CN113092814A - 一种矿井巷道高精度风流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿井巷道高精度风流测量方法，涉及矿井巷道风流测量技术领域。本发明的矿井巷道高精度风流测量方法，基于超声波时差法，通过超声波携带风速信息来计算矿井巷道的风速，实现对矿井巷道的低风速风流风速进行高精度测量；第一传感器和第二传感器之间的距离L为中间变量，不需要测量，可以减少距离L测量误差而引起的风速计算误差；使第一传感器和第二传感器同时发射超声波，以减少时钟差引起的误差；通过对巷道立体空间风速的测量，可以实时得到巷道截面平均风速；在风速测量的同时，测量巷道的截面面积，可以实时得到巷道风流流量。

Description

一种矿井巷道高精度风流测量方法

技术领域

本发明涉及矿井巷道风流测量技术领域，具体地说是涉及一种矿井巷道高精度风流测量方法。

背景技术

《煤矿安全规程》规定：运输机巷、采区进、回风巷，采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷的最低容许风速为0.25m/s；掘进中的岩巷和其他通风人行巷道最低容许风速为0.15m/s。但矿井监测监控系统中常用的压差风速计、热敏风速计和超声波风速计等，其启动风速大于0.3m/s，不能满足《规程》规定的最低容许风速的测风要求，而且不能判别风流风向。因此煤矿急迫需要对低风速进行高精度测量，以实现矿井全覆盖精准测风，特别是随着矿山智能通风建设和按需通风技术的推进，对高精度测风的需求越来越大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿井巷道高精度风流测量方法，用于对矿井巷道的低风速的风流实现高精度测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

一种矿井巷道高精度风流测量方法，采用高精度风流测量仪，所述高精度风流测量仪包括第一传感器、第二传感器、温度测定模块和控制单元；第一传感器活动连接有第一固定座，第一传感器上设置有第一超声波发射探头、第一超声波接收探头、第一激光定位发射器和第一激光定位接收端；第二传感器活动连接有第二固定座，第二传感器上设置有第二超声波发射探头、第二超声波接收探头、第二激光定位发射器和第二激光定位接收端；控制单元经信号线缆连接第一超声波发射探头、第一超声波接收探头、第二超声波发射探头、第二超声波接收探头和温度测定模块；

所述方法包括如下步骤：

步骤1、第一传感器经第一固定座布置于巷道的一侧，第二传感器经第二固定座布置于巷道的另一侧，第一传感器和第二传感器的连线斜穿巷道；

步骤2、调节第一传感器相对于第一固定座的摆动姿态，调节第二传感器相对于第二固定座的摆动姿态，使第一激光定位发射器发射出的激光线对准第二激光定位接收端，使第二激光定位发射器发射出的激光线对准第一激光定位接收端；

步骤3、控制单元触发第一超声波发射探头发射超声波，控制单元经第二超声波接收探头接收来自第一超声波发射探头的超声波，控制单元记录由第一超声波发射探头发射超声波至第二超声波接收探头接收超声波的时间t_AB；

同时，

控制单元触发第二超声波发射探头发射超声波，控制单元经第一超声波接收探头接收来自第二超声波发射探头的超声波，控制单元记录由第二超声波发射探头发射超声波至第一超声波接收探头接收超声波的时间t_BA；

同时，

控制单元经温度测定模块测得巷道空气温度T；

步骤4、控制单元计算得到巷道内风速,计算过程如下：

令巷道的风流方向为X轴，垂直于巷道的风流方向为Y轴；

由公式1、2、3可得：

由公式4、5可得：

当巷道空气温度为T时，

C＝331.45+0.607T………………………………………………………公式7

由公式6、7可得：

其中，

L为第一传感器与第二传感器之间的距离，单位为m；

C为超声波在巷道内的传输速度，单位为m/s；

v(y)为沿Y轴的风速分布，单位为m/s；

α为第一传感器、第二传感器连线与X轴的夹角，单位为°；

v_m为第一传感器、第二传感器连线上的平均风速，单位为m/s。

优选的，在步骤4中，控制单元比较t_AB和t_BA的大小；若t_BA>t_AB，则v_m>0，巷道的风流方向为从第一传感器所在巷道截面朝向第二传感器所在巷道截面的方向；若t_BA<t_AB，则v_m<0，巷道的风流方向为从第二传感器所在巷道截面朝向第一传感器所在巷道截面的方向。

优选的，所述高精度风流测量仪还包括压力测定模块，控制单元经信号线缆连接压力测定模块；步骤3中，控制单元经压力测定模块测得巷道内压力P。

优选的，一个传感器组包括一个第一传感器和一个第二传感器，高精度风流测量仪包括多个传感器组，巷道间隔设定距离定义巷道前截面和巷道后截面；每个传感器组的第一传感器位于巷道前截面，每个传感器组的第二传感器位于巷道后截面；

所述步骤4中，控制单元计算得到与传感器组数量相同的v_m，并对多个v_m取平均值得到巷道截面平均风速V_j。

优选的，高精度风流测量仪包括四个传感器组；第一个传感器组的第一传感器位于巷道前截面的左上方位置，第一个传感器组的第二传感器位于巷道后截面的右下方位置；第二个传感器组的第一传感器位于巷道前截面的左下方位置，第二个传感器组的第二传感器位于巷道后截面的右上方位置；第三个传感器组的第一传感器位于巷道前截面的右上方位置，第三个传感器组的第二传感器位于巷道后截面的左下方位置；第四个传感器组的第一传感器位于巷道前截面的右下方位置，第四个传感器组的第二传感器位于巷道后截面的左上方位置；

所述步骤4中，控制单元计算得到四个v_m，并对四个v_m取平均值得到巷道截面平均风速V_j。

优选的，高精度风流测量仪还包括截面面积测量装置；步骤3中，所述截面面积测量装置测得巷道截面面积为S，则在步骤4中，控制单元计算得到巷道风流流量Q＝S·V_j。

优选的，所述截面面积测量装置包括步进电机，所述步进电机的转轴上设置有第三超声波发射探头和第三超声波接收探头，步进电机的转轴转动以带动第三超声波发射探头和第三超声波接收探头沿着巷道的截面转动，第三超声波发射探头和第三超声波接收探头位于转轴的轴线位置，第三超声波发射探头和第三超声波接收探头的朝向相同，所述控制单元经信号电缆连接步进电机、第三超声波发射探头和第三超声波接收探头；

步骤3中，步进电机每输入一个脉冲信号，步进电机的转轴转动角度为β,步进电机的转轴转动n个β角度完成360°转动；在步进电机的转轴每次转动前，控制单元触发第三超声波发射探头发射超声波，控制单元经第三超声波接收探头接收来自第三超声波发射探头并经巷道内壁反射的超声波，控制单元记录由第三超声波发射探头发射超声波至第三超声波接收探头接收超声波的时间

控制单元计算得到巷道截面面积S：

本发明的有益技术效果是：

本发明的矿井巷道高精度风流测量方法，基于超声波时差法，通过超声波携带风速信息来计算矿井巷道的风速，实现对矿井巷道的低风速风流风速进行高精度测量；第一传感器和第二传感器之间的距离L为中间变量，不需要测量，可以减少距离L测量误差而引起的风速计算误差；使第一传感器和第二传感器同时发射超声波，以减少时钟差引起的误差；通过对巷道立体空间风速的测量，可以实时得到巷道截面平均风速；在风速测量的同时，测量巷道的截面面积，可以实时得到巷道风流流量。

附图说明

图1为本发明实施例高精度风流测量仪在矿井巷道的布置图一，其中，高精度风流测量仪包括一个传感器组；

图2为本发明实施例高精度风流测量仪中激光定位发射器和激光定位接收端的结构示意图；

图3为本发明实施例高精度风流测量仪的原理图；

图4为本发明实施例高精度风流测量仪在矿井巷道的布置图二，其中，高精度风流测量仪包括四个传感器组；

图5为本发明实施例高精度风流测量仪中截面面积测量装置的布置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例的一种矿井巷道高精度风流测量方法，请参考图1至图5所示。

一种矿井巷道高精度风流测量方法，采用高精度风流测量仪，所述高精度风流测量仪包括第一传感器A、第二传感器B、温度测定模块和控制单元。

第一传感器A经球铰链活动连接第一固定座，将第一固定座安装在巷道的一侧侧壁，第一传感器A可以相对于第一固定座摆动，以调节第一传感器A相对于第一固定座的摆动姿态。第一传感器A上设置第一超声波发射探头A1、第一超声波接收探头A2、第一激光定位发射器A3和第一激光定位接收端A4。

第二传感器B经球铰链活动连接第二固定座，将第二固定座安装在巷道的另一侧侧壁，第二传感器B可以相对于第二固定座摆动，以调节第二传感器B相对于第二固定座的摆动姿态。第二传感器B上设置第二超声波发射探头B1、第二超声波接收探头B2、第二激光定位发射器B3和第二激光定位接收端B4。

控制单元经信号线缆连接第一超声波发射探头A1、第一超声波接收探头A2、第二超声波发射探头B1、第二超声波接收探头B2和温度测定模块。

本实施例的控制单元包括电脑、单片机及外围电路，其布置及与第一传感器A、第二传感器B的连接参照图3所示。

所述方法包括如下步骤：

步骤1、第一传感器A经第一固定座布置于巷道的一侧，第二传感器B经第二固定座布置于巷道的另一侧，第一传感器A和第二传感器B的连线斜穿巷道；

步骤2、调节第一传感器A相对于第一固定座的摆动姿态，调节第二传感器B相对于第二固定座的摆动姿态，使第一激光定位发射器A3发射出的激光线对准第二激光定位接收端B4，使第二激光定位发射器B3发射出的激光线对准第一激光定位接收端A4。通过激光定位发射器和激光定位接收端的对准，校准第一传感器A和第二传感器B的朝向，以提高超声波发射和接收的精准度。

步骤3、控制单元触发第一超声波发射探头A1发射超声波，控制单元经第二超声波接收探头B2接收来自第一超声波发射探头A1的超声波，控制单元记录由第一超声波发射探头A1发射超声波至第二超声波接收探头B2接收超声波的时间t_AB；

同时，

控制单元触发第二超声波发射探头B1发射超声波，控制单元经第一超声波接收探头A2接收来自第二超声波发射探头B1的超声波，控制单元记录由第二超声波发射探头B1发射超声波至第一超声波接收探头A2接收超声波的时间t_BA；

单片机实时实现信号的转换、处理，电脑用于过程监控，并进行数据的收发、处理。

具体的，单片机上电后，通过电脑控制单片机触发外围电路中的超声波发射电路产生高压脉冲，激励第一超声波发射探头A1、第二超声波发射探头B1同时发射大功率的超声波，并启动定时器计时，单片机同步触发数模转换器采集第一超声波接收探头A2、第二超声波接收探头B2的超声波信号，采集后中断计时。第一超声波接收探头A2、第二超声波接收探头B2在上述超声波发射期间一直处于接收状态。第一超声波接收探头A2、第二超声波接收探头B2的信号经过程控放大器的调理，由信号处理程序控制数模转换器识别初至波，实现高频数据采样，电脑提取、记录t_AB和t_BA。

同时，

控制单元经温度测定模块测得巷道空气温度T，单片机经温度测定模块采集巷道空气温度T，通过温度补偿对超声波在巷道内的传输速度进行校正，以提高测量、计算精度。

步骤4、控制单元计算得到巷道内风速,计算过程如下：

令巷道的风流方向为X轴，垂直于巷道的风流方向为Y轴；

由公式1、2、3可得：

由公式4、5可得：

当巷道空气温度为T时，

C＝331.45+0.607T……………………………………………………………公式7

由公式6、7可得：

其中，

L为第一传感器A与第二传感器B之间的距离，单位为m；

C为超声波在巷道内的传输速度，单位为m/s；

v(y)为沿Y轴的风速分布，单位为m/s；

α为第一传感器A、第二传感器B连线与X轴的夹角，单位为°；

v_m为第一传感器A、第二传感器B连线上的平均风速，单位为m/s。

基于本实施例上述描述可知，本实施例的矿井巷道高精度风流测量方法，实现对矿井巷道的低风速风流风速进行高精度测量。

在此基础上，在步骤4中，控制单元比较t_AB和t_BA的大小；若t_BA>t_AB，则v_m>0，巷道的风流方向为从第一传感器A所在巷道截面朝向第二传感器B所在巷道截面的方向；若t_BA<t_AB，则v_m<0，巷道的风流方向为从第二传感器B所在巷道截面朝向第一传感器A所在巷道截面的方向。如此，可以判断巷道内风流的方向，并将风流的方向信息实时反馈。

此外，本实施例的高精度风流测量仪还包括压力测定模块，控制单元经信号线缆连接压力测定模块；在步骤3中，控制单元经压力测定模块测得巷道内压力P，以将巷道内的风压信息实时反馈。

如图1至4所示，一个传感器组包括一个第一传感器A和一个第二传感器B，高精度风流测量仪包括多个传感器组，巷道间隔设定距离定义巷道前截面和巷道后截面；每个传感器组的第一传感器A位于巷道前截面，每个传感器组的第二传感器B位于巷道后截面；所述步骤4中，控制单元计算得到与传感器组数量相同的v_m，并对多个v_m取平均值得到巷道截面平均风速V_j。

优选的，高精度风流测量仪包括四个传感器组；第一个传感器组的第一传感器A位于巷道前截面的左上方位置，第一个传感器组的第二传感器B位于巷道后截面的右下方位置；第二个传感器组的第一传感器A位于巷道前截面的左下方位置，第二个传感器组的第二传感器B位于巷道后截面的右上方位置；第三个传感器组的第一传感器A位于巷道前截面的右上方位置，第三个传感器组的第二传感器B位于巷道后截面的左下方位置；第四个传感器组的第一传感器A位于巷道前截面的右下方位置，第四个传感器组的第二传感器B位于巷道后截面的左上方位置；

所述步骤4中，控制单元计算得到四个v_m，并对四个v_m取平均值得到巷道截面平均风速V_j。

本实施例的高精度风流测量仪还包括截面面积测量装置；步骤3中，截面面积测量装置测得巷道截面面积为S，则在步骤4中，控制单元计算得到巷道风流流量Q＝S·V_j。

优选的，截面面积测量装置包括步进电机1，在巷道内的底板上设置支撑架2，将步进电机1设置于支撑架2上。步进电机1的转轴11上设置支撑台12，在支撑台12上设置第三超声波发射探头和第三超声波接收探头，步进电机1的转轴11转动以带动第三超声波发射探头和第三超声波接收探头沿着巷道的截面转动，第三超声波发射探头和第三超声波接收探头位于转轴11的轴线位置，第三超声波发射探头和第三超声波接收探头的朝向相同，控制单元经信号电缆连接步进电机1、第三超声波发射探头和第三超声波接收探头。

步骤3中，步进电机1每输入一个脉冲信号，步进电机1的转轴11转动角度为β,步进电机1的转轴11转动n个β角度完成360°转动；在步进电机1的转轴11每次转动前，控制单元触发第三超声波发射探头发射超声波，控制单元经第三超声波接收探头接收来自第三超声波发射探头并经巷道内壁反射的超声波，控制单元记录由第三超声波发射探头发射超声波至第三超声波接收探头接收超声波的时间

控制单元计算得到巷道截面面积S：

如此，可以得到巷道风流流量，以将巷道风流流量信息实时反馈。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种矿井巷道高精度风流测量方法有了清楚的认识。本发明的矿井巷道高精度风流测量方法，基于超声波时差法，通过超声波携带风速信息来计算矿井巷道的风速，实现对矿井巷道的低风速风流风速进行高精度测量；第一传感器A和第二传感器B之间的距离L为中间变量，不需要测量，可以减少距离L测量误差而引起的风速计算误差；使第一传感器A和第二传感器B同时发射超声波，以减少时钟差引起的误差；通过对巷道立体空间风速的测量，可以实时得到巷道截面平均风速；在风速测量的同时，测量巷道的截面面积，可以实时得到巷道风流流量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种矿井巷道高精度风流测量方法，其特征在于，采用高精度风流测量仪，所述高精度风流测量仪包括第一传感器、第二传感器、温度测定模块和控制单元；第一传感器活动连接有第一固定座，第一传感器上设置有第一超声波发射探头、第一超声波接收探头、第一激光定位发射器和第一激光定位接收端；第二传感器活动连接有第二固定座，第二传感器上设置有第二超声波发射探头、第二超声波接收探头、第二激光定位发射器和第二激光定位接收端；控制单元经信号线缆连接第一超声波发射探头、第一超声波接收探头、第二超声波发射探头、第二超声波接收探头和温度测定模块；

所述方法包括如下步骤：

步骤1、第一传感器经第一固定座布置于巷道的一侧，第二传感器经第二固定座布置于巷道的另一侧，第一传感器和第二传感器的连线斜穿巷道；

步骤2、调节第一传感器相对于第一固定座的摆动姿态，调节第二传感器相对于第二固定座的摆动姿态，使第一激光定位发射器发射出的激光线对准第二激光定位接收端，使第二激光定位发射器发射出的激光线对准第一激光定位接收端；

步骤3、控制单元触发第一超声波发射探头发射超声波，控制单元经第二超声波接收探头接收来自第一超声波发射探头的超声波，控制单元记录由第一超声波发射探头发射超声波至第二超声波接收探头接收超声波的时间t_AB；

同时，

控制单元触发第二超声波发射探头发射超声波，控制单元经第一超声波接收探头接收来自第二超声波发射探头的超声波，控制单元记录由第二超声波发射探头发射超声波至第一超声波接收探头接收超声波的时间t_BA；

同时，

控制单元经温度测定模块测得巷道空气温度T；

步骤4、控制单元计算得到巷道内风速,计算过程如下：

令巷道的风流方向为X轴，垂直于巷道的风流方向为Y轴；

由公式1、2、3可得：

由公式4、5可得：

当巷道空气温度为T时，

C＝331.45+0.607T…………………………………………………………………公式7

由公式6、7可得：

其中，

L为第一传感器与第二传感器之间的距离，单位为m；

C为超声波在巷道内的传输速度，单位为m/s；

v(y)为沿Y轴的风速分布，单位为m/s；

α为第一传感器、第二传感器连线与X轴的夹角，单位为°；

v_m为第一传感器、第二传感器连线上的平均风速，单位为m/s。

2.根据权利要求1所述的一种矿井巷道高精度风流测量方法，其特征在于：在步骤4中，控制单元比较t_AB和t_BA的大小；若t_BA>t_AB，则v_m>0，巷道的风流方向为从第一传感器所在巷道截面朝向第二传感器所在巷道截面的方向；若t_BA<t_AB，则v_m<0，巷道的风流方向为从第二传感器所在巷道截面朝向第一传感器所在巷道截面的方向。

3.根据权利要求1所述的一种矿井巷道高精度风流测量方法，其特征在于：所述高精度风流测量仪还包括压力测定模块，控制单元经信号线缆连接压力测定模块；步骤3中，控制单元经压力测定模块测得巷道内压力P。

4.根据权利要求1所述的一种矿井巷道高精度风流测量方法，其特征在于：一个传感器组包括一个第一传感器和一个第二传感器，高精度风流测量仪包括多个传感器组，巷道间隔设定距离定义巷道前截面和巷道后截面；每个传感器组的第一传感器位于巷道前截面，每个传感器组的第二传感器位于巷道后截面；

所述步骤4中，控制单元计算得到与传感器组数量相同的v_m，并对多个v_m取平均值得到巷道截面平均风速V_j。

5.根据权利要求4所述的一种矿井巷道高精度风流测量方法，其特征在于：高精度风流测量仪包括四个传感器组；第一个传感器组的第一传感器位于巷道前截面的左上方位置，第一个传感器组的第二传感器位于巷道后截面的右下方位置；第二个传感器组的第一传感器位于巷道前截面的左下方位置，第二个传感器组的第二传感器位于巷道后截面的右上方位置；第三个传感器组的第一传感器位于巷道前截面的右上方位置，第三个传感器组的第二传感器位于巷道后截面的左下方位置；第四个传感器组的第一传感器位于巷道前截面的右下方位置，第四个传感器组的第二传感器位于巷道后截面的左上方位置；

所述步骤4中，控制单元计算得到四个v_m，并对四个v_m取平均值得到巷道截面平均风速V_j。

6.根据权利要求4或5所述的一种矿井巷道高精度风流测量方法，其特征在于：高精度风流测量仪还包括截面面积测量装置；步骤3中，所述截面面积测量装置测得巷道截面面积为S，则在步骤4中，控制单元计算得到巷道风流流量Q＝S·V_j。

7.根据权利要求6所述的一种矿井巷道高精度风流测量方法，其特征在于：所述截面面积测量装置包括步进电机，所述步进电机的转轴上设置有第三超声波发射探头和第三超声波接收探头，步进电机的转轴转动以带动第三超声波发射探头和第三超声波接收探头沿着巷道的截面转动，第三超声波发射探头和第三超声波接收探头位于转轴的轴线位置，第三超声波发射探头和第三超声波接收探头的朝向相同，所述控制单元经信号电缆连接步进电机、第三超声波发射探头和第三超声波接收探头；

步骤3中，步进电机每输入一个脉冲信号，步进电机的转轴转动角度为β,步进电机的转轴转动n个β角度完成360°转动；在步进电机的转轴每次转动前，控制单元触发第三超声波发射探头发射超声波，控制单元经第三超声波接收探头接收来自第三超声波发射探头并经巷道内壁反射的超声波，控制单元记录由第三超声波发射探头发射超声波至第三超声波接收探头接收超声波的时间

控制单元计算得到巷道截面面积S：

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