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.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

超聲波傳感技術的礦用多通道智能風速風向儀*

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.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

針對國內(nèi)礦井現(xiàn)階段測風儀器產(chǎn)品測量精準度易受井下潮濕、多塵等復雜條件的影響，提出了一種礦用智能多通道風速風向儀。軟件采用多平臺分模塊設計,利用多段擬合進行測量參數(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)換電路等集成在風速風向儀手持終端上，實現(xiàn)了風速、風向等待測環(huán)境參數(shù)的多通道快速精準測量與參數(shù)自主校準。通過在測試環(huán)境下與傳統(tǒng)機械風表的對比測試,結(jié)果表明：平均測試誤差僅為2.47 %，測風效果與穩(wěn)定性明顯高于傳統(tǒng)機械風表。

超聲波； 風速風向； 風速測量； 多通道； 校準方法

0 引 言

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

現(xiàn)階段，我國礦井仍多采用傳統(tǒng)葉輪機械式風表進行風速、風量測定。機械結(jié)構(gòu)在工作過程中存在啟動風速，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，進而影響測量的精準度。因此，迫切需要一種測量精度高、易維護的智能風速風向測量儀器。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速儀樣機，用模擬電路處理超聲波信號，但由于技術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速儀的基本原理，為超聲波風速儀的研制提供了理論基礎；谷雨海等人[5]利用熱線式風速傳感器，提出了一種多通道的智能風速測量儀器，實現(xiàn)了風速、溫度和濕度的多指標測量，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確等缺陷。

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

1 多通道智能風速風向儀的測速原理

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為聲波在無風環(huán)境中的傳播速度，v為風速，當風向與聲波傳輸方向一致時取正，反之為負。

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)境對無風環(huán)境下超聲波傳播速度v0的影響[8]，假設另一組收發(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環(huán)境中傳播速度v0的影響。另外，為了能夠準確測出風速大小和風向的數(shù)值，設計采用2組探頭水平方向互相垂直的超聲波測風模型如圖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、逆風環(huán)境下的傳播時間tab，tba，tcd，tdc，由式(3)可計算求出當前環(huán)境中風速的大小和風向等數(shù)值信息，在極坐標中表示如圖1(b)所示。

圖1 二維超聲波測速模型

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

2.1 硬件系統(tǒng)設計

礦用多通道智能風速風向儀主要由手持主機、手機APP和計算機軟件三部分組成，主機通過藍牙4.0無線信號與手機App和計算機軟件進行通信，智能風速儀主機采用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，該傳感器導納曲線如圖2所示。

圖2 超聲波傳感器導納曲線

風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)字信號在風速儀主機上的顯示屏中顯示。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)軟件設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，風速風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，儀器進入系統(tǒng)，等待用戶操作。

圖3 移動終端軟件應用效果

移動終端APP軟件主要實現(xiàn)通過防爆手機控制超聲波風速風向儀的參數(shù)設置、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打包應用。移動終端APP通過藍牙4.0信號傳輸技術，實現(xiàn)儀器的參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、存儲和數(shù)據(jù)交換等，具體應用效果如圖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，主要用于技術開發(fā)人員通過USB數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)儀器設備參數(shù)的讀寫與校準設置等功能。

3 系統(tǒng)誤差與修正方法

智能風速風向儀測量精度是決定儀器使用效果的主要因素，線性修正的目標即為提高儀器的測量精度。在智能風速風向儀參數(shù)校準的過程中，采用目前傳感器普遍采用的多段擬合線性修正方法[11]，該方法通過標準風洞校準實現(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 儀器校準多段擬合曲線

如圖4所示，利用一次函數(shù)進行差值，通過多段直線逼近方法得到智能風速風向儀的特征曲線，由圖可知，智能風速儀在標準風洞中的測試結(jié)果由多段直線組成L1，但本文想得出的卻是風機頻率與真實風速的一次函數(shù)L2(和L1第一段的斜率一致)，設f1，f2，f3分別為實驗測試過程中的風機頻率，v1，v2，v3分別為實驗過程中智能風速儀的輸出結(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 風速風向儀自動擬合校準

4 儀器測試與效果檢驗

4.1 標準風洞下校準實驗

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

(4)

式中 vreal為真實風速，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速風向儀在標準風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行智能風速風向儀與傳統(tǒng)葉輪機械式風表對比實驗。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，分別選取距巷道進口處150，300,500m等3個位置進行對比測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 智能風速風向儀對比測試數(shù)據(jù) m/s

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

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速風向儀手持終端上，以及采用多平臺分模塊系統(tǒng)軟件設計，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、精準測量與儀器參數(shù)自主校準。通過在國家標準風洞與礦井實驗測試巷道中與傳統(tǒng)機械風表的對比測試結(jié)果表明：智能風速風向儀在國家標準風洞環(huán)境下的平均測試誤差僅為2.47 %，且測風效果與穩(wěn)定性明顯高于傳統(tǒng)機械風表。

[1] 周福寶,王德明,李正軍.礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化評判的模糊優(yōu)選分析法[J].中國礦業(yè)大學學報,2002,31(3):262-266.

[2] Lai Jiahua.Production of the mine ventilation safety and disaster prevention countermeasures[J].Energy and Environment,2008(3):164-165.

[3] Aprilesi G C，Cicco G De，Taroni A.A microprocessor-based three axes ultrasonic anemometer[C]∥Ultrasonics Symposum,1983:295-298.

[4] 曹可勁,崔國恒,朱銀兵.超聲波風速儀理論建模與分析[J].聲學與電子工程,2010(1):37-40.

[5] 谷玉海,孟玲霞,徐小力.智能化多通道風速測量儀器研究[J].北京信息科技大學學報:自然科學版,2011,26(4):83-88.

[6] 琚曉濤,谷立臣,閆小樂.遠距離超聲測距傳感器激勵脈沖研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(1):35-37.

[7] 歐冰潔.超聲波隧道風速測量技術研究[J].傳感技術學報,2008,21(10):1804-1807.

[8] 于 洋,石 佳,陳 亮,等.基于C8051F120的高精度全天候超聲測風儀的設計[J].傳感技術學報,2012,25(11):1623-1626.

[9] Ritchie D M.The development of the C language[J].ACM Sig-plan Notices,1993,28(3):201-208.

[10] 倪 凱,夏海波,李 焱,等.基于Android平臺的安全生產(chǎn)移動執(zhí)法系統(tǒng)實現(xiàn)[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2012,8(4):87.

[11] 蔣立輝,許 躍,劉向明.超聲波測風系統(tǒng)中自適應時延估計算法的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(1):44-46.

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，主要從事瓦斯災害預警，通風等礦山安全技術裝備研究工作。E—mail:250356243@qq.com。

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