熱敏式風(fēng)表風(fēng)速測(cè)量參數(shù)優(yōu)化

李亞俊，李印洪，吳潔葵，姚銀佩

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，長(zhǎng)沙 410014；2. 非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410014)

礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)是礦山安全生產(chǎn)的重要組成部分，井下作業(yè)地點(diǎn)風(fēng)速(風(fēng)量)是評(píng)價(jià)通風(fēng)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一[1]，現(xiàn)礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定主要是由測(cè)風(fēng)人員手持測(cè)風(fēng)儀器在某一斷面測(cè)風(fēng)，因此所測(cè)礦山井下風(fēng)速(風(fēng)量)是否客觀、準(zhǔn)確與測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法有密切關(guān)系，除了測(cè)風(fēng)人員主觀因素產(chǎn)生的測(cè)量誤差外，另一個(gè)影響測(cè)定準(zhǔn)確性的便是測(cè)量設(shè)備精度[2-3]。

礦井測(cè)風(fēng)裝置常用的有翼式風(fēng)表、熱敏式風(fēng)表、皮托管風(fēng)速儀等。由于翼式風(fēng)表以葉輪轉(zhuǎn)速標(biāo)定風(fēng)速，風(fēng)速較小時(shí)葉輪無(wú)法啟動(dòng)，因此具有低風(fēng)速無(wú)法測(cè)量的缺點(diǎn)；皮托管風(fēng)速儀是微差計(jì)測(cè)量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的裝置，測(cè)量精度較高，但操作復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少；熱敏式風(fēng)速儀是將流速信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的一種測(cè)速儀器，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍廣，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦井風(fēng)速測(cè)量，但由于其工作原理特殊，熱線輸出的電信號(hào)，經(jīng)放大、補(bǔ)償和數(shù)字化后顯示，測(cè)量精度難以把控。為了解決熱敏式風(fēng)速儀測(cè)量精度問題，提高礦井風(fēng)速測(cè)量準(zhǔn)確度，本文擬用試驗(yàn)研究、標(biāo)定修正的方式，對(duì)熱敏式風(fēng)速儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，提高測(cè)量精度。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為準(zhǔn)確提高熱敏式風(fēng)速表測(cè)定精度，擬采用測(cè)定數(shù)值修正的方式提高熱敏式風(fēng)表測(cè)定精度，因此需要有穩(wěn)定的可變的風(fēng)流，及準(zhǔn)確的風(fēng)速標(biāo)定對(duì)照值[4-6]。

為此，試驗(yàn)系統(tǒng)以低速風(fēng)洞為基礎(chǔ)并進(jìn)行改進(jìn)，試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1，圖中裝置由低速風(fēng)洞和風(fēng)速測(cè)定校正系統(tǒng)組成，低速風(fēng)洞包括入風(fēng)口及整流裝置、低速測(cè)風(fēng)口，高速測(cè)風(fēng)口、風(fēng)機(jī)、變頻風(fēng)速控制裝置等，風(fēng)速測(cè)定校正系統(tǒng)由補(bǔ)償式壓差計(jì)、數(shù)字微差計(jì)、皮托管、熱敏式風(fēng)表組成。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)變頻調(diào)節(jié)低速風(fēng)洞的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，獲得不同檔的穩(wěn)定風(fēng)量，以皮托管壓差測(cè)量風(fēng)速值為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)需標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)低速風(fēng)洞調(diào)節(jié)各段風(fēng)速，分別用熱敏式風(fēng)表、補(bǔ)償式壓差計(jì)、數(shù)字微差計(jì)測(cè)定(計(jì)算)各風(fēng)速數(shù)值，得到多組離散風(fēng)速數(shù)值，對(duì)所得數(shù)據(jù)利用線性或非線性回歸方式得到熱敏式風(fēng)表相對(duì)標(biāo)定風(fēng)量的修正系數(shù)，提高熱敏式風(fēng)表的測(cè)量精度[7]。

2 試驗(yàn)測(cè)試分析

2.1 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，連續(xù)調(diào)節(jié)低速風(fēng)洞風(fēng)速，測(cè)得(計(jì)算)各組風(fēng)速值如表1所示。

從表中數(shù)據(jù)可看出補(bǔ)償式壓差計(jì)與微差計(jì)計(jì)算風(fēng)速數(shù)值基本相同，熱敏式風(fēng)表較壓差計(jì)計(jì)算數(shù)值大，風(fēng)速越高誤差越明顯，從表中可看出第七組數(shù)據(jù)熱敏式風(fēng)表測(cè)得數(shù)據(jù)異常，剔除該組數(shù)據(jù)后將各組數(shù)據(jù)繪制成折線圖，見圖2所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)定風(fēng)速值

圖2 試驗(yàn)測(cè)定數(shù)值折線圖Fig.2 Line chart of test value

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析

根據(jù)上述測(cè)定數(shù)據(jù)分析，補(bǔ)償式壓差計(jì)與微差計(jì)計(jì)算風(fēng)速數(shù)值基本一致，認(rèn)定為測(cè)定風(fēng)速準(zhǔn)確值，我們以補(bǔ)償式壓差計(jì)所測(cè)準(zhǔn)確值為目標(biāo)值Y，熱敏式風(fēng)表所測(cè)值為待修正值X，做X值對(duì)于Y值的回歸分析，得出X值對(duì)于Y值的一次、二次、三次冪回歸方程，所得各回歸方程如下：

一元一次回歸方程為：

Y=0.7439X+0.3950(0

回歸關(guān)系見圖3。

圖3 一次冪回歸方程圖Fig.3 The first power regression equation

一元二次回歸方程為：

Y=-0.01747X2+1.0682X-0.2573 (0

回歸關(guān)系見圖4。

圖4 二次冪回歸方程圖Fig.4 The second power regression equation

一元三次回歸方程為：

Y=-0.00177X3+0.0029X2+0.7822X-0.0268 (0

回歸關(guān)系見圖5。

圖5 三次冪回歸方程圖Fig.5 The third power regression equation

各回歸方程的相關(guān)度與均方根誤差值見表2。

表2 各回歸方程回歸相關(guān)度及均方根誤差值

從回歸相關(guān)度及均方根誤差看，各次方回歸分析都具有較高的可靠性，回歸次冪越高其相關(guān)度越高，均方根誤差越小，說(shuō)明所得修正值越準(zhǔn)確，以上各次冪回歸方程可用不同精度要求的熱敏式風(fēng)表讀數(shù)的修正，提高風(fēng)速測(cè)量準(zhǔn)確性。

2.3 修正參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證回歸分析所得修正參數(shù)準(zhǔn)確性，現(xiàn)利用試驗(yàn)裝置隨機(jī)設(shè)定3組風(fēng)速值，對(duì)精度最低的一次回歸方程參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，所得測(cè)量數(shù)值及修正值見表3。

表3 試驗(yàn)驗(yàn)證風(fēng)速值

從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果看，應(yīng)用一次冪回歸方程參數(shù)對(duì)熱敏式風(fēng)表測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，其測(cè)量準(zhǔn)確度有了較大提高，應(yīng)用修正參數(shù)對(duì)熱敏式風(fēng)表讀數(shù)進(jìn)行修正可較大地提高礦井風(fēng)速測(cè)量精度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在低速風(fēng)洞的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出風(fēng)速測(cè)定校正系統(tǒng)，試驗(yàn)應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)得風(fēng)速準(zhǔn)確值及熱敏風(fēng)表讀數(shù)值，同時(shí)應(yīng)用不同次冪回歸分析的方式，得出熱敏風(fēng)表測(cè)量值與風(fēng)速準(zhǔn)確值間的各次冪回歸方程及風(fēng)表讀數(shù)修正參數(shù)，并進(jìn)一步對(duì)修正參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，應(yīng)用該修正參數(shù)對(duì)熱敏式風(fēng)表讀數(shù)進(jìn)行修正可顯著提高礦井風(fēng)速(風(fēng)量)測(cè)定的準(zhǔn)確性，降低礦井風(fēng)速(風(fēng)量)測(cè)定時(shí)設(shè)備誤差值。