CN113447671B - 基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法，属于矿井通风检测技术领域，包括以下步骤：S1：将一对频率为80‑150kHz的高频超声波换能器A1、A2安装于巷道靠顶部位置，将一对频率为25‑50kHz的低频超声波换能器B1、B2安装于巷道中部位置，完成换能器对准；S2：分别测量高低频超声波顺逆流时间；S3：基于超声波时差法计算超声波路径的风速分量；S4：通过实流标定对两组风速进行修正补偿，使得两组数据补偿后一致；S5：监测高低频超声波噪声值，计算标准差衡量其波动大小；S6：将两组标准差作为两组风速数据权重完成风速合成；S7：重复执行S2‑S3，S5‑S6。

Description

基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法

技术领域

本发明属于矿井通风检测技术领域，涉及一种基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法。

背景技术

基于超声波时差法实现风速风向测量，具有环境温度影响小，低下限、宽量程、精度高、线性度好等优点；该技术在在民用气象领域运用较为成熟，超声波声程较短，目前在巷道、隧道环境的大跨度断面风速应用仍处于探索阶段。目前有将超声波时差法运用于煤矿断面风速测量中，对超声波换能器布置及风速计算进行说明，但对如何抑制环境噪声影响，提高测量精度没有研究。矿井通风作为矿井安全生产的基础环节，在智能化背景下对矿井通风监测准确、及时、全面、可靠性提出了更高要求。当前国内煤矿主要使用差压式风速传感器实现巷道风速的在线实时测量，启动风速基本在0.3m/s以上，微风流风向无法实现可靠检测，测量结果为单点风速，与平均风速有一定误差；巷道断面平均风速采用手持式风表等便携式测量设备进行测量，结果受测量人员外形、姿态、测量路线、测风经验等因素的影响，测量重复性差、准确性低、工作量大，目前仍未有能实时测量巷道断面平均风速的装备；有专利表明有相关专家对井下巷道的线平均的测量进行探索，侧重于超声波换能器布置及风速计算，但对抑制环境噪声影响，提高测量精度暂未有相关研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能抑制环境噪声影响的风速计算方法，防止测量数据偏差引起误报警、漏报警，造成煤矿停产损失，保障安全生产与工人的生命安全。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法，包括以下步骤：

S1：将一对频率为80-150kHz的高频超声波换能器A1、A2安装于巷道靠顶部位置，将一对频率为25-50kHz的低频超声波换能器B1、B2安装于巷道中部位置，完成换能器对准；

S2：分别测量高低频超声波顺逆流时间；

S3：基于超声波时差法计算超声波路径的风速分量；

S4：通过实流标定对两组风速进行修正补偿，使得两组数据补偿后一致；

S5：监测高低频超声波噪声值，计算标准差衡量其波动大小；

S6：将两组标准差作为两组风速数据权重完成风速合成；

S7：重复执行S2-S3，实时测量高低频超声波顺逆流时间，并通过S5-S6实时测量巷道平均风速。

进一步，步骤S2具体包括：

S21：控制单元通过逻辑单元驱动超声波换能器A1，并控制切换开关将超声波换能器A2接收信号通过滤波放大电路后进行AD转换，控制单元将超声波信号ADC数据进行处理，计算出顺风时间T_A1；

S22：控制单元通过逻辑单元驱动超声波换能器A2，并控制切换开关将超声波换能器A1接收信号通过滤波放大电路后进行AD转换，控制单元将超声波信号ADC数据进行处理，计算出逆风时间T_A2；

S23：用与S21-S22相同的计算步骤计算出超声波换能器B1、B2的顺风时间T_B1、逆风时间T_B2。

进一步，步骤S3具体包括：

进行A组超声波路径的风速分量计算，设定换能器A1至换能器A2的距离为L_A，则该声道风速分量v_A的计算公式如下：

用公式(1)计算出B组超声波路径的风速分量。

进一步，步骤S4具体包括：

S41：A组超声波风速数据修正，采用人工测量方式获取当前巷道断面平均风速值V_ref，计算出A声道风速修正系数K_A，并存储于存储单元中，之后不再进行计算，

S42：A组超声波风速数据V_A的计算：

S43：用与S41-S42相同的计算步骤计算出B声道风速修正系数K_B及风速数据V_B。

进一步，步骤S5具体包括：

S51：不驱动超声波换能器A1，对滤波放大后的换能器A2信号进行AD转换，转化次数为N_A，采样值数组为x，计算噪声数据的标准差δ_A1：

S52：不驱动超声波换能器A2，对滤波放大后的超声波换能器A1信号进行AD转换，转化次数为N_A，计算噪声数据的标准差δ_A2；

S53：比较δ_A1与δ_A2，取其中较大值作为A声道标准差δ_A；

S54：用与S51-S53相同的计算步骤计算出超声波换能器B1的标准差δ_B1、超声波换能器B2的标准差δ_B2及B声道标准差δ_B。

进一步，步骤S6具体包括：

S61：通道权重计算，A、B声道固定权重分别为η_A、η_B，A、B声道权重λ_A、λ_B为：

S62：巷道平均风速V计算：

V＝λ_AV_A+λ_BV_B (6)。

本发明的有益效果在于：本专利提出高低频超声波巷道断面风速精确检测方法，能够实现0.3m/s下的风速、风向测量，其测量数据为巷道断面的线平均风速，更接近巷道断面平均风速真实值，两组超声波换能器频率相差较大，通常环境噪声仅对其中一组信号造成干扰，采用噪声监测的风速数据合成算法可有效降低环境噪声影响，保证数据的精度及可靠性，保障了煤矿的安全生产与工人的生命安全。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为高低频超声波在巷道的安装示意图；

图2为高低频超声波巷道断面风速检测系统示意图；

图3为基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图3。

如图1所示为高低频超声波的安装方式。一对频率为80-150kHz的高频超声波换能器(A1、A2)安装于巷道靠上位置，采用激光瞄准器或目测方式进行换能器对准，其声程相对较短；一对频率为25-50kHz的低频超声波换能器(B1、B2)安装于巷道中部位置，完成换能器对准，其声程相对较长。

如图2-3所示，为一种基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法，包括以下步骤：

S1：控制单元通过逻辑单元驱动超声波换能器A1，并控制切换开关将超声波换能器A2接收信号通过滤波放大电路后进行AD转换，控制单元将超声波信号ADC数据进行处理，计算出顺风时间T_A1；

S2：控制单元通过逻辑单元驱动超声波换能器A2，并控制切换开关将超声波换能器A1接收信号通过滤波放大电路后进行AD转换，控制单元将超声波信号ADC数据进行处理，计算出逆风时间T_A2；

S3：进行A组超声波路径的风速分量计算，设定换能器A1至换能器A2的距离为L_A，则该声道风速分量v_A的计算公式如下：

S4：A组超声波风速数据修正，采用人工测量方式获取当前巷道断面平均风速值V_ref，计算出A声道风速修正系数K_A，并存储于存储单元中，之后不再进行计算，

S5：A声道风速数据V_A的计算：

上式看出风速的计算无需对L_A进行测量，消除了由于测量误差引入数据偏差；

S6：不驱动换能器A1，对滤波放大后的换能器A2信号进行AD转换，其转换时间不小超声波周期的3倍，转化次数为N_A，采样值数组为x，计算噪声数据的标准差δ_A1

S7：不驱动换能器A2，对滤波放大后的换能器A1信号进行AD转换，转化次数为N_A，计算噪声数据的标准差δ_A2；

S8：比较δ_A1与δ_A2，取其中较大值作为δ_A；

S9：与S1-S7方法类似，计算出B声道风速修正系数K_B，并存储于存储单元中，计算出B声道顺逆流时间T_B1、T_B2及风速数据V_B，噪声数据标准差δ_B1、δ_B2及δ_B；

S10：通道权重计算，A、B声道固定权重分别为η_A、η_B，A、B声道权重λ_A、λ_B为：

S11：巷道平均风速V计算：

V＝λ_AV_A+λ_BV_B (6)

S12：重复S1-S3，S5-S11，进行巷道平均风速V的实时测量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将一对频率为80-150kHz的高频超声波换能器A1、A2安装于巷道靠顶部位置，将一对频率为25-50kHz的低频超声波换能器B1、B2安装于巷道中部位置，完成换能器对准；

S2：分别测量高低频超声波顺逆流时间；

S3：基于超声波时差法计算超声波路径的风速分量；

S4：通过实流标定对两组风速进行修正补偿，使得两组数据补偿后一致；步骤S4具体包括：

S41：A组超声波风速数据修正，采用人工测量方式获取当前巷道断面平均风速值V_ref，计算出A声道风速修正系数K_A，并存储于存储单元中，之后不再进行计算，

S42：A组超声波风速数据V_A的计算：

S43：用与S41-S42相同的计算步骤计算出B声道风速修正系数K_B及风速数据V_B；

S5：监测高低频超声波噪声值，计算标准差衡量其波动大小；

S6：将两组标准差作为两组风速数据权重完成风速合成；步骤S6具体包括：

S61：通道权重计算，A、B声道固定权重分别为η_A、η_B，A、B声道权重λ_A、λ_B为：

S62：巷道平均风速V计算：

V＝λ_AV_A+λ_BV_B (6)

S7：重复执行S2-S3，实时测量高低频超声波顺逆流时间，并通过S5-S6实时测量巷道平均风速。

2.根据权利要求1所述的基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法，其特征在于：步骤S2具体包括：

S21：控制单元通过逻辑单元驱动超声波换能器A1，并控制切换开关将超声波换能器A2接收信号通过滤波放大电路后进行AD转换，控制单元将超声波信号ADC数据进行处理，计算出顺风时间T_A1；

S22：控制单元通过逻辑单元驱动超声波换能器A2，并控制切换开关将超声波换能器A1接收信号通过滤波放大电路后进行AD转换，控制单元将超声波信号ADC数据进行处理，计算出逆风时间T_A2；

S23：用与S21-S22相同的计算步骤计算出超声波换能器B1、B2的顺风时间T_B1、逆风时间T_B2。

3.根据权利要求1所述的基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法，其特征在于：步骤S3具体包括：

进行A组超声波路径的风速分量计算，设定换能器A1至换能器A2的距离为L_A，则A组超声波路径的风速分量v_A的计算公式如下：

同理用公式(1)计算出B组超声波路径的风速分量。

4.根据权利要求1所述的基于高低频超声波的巷道断面风速检测方法，其特征在于：步骤S5具体包括：

S51：不驱动超声波换能器A1，对滤波放大后的换能器A2信号进行AD转换，转化次数为N_A，采样值数组为x，计算噪声数据的标准差δ_A1：

S52：不驱动超声波换能器A2，对滤波放大后的超声波换能器A1信号进行AD转换，转化次数为N_A，计算噪声数据的标准差δ_A2；

S53：比较δ_A1与δ_A2，取其中较大值作为A声道标准差δ_A；

S54：用与S51-S53相同的计算步骤计算出超声波换能器B1的标准差δ_B1、超声波换能器B2的标准差δ_B2及B声道标准差δ_B。

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