高精度礦用超聲波風速測量儀設(shè)計

李秉芮， 劉娜， 井上雅弘

(山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院， 山東 青島 266500)

0 引言

通風智能化是指通過動態(tài)采集通風信息實現(xiàn)通風狀態(tài)分析、故障診斷和風量調(diào)控，是礦井通風的主流發(fā)展方向[1-2]。信息采集是通風智能化的基礎(chǔ)，然而目前井下風速測量常用的機械式風表、壓差式和超聲波渦街式風速監(jiān)測傳感器的測量范圍大多為0.3～15 m/s，誤差為±0.2 m/s[3]，啟動風速幾乎都大于0.3 m/s[4-8]?！睹旱V安全規(guī)程》第一百三十六條規(guī)定：輸送機巷，采區(qū)進、回風巷，采煤工作面，掘進中的煤巷和半煤巖巷的最低允許風速為0.25 m/s；掘進中的巖巷和其他通風人行巷道的最低允許風速為0.15 m/s。現(xiàn)有風速傳感器難以滿足《煤礦安全規(guī)程》的風速測量要求，同時也難以滿足通風系統(tǒng)異常診斷及智能調(diào)控的需要，是通風智能化需要解決的技術(shù)難題之一[9-10]。

超聲波風速測量儀可以適應(yīng)惡劣環(huán)境，具有較高的精度和較寬的測量范圍，因而被廣泛應(yīng)用于氣象、軍事、礦山等領(lǐng)域[6,11-13]。利用超聲波測風速有渦街法和時差法2種技術(shù)途徑。之前煤礦普遍使用的超聲波風速傳感器多采用渦街法，如GFW15型礦用風速傳感器[5]，但渦街法對風流穩(wěn)定性及安裝精度要求較高。時差法不破壞風流流場，無壓力損失，幾乎不受風流溫度、壓力等因素影響，是未來礦井風速測量技術(shù)的發(fā)展方向。國外生產(chǎn)的風流監(jiān)測設(shè)備如Accutron MAQS和Zephyr AQSTM均采用超聲波時差法。國內(nèi)早期開發(fā)的基于超聲波時差法的礦用風速測量儀使用2對超聲波換能器，通過交替發(fā)射與接收超聲波信號實現(xiàn)風速測量[14]。文獻[15]在此基礎(chǔ)上進行了改進，使用1對超聲波換能器完成風速測量，最低測量風速達0.2 m/s，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的風速測量儀，但由于風速越低，測量誤差越大，該風速測量儀仍不能滿足礦井低風速條件下精準測風需要。針對該問題，本文基于超聲波時差法風速測量原理，設(shè)計了一種具有低啟動風速的高精度礦用超聲波風速測量儀。

1 超聲波時差法風速測量原理

超聲波在空氣中的傳播速度與風速疊加，在順風方向上傳播速度加快，在逆風方向上傳播速度變慢，在一定檢測條件下與風速函數(shù)對應(yīng)，可通過計算求出精確風速。超聲波在空氣中的傳播速度受溫度的影響，但若采用2個通道分別檢測2個相反方向的超聲波傳播速度，則溫度對超聲波傳播速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計。超聲波時差法風速測量原理如圖1所示。在巷道相對的兩側(cè)巷壁分別布置A1，A2和B1，B22組超聲波探頭。其中A1，B2為超聲波發(fā)射探頭，A2，B1為超聲波接收探頭。發(fā)射探頭與接收探頭的距離為L，其連線與風流方向的夾角為α。

圖1 超聲波時差法風速測量原理Fig.1 Principle of wind speed measurement of ultrasonic time-difference method

設(shè)巷道的風流方向為X方向(巷道軸方向)，與風流方向垂直的方向為Y方向，沿Y方向的風速分布為v(Y),當A1，B2同時發(fā)射超聲波時，順風方向超聲波由A1到B1的傳播時間為

(1)

式中:C為巷道空氣中超聲波的傳播速度，m/s，C=331.45+0.607t,t為巷道空氣溫度，℃;l為測距的積分變量。

逆風方向由B2到A2的傳播時間為

(2)

用平均風速vm表示沿Y方向的風速分布v(Y)，并代入式(1)和式(2)得

(3)

(4)

由式(3)和式(4)可得

(5)

(6)

當L已知時，測量順風與逆風狀態(tài)超聲波的傳播時間，根據(jù)式(5)即可求出沿Y方向的平均風速，且與風流溫度無關(guān)。當超聲波探頭受外界影響而發(fā)生位移時，可根據(jù)式(6)計算位移量并校準探頭間距。

2 超聲波風速測量儀設(shè)計和信號調(diào)理

2.1 超聲波風速測量儀設(shè)計

超聲波風速測量儀工作原理如圖2所示。超聲波發(fā)射探頭A1，B2和接收探頭A2，B1交錯設(shè)置，形成2個超聲波傳播通路，分別用于測算超聲波在特定風速場中的順風和逆風傳播時間。

圖2 超聲波風速測量儀工作原理Fig.2 Working principle of ultrasonic anemometer

風速測量儀由單片機、超聲波收發(fā)模塊及紅外定向裝置等組成。單片機集放大電路、計時器、振蕩器、觸發(fā)電路、濾波器、積分電路、信號轉(zhuǎn)換器于一體，完成時差法風速測量。紅外定向裝置由紅外線發(fā)射器E1，E2及標志區(qū)F1，F(xiàn)2組成，位于超聲波探頭A2，B2上方。E1，E2分別發(fā)射紅外線至對面標志區(qū)F1，F(xiàn)2，進行風速測量儀安裝方向校準，以減小由安裝方向偏離引起的測量誤差。

風速測量儀工作電壓為5 V，通過觸發(fā)電路觸發(fā)振蕩器，產(chǎn)生具有一定頻率的脈沖信號，激勵超聲波發(fā)射探頭發(fā)射規(guī)定頻率的超聲波，即將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號。在發(fā)射超聲波的同時，單片機啟動計時器。2個超聲波接收探頭接收超聲波信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸入單片機，同時中斷計時器。信號經(jīng)過放大、濾波處理后，再經(jīng)過積分電路處理成方波。低電平持續(xù)時間就是超聲波在空氣中的傳播時間，在順風與逆風條件下低電平持續(xù)時間不同，由此可計算出超聲波傳播時差，根據(jù)式(5) 可計算出風速并判斷風向，然后實時輸出風速。

2.2 超聲波信號調(diào)理

超聲波信號調(diào)理是指對超聲波信號進行與或非邏輯運算。對振蕩器產(chǎn)生的電信號進行信號處理及門電路運算，得到傳播時間差造成的脈沖寬度，再通過濾波器及積分電路將電信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓。

超聲波風速測量儀信號調(diào)理如圖3所示。超聲波風速測量儀由IO口輸出一個10 μs的高電平信號至TRIG(控制端)，激勵超聲波發(fā)射探頭A1，B2發(fā)射8個40 kHz方波(波形O)，同時A1和B2的TRIG輸出一個低電平。B1接收到A1發(fā)射的超聲波后，換能器產(chǎn)生脈沖信號a，同時發(fā)生電平跳變，從B1的ECHO(接收端)輸出一個高電平，經(jīng)積分電路整形為方波(波形P)并存儲，低電平寬度為超聲波在順風條件下的傳播時間T1。A2接收到B2發(fā)射的超聲波后，換能器產(chǎn)生脈沖信號b，同時發(fā)生電平跳變，從A2的ECHO輸出一個高電平，經(jīng)積分電路整形為方波(波形Q)并存儲, 低電平寬度為超聲波在逆風條件下的傳播時間T2。圖3中，Tr為超聲波風速測量儀的1個發(fā)射周期，即從超聲波發(fā)射探頭A1，B2第1次發(fā)射8個40 kHz方波到第2次發(fā)射方波的時間；T0為待機時間，即超聲波發(fā)射探頭發(fā)射8個40 kHz方波后至下一次發(fā)射的等待時間。

圖3 超聲波風速測量儀信號調(diào)理Fig.3 Signal conditioning of ultrasonic anemometer

3 性能參數(shù)設(shè)定及其影響因素分析

超聲波風速測量儀的測量精度除了受頻率、待機時間等性能參數(shù)影響外，還受探頭方向、聲噪聲等因素干擾。

3.1 超聲波頻率

超聲波在空氣中傳播的過程中，強度會隨距離增大而衰減，頻率越高，衰減率越大，長距離測量越困難；但低頻超聲波的工作噪聲較大，易對測量精度產(chǎn)生影響。按照圖1所示的超聲波風速測量儀布置方式，10 m以內(nèi)的測距基本可以滿足井下巷道測風要求。根據(jù)理論和實踐經(jīng)驗，10 m以內(nèi)測距最適宜的超聲波頻率為40 kHz[16]，因此，本文選用特性頻率為40 kHz的超聲波換能器。

3.2 待機時間

若超聲波風速測量儀待機時間過短，則測量空間內(nèi)發(fā)射探頭的余振、回響信號等聲噪聲會降低測量精度；若待機時間過長，則測量響應(yīng)速度慢。因此，需設(shè)置合理的待機時間。設(shè)探頭間距L=10 m，α=0，空氣溫度t=0 ℃，巷道平均風速vm=10 m/s，考慮反射波的影響，超聲波從發(fā)射到返回所需的傳播時間為

(7)

由式(7)可知，待機時間大于60 ms時，可避免反射波的影響。若探頭間距L=1 m，則待機時間應(yīng)大于6 ms。

設(shè)定探頭間距L=1 m，待機時間分別為50，100，200 ms，連續(xù)進行300次測試，風速標準差及風速波動范圍見表1?？梢钥闯?，當待機時間大于超聲波折返所需傳播時間時，風速標準差很小，實測值波動小，表明測量穩(wěn)定性好，幾乎不受待機時間的影響?？紤]風速測量儀的響應(yīng)速度，設(shè)定待機時間為100 ms。

表1 不同待機時間的風速標準差及波動范圍Table 1 Standard deviation and fluctuation range of wind speed under different stand-by time

3.3 超聲波探頭方向性

超聲波具有良好的方向性，超聲波場中至波源充分遠處同一橫截面上各點的聲壓不同，軸線上的聲壓最高[17]。一般實用性的超聲波探頭半擴散角為4～15°，即測距為1 m時，超聲波探頭方向的最大允許錯位為0.268 m。因此，設(shè)超聲波探頭方向錯位0.25 m，采用4種布置方式進行室內(nèi)實驗，如圖4所示。超聲波連續(xù)發(fā)射100次。

(a) 布置方式1

(b) 布置方式2

(c) 布置方式3

(d) 布置方式4

不同超聲波探頭布置方式的實測風速如圖5所示，風速標準差及波動范圍見表2。

(a) 布置方式1實測風速

(b) 布置方式2實測風速

(c) 布置方式3實測風速

(d) 布置方式4實測風速

從圖5和表2可看出，超聲波探頭方向錯位越嚴重，風速標準差和波動范圍越大，表明探頭方向?qū)y量的準確性與可靠性有一定影響。為減小探頭方向錯位造成的誤差，本超聲波風速測量儀設(shè)置了紅外定向裝置。

表2 不同超聲波探頭布置方式的風速標準差及波動范圍Table 2 Standard deviation and fluctuation range of wind speed under different ultrasonic probe arrangements m/s

3.4 數(shù)據(jù)平滑處理

對原始風速波形曲線進行平滑處理的目的是消除隨機噪聲，提高輸出風速的穩(wěn)定性。通過比較分析，本文選用滑動平均法，其原理是對n個非平穩(wěn)數(shù)據(jù){yi}(i=0,1,…,n-1)，逐個滑動取m個相鄰數(shù)據(jù)計算算術(shù)平均值：

(8)

式中：fk為第k個算術(shù)平均值；yk+i為原始風速測量值。

m的取值直接影響平滑效果:m值較大有利于抑制頻繁隨機起伏的隨機誤差，但可能導(dǎo)致高頻變化的確定性成分被平均；m值較小不利于抑制隨機誤差。數(shù)據(jù)處理中多設(shè)置m值為5～11。為確認m值對風速波形曲線平滑效果的影響，分別取m值為4，6，8，10，12，對測距1.0 m的原始風速波形進行數(shù)據(jù)平滑處理，結(jié)果如圖6所示。

(a) 原始風速波形

(b) 平滑處理后波形

m值與風速標準差的關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯?，m值越大，風速標準差越小，風速變化范圍越小，風速越穩(wěn)定，但風速測量儀響應(yīng)速度變慢。當m≥8時，風速標準差變化小，可以認為m對風速平均值的影響很小，因此，本文取m=8進行數(shù)據(jù)平滑處理。

圖7 m值與風速標準差的關(guān)系Fig.7 Relation between m and the standard deviation of wind speed

4 性能指標分析

(1) 分辨率。設(shè)α=0，對式(5)求T1的導(dǎo)數(shù)，得

(9)

(10)

已知超聲波風速測量儀計時器的分辨率為1 μs，設(shè)L=5 m，C=340 m/s，vm=5 m/s，代入式(10)得dvm=0.011 9 m/s，即超聲波風速測量儀的測量分辨率為0.01 m/s。

(2) 測量誤差。已知超聲波探頭的測距誤差|dl|≤3 mm，換算為超聲波傳播時間誤差得

(11)

將dT1代入式(10)得dvm=0.103 m/s，則超聲波風速測量儀誤差為0.1 m/s。

(3) 啟動風速。因為采用非機械式傳動方式，理論上超聲波風速測量儀的啟動風速應(yīng)該等于其分辨率。根據(jù)實驗室內(nèi)無風、微風狀態(tài)的實測，在風速小于0.1 m/s的情況下，超聲波風速測量儀均獲得了穩(wěn)定的實測值，證明其啟動風速低于0.1 m/s。

5 結(jié)論

(1) 基于超聲波時差法風速測量原理，設(shè)計了具有低啟動風速的高精度礦用超聲波風速測量儀。通過2個發(fā)射探頭同時發(fā)射超聲波，形成2個超聲波傳播通路，溫度對風速測量的影響可以忽略不計。

(2) 采用紅外定向裝置，可減小超聲波探頭方向錯位引起的測量誤差。選用滑動平均法對原始風速波形曲線進行平滑處理，以消除隨機噪聲，提高輸出風速的穩(wěn)定性。

(3) 理論計算和實驗結(jié)果表明：該風速測量儀的分辨率為0.01 m/s，測量誤差為±0.1 m/s，啟動風速低于0.1 m/s，可以滿足礦井低風速條件下的精準測風要求，今后將通過實踐進行進一步驗證。