含有放大電路,A/D轉(zhuǎn)換器和OTP數(shù)據(jù)存儲器；壓力傳感器采用Freescale公司生產(chǎn)的MPL115A2型壓力傳感器，該芯片工作環(huán)境溫度為-40～+105 ℃，采用MEMS型智能壓力傳感器模塊，可實時提供50～115 kPa的環(huán)境壓力值，內(nèi)部集成的ADC信號處理模塊可以將壓力及溫度傳感器獲取的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號在風(fēng)速儀主機上的顯示屏中顯示。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括有手持終端軟件、移動終端APP和上位計算機軟件三個部分，風(fēng)速風(fēng)向儀手持終端軟件在Keil軟件開發(fā)平臺下由C語言[9]編譯開發(fā)完成，主要實現(xiàn)系統(tǒng)開機過程中的初始化、儀器自檢、參數(shù)配置、人機交互、藍(lán)牙通信以及USB接口通信等功能。儀器通電開機以后，首先完成儀器內(nèi)部單片機各項功能的初始化，如通信接口、時鐘以及液晶顯示屏等。初始化完成以后，液晶顯示屏進(jìn)入歡迎頁面，程序自動檢測各個軟件功能模塊運行是否良好，待自檢完成以后，儀器進(jìn)入系統(tǒng)，等待用戶操作。

圖3 移動終端軟件應(yīng)用效果

移動終端APP軟件主要實現(xiàn)通過防爆手機控制超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與信息交換等功能。APP軟件在Android SDK工具包與JDK軟件開發(fā)環(huán)境下由Java語言開發(fā)[10]，在JDK軟件開發(fā)環(huán)境下，利用Java語言開發(fā)風(fēng)速儀移動終端軟件APP，并在IDE的Build工具欄下利用Generate Signed APK打包應(yīng)用。移動終端APP通過藍(lán)牙4.0信號傳輸技術(shù)，實現(xiàn)儀器的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、存儲和數(shù)據(jù)交換等，具體應(yīng)用效果如圖3所示。

上位計算機軟件，在Windows操作系統(tǒng)下，利用C語言開發(fā)完成，主要用于技術(shù)開發(fā)人員通過USB數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)儀器設(shè)備參數(shù)的讀寫與校準(zhǔn)設(shè)置等功能。

3 系統(tǒng)誤差與修正方法

智能風(fēng)速風(fēng)向儀測量精度是決定儀器使用效果的主要因素，線性修正的目標(biāo)即為提高儀器的測量精度。在智能風(fēng)速風(fēng)向儀參數(shù)校準(zhǔn)的過程中，采用目前傳感器普遍采用的多段擬合線性修正方法[11]，該方法通過標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞校準(zhǔn)實現(xiàn)，得出測試環(huán)境的真實數(shù)值與儀器輸出數(shù)據(jù)。

圖4 儀器校準(zhǔn)多段擬合曲線

如圖4所示，利用一次函數(shù)進(jìn)行差值，通過多段直線逼近方法得到智能風(fēng)速風(fēng)向儀的特征曲線，由圖可知，智能風(fēng)速儀在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞中的測試結(jié)果由多段直線組成L1，但本文想得出的卻是風(fēng)機頻率與真實風(fēng)速的一次函數(shù)L2(和L1第一段的斜率一致)，設(shè)f1，f2，f3分別為實驗測試過程中的風(fēng)機頻率，v1，v2，v3分別為實驗過程中智能風(fēng)速儀的輸出結(jié)果，求出3段直線的線性方程分別為：v1=k0×f1，(v2-v1)=k1×(f2-f1)，(v3-v2)=k1×(f3-f2)。解方程有：v=vi(0

圖5 風(fēng)速風(fēng)向儀自動擬合校準(zhǔn)

4 儀器測試與效果檢驗

4.1 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞下校準(zhǔn)實驗

中煤科工集團重慶研究院有限公司礦用風(fēng)速儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)實驗風(fēng)洞位于重慶市沙坪壩區(qū)，風(fēng)洞實驗斷面采用矩形設(shè)計，置于風(fēng)洞中待測的智能風(fēng)速風(fēng)向儀迎風(fēng)面積僅為風(fēng)洞截面面積的3.4 %，符合置于風(fēng)洞中被測試物體面積不應(yīng)大于風(fēng)洞工作截面面積4 %～5 %的工業(yè)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在對儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速校準(zhǔn)的實驗過程中，風(fēng)洞采用微壓計和皮托管測風(fēng)，測速計算公式為

(4)

式中 vreal為真實風(fēng)速，m/s；gn為重力加速度，9.8m/s；h為微壓計測量動壓值，mmH2O；ξ為皮托管校準(zhǔn)系數(shù)；γ為空氣重率，kg/m3。

表1 實驗數(shù)值分析表

由于重慶地區(qū)空氣環(huán)境潮濕，溫度變化不大。為減少空氣重率更改對實驗數(shù)值的影響，采用濕空氣的空氣重率

γ=γw=0.465(p-0.378φps)/(273.16+t)

(5)

式中γw為濕空氣重率，kg/m3；p為實測大氣壓值，kPa；ψ為相對濕度，%；ps為飽和水蒸汽氣壓，kPa；t為干球溫度，℃。

(6)

式中 n為測試次數(shù)，將實驗數(shù)值分析表中的誤差值代入上式中可求出智能風(fēng)速風(fēng)向儀在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞條件下的測試平均誤差僅為2.47 %。

4.2 礦井實驗巷道效果

在地下實驗仿真巷道進(jìn)行智能風(fēng)速風(fēng)向儀與傳統(tǒng)葉輪機械式風(fēng)表對比實驗。測試巷道全長896m，斷面為半圓拱結(jié)構(gòu)，寬3.2m，高2.6m，拱半徑為1.6m，斷面面積7.2m2，環(huán)境平均溫度10.6 ℃，相對濕度83.5 %，絕對壓強896.7hPa，分別選取距巷道進(jìn)口處150，300,500m等3個位置進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 智能風(fēng)速風(fēng)向儀對比測試數(shù)據(jù) m/s

由表2的對比實驗結(jié)果可知：多通道智能風(fēng)速風(fēng)向儀除實時提供環(huán)境溫度、濕度、壓強和風(fēng)向等環(huán)境參數(shù)以外，測風(fēng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性明顯高于傳統(tǒng)機械式風(fēng)速風(fēng)表。

5 結(jié) 論

通過將多個傳感器、信號轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示屏等集成在風(fēng)速風(fēng)向儀手持終端上，以及采用多平臺分模塊系統(tǒng)軟件設(shè)計，提高了產(chǎn)品測試使用范圍，實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的多通道快速、精準(zhǔn)測量與儀器參數(shù)自主校準(zhǔn)。通過在國家標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞與礦井實驗測試巷道中與傳統(tǒng)機械風(fēng)表的對比測試結(jié)果表明：智能風(fēng)速風(fēng)向儀在國家標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞環(huán)境下的平均測試誤差僅為2.47 %，且測風(fēng)效果與穩(wěn)定性明顯高于傳統(tǒng)機械風(fēng)表。

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Research on multi-channel intelligent wind speed and direction instrument for mine based on ultrasonic sensing technology*

ZOU Yun-long1,2, XU Xue-zhan1,2

(1.Chongqing Research Institute,China Coal Research Institute,Chongqing 400037,China; 2.National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037,China)

Aiming at influence of damp and dust under mine on inaccuracy of measurement of domestic wind instruments,put forward a smart multi-channel wind speed and direction equipment for mine.Its system software is designed by multi-platform module,using multi-stage fitting for measurement parameter error correction and ultrasonic sensors,dry wet temperature sensor,pressure sensor,signal conversion circuit are integrated on handheld terminal,realize multi-channel,fast and accurate measurement and autonomous calibration of instrument parameters.Compared with the test results of the traditional instrument,the average test error of this intelligent instrument is only 2.47 % under the national standards,and the measuring effect and its stability is significantly higher than the traditional mechanical wind equipment.

ultrasonic wave； wind speed and direction； wind velocity measurement； multi-channel； calibration method

2016—06—20

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B01)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51374114)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0108—04

TP 212

A

1000—9787(2017)06—0108—04

鄒云龍(1985-)，男，助理研究員，副所長，主要從事瓦斯災(zāi)害預(yù)警，通風(fēng)等礦山安全技術(shù)裝備研究工作。E—mail:250356243@qq.com。

徐雪戰(zhàn)(1989-)，男，通訊作者，工程師，E—mail:resico@126.com。