CN109736869A

CN109736869A - 一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法

Info

Publication number: CN109736869A
Application number: CN201711031289.3A
Authority: CN
Inventors: 吴新忠; 马小平; 申瑞杰; 张兆龙; 魏连江; 胡建豪; 张旭
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-05-10

Abstract

《煤矿安全规程》第105规定：矿井必须建立测风制度。矿井巷道风量高精度在线自动测量是矿井通风系统超前预警与智能调控的基础，可以提高矿井生产的安全水平。本发明提供了一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法及装置。装置以嵌入式系统为测量、数据处理和通信的核心，集成了热导式风速传感器、风向传感器、测距传感器、环境参数测量传感器，可以实现风量的高精度在线无损测量和风向的自动识别以及现场免调试自动校准功能。此外，测量装置基于通信获取关联风路的风量测量值，还可以实现对本巷道风量测量值的进行校验、结合装置的自诊断功能得到巷道风量的正确数值，进一步提高巷道通风量检测的可靠性。

Description

一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法

技术领域

本发明属于矿山安全测试装置，尤其涉及一种基于多传感器信息融合的矿井通风风量智能在线测量方法。

背景技术

矿井通风将新鲜空气输入矿井下，冲淡井下有害气体和粉尘，保证安全生产；同时，可以调节井下气候，增加氧气浓度，满足人员对氧气的需要，创造良好的工作环境。

《煤矿安全规程》第105条规定：矿井必须建立测风制度，每10天进行1次全面测风。对采掘工作面和其他用风地点，应根据实际需要随时进行测风，每次测风结果应记录并写在测风地点的记录牌上。应根据测风结果采取措施，对井下各用风地点进行风量合理调节。

空气在巷道中流动时，由于受到摩擦的影响，巷道断面上各点的风速并不相等。一般说来，在巷道中央处风速最大，巷道边缘处风速最低，通常所说的井巷风速系指平均风速而言。

矿井各分支通风量的测量是通过测量平均风速间接得到的，由于矿井通风巷道断面形状各异，断面内各点风速不均匀，以及大部分场合缺少准确测量通风量所要求的平直段造成的紊流问题，所以风量传感器在安装以后均需要进行现场校正，以上情况也是学术界普遍认为的风量的测量存在测不准的原因。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法及装置，用于矿井风量在线测量。为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明提供一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量装置，装置基于ARM处理器的嵌入式系统开发，外围传感器和软硬件模块包括风速测量模块、风量数据处理模块、风向测量模块、位置识别模块、干湿度、温度和大气压力环境参数测量传感器、基于关联巷道的风量计算处理及诊断模块、基于总线的接口通信模块、人机接口模块和本安电源供电模块。

本发明的ARM处理器的嵌入式系统为测量、数据处理和通信的核心，选用高性能的Cotex-M3内核处理器STM32F103ZET6；硬件层还包括Flash ROM、SDRAM、A/D转换模块、各种总线；所述嵌入式系统在实时方式下工作，控制各功能模块之间的运行和通信。

本发明的风速测量模块利用热传导原理测量气体风速。该仪表采用恒温差法对气体质量流量进行准确测量。即利用流体流过发热物体时发热物体的热量散失多少与流体的流量呈一定的比例关系。流量传感器由两个基准，级热电阻(RTD)组成：一个是速度传感器RH，一个是测量气体温度变化的温度传感器RMG。随着气体流速的增加，气流带走更多热量，传感器RH的温度下降。两者之间的温度差与流量的大小成线性关系；当气体流经热电阻，就会有冷却效应。当流量增加，冷却效应就增加，为保持两个热电阻的温度差恒定所需的传感器功率就增加，而加在加热电阻上的功率与质量流量成正比。

本发明的风向测量模块利用风向传感器，风向传感器的感应组建为前端装有辅助标板的单板式风向标，角度变换采用的是七位格雷码光电码盘，精度为2.8125°，通过嵌入式系统读取后转换为风量计算需要的正、反流向。

本发明的位置测量识别模块通过超声波探头自动测量其与上、下、左和右侧巷道壁面的距离，然后计算风速探头相对位置的坐标，该坐标系以左下角为坐标原点，通过归一化处理，以最高点为垂直（Y轴）方向的1，以最右端为水平方向（X轴）的1。超声波传感器分为超声波发射端和超声波接收控制端两部分，发射端包含 CC2530 芯片、超声波发射驱动电路、超声波发射探头。接收控制端包含CC2530 芯片，超声波接收放大电路，电平序列转换电路、超声波接收探头。嵌入式系统输出超声波换能器所需要的40KHz方波信号，利用外部中断监视超声波接收电路输出的返回信号。超声波位置测量识别模块可以采用独立设计，即插即用，作为配套工具使用。

本发明的巷道风量数据处理模块，基于巷道的形状和相对坐标，通过查表得到平均风速的修正系数，与风量传感器测量的风速数值相乘折算巷道的平均风速，其中表中的修正系数和相对坐标是通过实验测量研究得到的经验数值。

本发明的风量测量装置基于现场总线通信，装置的通信模块上根据通风网络拓扑图统一编号，分配了独立的地址，所设计的地址码编号为8位，由三部分组成，其中：节点编号占5位，通风分支编号占2位，正、反流向特性占1位。实现在通信过程中可以识别相互连接关系和风量流入、流出信息。

本发明的关联巷道风量计算处理及诊断模块，该模块基于通风网络质量守恒定律，在单位时间内，任一节点流入和流出空气质量的代数和为零。可以实现关联节点分支风量测量值的相互冗余，当某一巷道风量传感器的信号检测模块故障，该智能风量测量装置将基于总线通信方式从关联的同一节点其他巷道获取通风风量计算值数据，提高风量测量的可靠性。

本发明装置采用本质安全设计，保证在规定的试验条件下，正常工作或规定的故障条件下，所产生的电火花和热效应，均不能点燃规定的爆炸性混合物。

本发明装置人机接口模块设计中，采用矿用传感器常用的四位红色数码管功能显示方式：左第一位为功能位，后三位为测量值。设计了：1－调零，2－调精度，3－自检， 4-巷道类型选择；其中，通过按键可以在现场安装时由人工选择巷道类型，循环可选巷道类型包括：1-矩形，2-梯形，3-圆形，4-圆弧拱，5-半圆拱。

相对于现有技术：（1）本发明通过增加距离测量模块实现了传感器在巷道中相对位置的自动定位和巷道几何参数的测量和计算，通过查表法，根据相似原理基于模型研究得到的风速修正系数，快速得到实际巷道原型的风速修正数，省去了当前风量传感器在现场安装时所必须的校正的工作，同时，避免了人在巷道中测风由于人体对于通风风流的影响和其他人为因素所造成的风量测不准问题，提高了风量测量的准确程度；（2）本发明基于通风质量流量守恒定理，测量装置在软件上通过增加具有关联节点分支之间的质量流量计算比较，实现了分支风量的相互之间的冗余和校正，使流量测量具有故障诊断功能，进一步地，通过分支风量的冗余可以提高煤矿井下通风网络风量测量的可靠性；（3）本发明基于热式质量流量计和风向传感器相结合，可以实现风量的双向测量，有效地监测复杂通风网络中工作面风流反向问题，提高了通风系统的安全性；（4）本发明基于多传感器信息融合技术，通风测量装置可以根据巷道内参数的变化定期自动修正风量，对于巷道受压缓慢变形，面积缩小，以及通风介质的变化情况下的风量准确测量具有一定的自适应性；（5）本发明实现了巷道通风风量自动高精度无损测量，基于现场总线技术将通风网络中各个分支的通风风量上传给综合自动化系统，可以实现全矿井通风风量参数的在线检测，是矿井通风系统的超前预警与智能调控的基础。

附图说明

图1为本发明的测量软件流程图。

图2为本发明的硬件框图。

图3为本发明的风量测量装置布置位置图。适应于矩形巷道，现场采用吊装方式。

图4为本发明的风量测量装置布置位置图。适应于梯形巷道，现场采用吊装方式。

图5为本发明的风量测量装置布置位置图。适应于圆形巷道，现场采用吊装方式。

图6为本发明的风量测量装置布置位置图。适应于圆弧拱形巷道，现场采用吊装方式。

图7为本发明的风量测量装置布置位置图。适应于半圆形巷道，现场采用吊装方式。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参照图1、图2和图3所示，一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量装置，适应于不同类型断面的巷道，采用吊装。包括：风速测量模块100；风向测量模块101；超声波距离测量模块102；干湿度传感器103；温度传感器104；大气压力传感器105；嵌入式系统200； Cotex-M3内核处理器201；存储器Flash ROM202；本安电源供电300；数码管显示器400；键盘500；通信接口模块600。

具体实施时，在通风系统图上选择测风地点，测风点应设置在平直的巷道中，其前后各10米范围内不得有障碍物和拐弯等局部阻力。

测量装置上电后，通过装置面板上的键盘设置和选择测风断面形状，数字和断面形状的对应关系为：1-矩形，2-梯形，3-圆形，4-圆弧拱，5-半圆形。

如图3所示，通风测量装置应采用吊装，根据现场情况可以适当调整吊装高度和吊装位置，要注意测风速传感器的探头的安装方向符合规范。

测量装置上电后，通过103-干湿度传感器；104-温度传感器；105-大气压力传感器获得环境参数，根据空气密度的计算公式

求得巷道中当前的空气密度

测量装置通过距离测量模块102获取断面的尺寸和安装点的位置坐标，计算安装点位置的相对位置坐标和断面的面积S。

测量装置读取相对位置和断面形状代号，然后跳转查Flash ROM202的中预存的经验修正系数，得到安装点位置的风速修正系数，安装点位置的风速修正系数是通过在实验室对断面的不同位置风速实际测量值和平均风速相除得到的，基于相似原理，模型和原型上相同点的同名物理量，具有各自固定的比例关系，所以在模型研究的基础上，即使对断面进行放大，具有几何相似的系统，固定比例系数不变，可以推算出风速修正系数。

测量装置基于热扩散原理测量探头安装点的风速，然后基于风速修正系数得到断面的平均风速。

测量装置根据断面面积、空气密度和平均风速自动计算被测量巷道的通风质量流量的测量值，存储、并为后续的与关联节点的巷道通风质量流量的计算校验做准备。

测量装置基于通信模块读取周围关联分支的风量，基于通风质量流量守恒，得到本分支巷道的通风流量q _i计算值，作为对本分支巷道通风量流量的测量值是否正确的诊断依据。

如果通风流量的测量值和计算值相符，则将本装置的测量值作为风量的可靠参数，送输出显示。

如果测量值和计算值不相符，启动传感器自检程序，确认本巷道测量装置传感器是否能正常工作，如果传感器正常工作，则将本装置的测量值作为风量的可靠参数，送输出显示。

进一步地，如果测量值和计算值不相符，将启动传感器自检程序，确认本巷道测量装置的风量传感器模块工作不正常，将本巷道风量的计算值作为风量的可靠参数，送输出显示，同时进行声光报警，并将相应的故障诊断信息上传给分站或者地面中心站。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法及装置，其特征在于装置基于ARM处理器的嵌入式系统开发，外围传感器和模块包括风速测量模块、风量数据处理模块、风向测量模块、位置识别模块、干湿度、温度和大气压力环境参数测量传感器、基于关联巷道的风量计算处理及诊断模块、基于总线的接口通信模块、人机接口模块和本安电源供电模块。

2.根据权利要求书1所述的一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法及装置，其特征在于风速测量模块利用热传导原理测量气体风速，与风向传感器相结合，可以实现矿井巷道风量的双向测量。

3.根据权利要求书1所述的一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法及装置，其特征在于超声波距离测量模块通过自动测量其与上、下、左和右侧巷道壁面的距离，自动计算风速探头相对位置的坐标和巷道的断面面积；风量数据处理模块，基于巷道的形状和相对坐标，通过查表得到平均风速的修正系数，与风量传感器测量的风速数值相乘折算巷道的平均风速。装置不需要现场调试，风量输出对安装位置具有自适应性；同时避免了人工测风方式下由于人体在巷道中对于通风风流的影响和其他人为因素所造成的风量测不准问题，提高了风量测量的准确程度。

4.根据权利要求书1所述的一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法及装置，其特征在于关联巷道风量计算处理及诊断模块，该模块基于通风网络质量守恒定律，可以实现关联节点分支风量测量值的相互冗余，当某一巷道风量传感器的信号检测模块故障，该智能风量测量装置将基于总线通信方式从关联的同一节点其他巷道获取通风风量计算值数据，提高风量测量的可靠性。

5.根据权利要求书1所述的一种基于多传感器信息融合的高精度智能矿井通风风量在线测量方法及装置，其特征在于通风测量装置集成了多种传感器，基于多传感器信息融合，可以根据巷道内参数的变化定期自动修正风量，对于巷道受压缓慢变形，面积缩小，以及通风介质的变化情况下的风量准确测量具有一定的自适应性。