CN113484535B - 一种矿井中的风量测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井中的风量测量装置和测量方法。光电转换与计算模块置于井上，传感测量模块置于井下，光电转换与计算模块和传感测量模块之间通过传递模块通信连接；传感测量模块的光纤固定于固定装置靠近矿井中来风的端面；传递模块的固定装置和金属外壳固接，传递模块的光纤和传感测量模块的光纤电连接，传递模块的光纤上端延伸到井上并和光电转换与计算模块连接；装置放置于井口在风速标定后进行多点风速测量。本发明实现井口截面的分布式通风量测量，可针对于湍流等截面风速分布不均匀的通风口的通风量的测量，保证了通风口的安全。

Description

一种矿井中的风量测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及矿井检测设备领域的一种风量测量装置和方法，尤其涉及矿井中的风量测量装置、标定和测量方法。

背景技术

中国是世界上煤炭存储量最丰富的国家之一。煤炭资源是目前我国能量的重要来源，也是我国国名经济发展的重要保障。但是矿井之中的开发环境十分恶劣，在开发过程中可能会出现有毒气体、颗粒粉尘等的产生，且矿井中的温度、湿度条件也十分恶劣。因此，矿井开采的过程中，对通风量的监控是一项十分重要的工作，这既可以保证矿工的生命安全，又可以提高矿工的工作环境质量。

传统的风量检测系统按照工作原理可分为机械式、电子式、皮托管式，其在应用在矿井环境中均有明显的不足。机械式风速表风速测量步骤复杂，测试数据的准确性依赖于测风员的技术水平，有人为误差，且不可控。电子式通常利用热电偶，根据探头温度变化来测量风速，矿井中可能会存在一氧化碳，甲烷等气体，对矿井的安全有很大的负面影响。并且由于其是利用单点风速的测量进行风量的推算，在矿井通风的复杂环境中，由于气体湍流的影响会导致测量结果不准确。皮托管的测量结构复杂，在矿井通风口这种多尘的环境下易于堵塞，腐蚀。

分布式声波检测系统(DAS)具有监测范围广，分布连续式，响应带宽大，适应恶劣环境等优势，利用光纤中背向散射的信号来进行长距离分布式测量。被应用于超远距离的环境监测中，对外界环境变化进行监测。

其通过背向散射的时间差来判断物体应变发生的实际位置，光纤中距离L与自脉冲光发出后，该点背向散射信号探测时间t有如下关系：

L＝t·c/n

其中，c为真空中光速，n为光在光纤以某种模式下传输时该模式的有效折射率。

在日常实践过程中，发现背景技术中有如下不足：

1.传统技术通过单点风速来估算风量，没有考虑到矿井中存在湍流的情况下，测量风量的方法。

2.传统技术中在测量风口存在电子器件，在矿井这种极端环境下有爆炸的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种矿井中的风速测量装置和测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一、一种矿井中的风量测量装置：

包括光电转换与计算模块、传递模块和传感测量模块，光电转换与计算模块置于井上，传感测量模块置于井下，光电转换与计算模块和传感测量模块之间通过传递模块通信连接；

所述的传感测量模块包括固定装置和光纤，固定装置沿垂直于矿井深度方向所在的平面布置，光纤固定于固定装置靠近矿井中来风的端面；具体实施中，矿井中的风是从下往上吹，本发明的光纤是布置在固定装置的底面，这样风从下往上吹对光纤施加应力进而实现风速测量。

所述的传递模块包括光纤和外壳，光纤套装在外壳中，传递模块向下延伸进入井下和传感测量模块电连接，固定装置和外壳固接，使得传递模块的光纤和传感测量模块的光纤支撑固定；传递模块的光纤下端和传感测量模块的光纤一端光连接，传递模块的光纤上端延伸到井上并和光电转换与计算模块的光纤连接端口连接。

所述的光电转换与计算模块包括光源驱动模块、光源、2×2端口光耦合器和光电探测器；光源驱动电路和光源连接，光源的光输出端连接到2×2光耦合器一侧的一端，2×2光耦合器一侧的另一端和光电探测器连接，2×2光耦合器另一侧的一端经光纤连接端口和传递模块连接。

还包括电路解算模块和无线WiFi传输模块，光源驱动电路和光电探测器均连接到电路解算模块，电路解算模块经无线WiFi传输模块连接和外部计算机连接。电路解算模块105采用可编程计算芯片。无线WiFi传输模块可替换为有线信息传输模块或现场监测模块。

所述的固定装置和光纤均设为平面螺纹形状，平面螺纹所在的平面垂直于矿井的深度方向。

二、一种矿井中的风量测量方法，方法包括：

步骤1：测量风速标定；

步骤2：测量风量方法。

所述步骤1：测量风速标定，具体为：

步骤1.1：同时向传感测量模块中光纤的起始端和终止端施加应力并保持应力；光源发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块中光纤各处背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器探测获得，针对背向散射信号进行解析获得分别到达起始端和终止端所产生的背向散射信号被光电探测器探测到的时刻t_a，t_b分别作为起始端时刻t_a和终止端时刻t_b；

步骤1.2：解除应力，光源发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块中光纤各处背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的多个时刻的背向散射信号，根据起始端和终止端之间的多个时刻的背向散射信号输入以下公式，拟合出起始端和终止端之间的背向散射信号输出函数f(t)：

f(t)＝k(t-t_a)+1

其中，背向散射信号输出函数f(t)表示拟合情况下t时刻背向散射信号相对于起始端时刻t_a背向散射信号的拟合功率强度比，即f(t_a)＝1，f(t_b)＜1；t表示当前时刻，k表示光纤传输衰减系数；

步骤1.3：将传感测量模块放置在标准风速的风速箱内，打开风速箱，风速箱产生恒定的风速；

步骤1.4：光源发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块中光纤各处背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的多个时刻的背向散射信号作为标定的背向散射信号g(t)，用离散函数表示；

步骤1.5：根据标定的背向散射信号g(t)及背向散射信号输出函数f(t)采用以下公式计算出起始端和终止端之间应力对应的归一化背向散射强度：

其中，

表示实际情况下t时刻的归一化背向散射强度；

步骤1.6：计算风速箱中风速与总归一化函数背向散射强度

的比例因子K；

步骤1.7：多次重复步骤1.3-1.6，改变步骤1.3中风速箱的风速进行多次测试，取比例因子K的平均值为最终的比例因子。

不同的风速具有不同的比例因子K。

所述的步骤2：测量风量方法，具体为：

步骤2.1：传感测量模块放置在矿井的通风口处；

步骤2.2：光源发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块中光纤各处背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的时间的背向散射信号作为待测背向散射信号g_m(t)，用离散函数表示，FPGA探测到的数据波形如图5(5)；

步骤2.3：根据步骤1获得的比例因子K将待测背向散射信号g_m(t)代入以下公式计算矿井口单位时间风量V：

其中，S为矿井风道的截面积。

本发明通过搭建该矿井中风量测量装置，放置于井口进行多点风速测量，进而可进一步依据风速对风口的风速积分计算后得出井口的通风量。

与现有技术相比本发明的有益效果：

由于采取了上述技术手段，所以本发明有效解决了背景技术中通过单点风速来估算风量，没有考虑到矿井中存在湍流的情况下，测量风量的方法。通过较长的光纤线圈进行积分计算，获取较大范围内的风速信号，更能反映出实际通风量的情况。

同时本发明有效解决了背景技术中测量风口存在电子器件的问题，将所有带电原件移到通风口外，带电元件与传感器通过光纤相连，避免了通风口一氧化碳或甲烷的爆炸风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：矿井中的风量测量装置系统结构示意图；

图2：计算模块结构示意图；

图3：传递模块三维结构示意图；

图4：测量模块结构示意图；

图5：测量结果与解算过程波形示意图。

图中：光电转换与计算模块(1)、传递模块(2)、传感测量模块(3)；光源驱动模块(101)、光源(102)、2×2端口光耦合器(103)、光电探测器(104)、电路解算模块(105)、无线WiFi传输模块(106)、光纤连接端口(107)；光纤(201)、外壳(202)；固定装置(301)、光纤(302)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括光电转换与计算模块1、传递模块2和传感测量模块3，光电转换与计算模块1置于井上，传感测量模块3置于井下，光电转换与计算模块1和传感测量模块3之间通过传递模块2通信连接；

如图4所示，传感测量模块3包括固定装置301和光纤302，固定装置301沿垂直于矿井深度方向所在的平面布置，光纤302固定于固定装置301靠近矿井中来风的端面；光纤302通过涂抹粘合剂后经过紫外照射固定到固定装置301上。特别的，当采用细径单模光纤时，光纤直径d_f＝125μm，固定装置301的宽度可选取为光纤直径二倍，固定装置301的宽度d＝250μm。空气流通区域为固定装置301的宽度的80倍，为a＝2cm。圈数由洞口直径确定。

具体实施中，矿井中的风是从下往上流动，本发明的光纤302是布置在固定装置301的底面，这样风从下往上流动对光纤302施加压力进而实现风速测量。

如图4所示，固定装置301和光纤302均可以设为平面螺纹形状，使得传感测量模块3整体均为一个平面螺纹形状，平面螺纹所在的平面垂直于矿井的深度方向。

如图3所示，传递模块2包括光纤201和外壳202，光纤201套装在外壳202中，光纤201在外壳202中放置，避免损坏。同时光纤201分段固定在外壳202上，避免光纤受到由重力产生的拉力带来的负面影响。传递模块2向下延伸进入井下和传感测量模块3光连接，传递模块2的光纤201下端和传感测量模块3的光纤302一端光连接，传递模块2的光纤201上端延伸到井上并和光电转换与计算模块1的光纤连接端口107连接。

固定装置301和外壳202固接，使得传递模块2的光纤201和传感测量模块3的光纤302支撑固定。具体实施可在传递模块2和传感测量模块3的之间设置加强结构，加强结构的两端分别焊接固定装置301和外壳202，以减小传感测量固定装置301在风速下的抖动。

如图2所示，光电转换与计算模块1包括光源驱动模块101、光源102、2×2端口光耦合器103和光电探测器104；光源驱动电路101和光源102连接，光源102的光输出端连接到2×2光耦合器103一侧的一端，2×2光耦合器103一侧的另一端和光电探测器104连接，2×2光耦合器103另一侧的一端经光纤连接端口107和传递模块2连接，传递模块2为光纤，2×2光耦合器3另一侧的另一端作为空端口，连接尾纤。其中主要由光源驱动电路101、光源102、2×2光耦合器103、光电探测器104、电路解算模块105构成了光时域反射计模块。

具体实施还包括电路解算模块105和无线WiFi传输模块106，光源驱动电路101和光电探测器104均连接到电路解算模块105，电路解算模块105经无线WiFi传输模块106连接和外部计算机连接。电路解算模块105采用可编程计算芯片。无线WiFi传输模块106可替换为有线信息传输模块或现场监测模块。

通过电路解算模块105控制光源驱动模块101驱动光源102发出脉冲光入射到2×2光耦合器103中，经2×2光耦合器103传输到光纤连接端口107，光纤连接端口107发出光经传递模块2的光纤201传输到传感测量模块3的光纤302，光在沿传感测量模块3的光纤302传输过程中在光纤内部各处均产生背向散射光强信号，背向散射光强信号逆反回到2×2光耦合器103，进而经2×2光耦合器103传输到光电探测器104被探测接收。

将光电探测器104探测接收的信号发送到电路解算模块105经过矿井口单位时间风量解算，判断通风量是否满足阈值，并通过无线WiFi传输模块106发送给外部计算机。

光传输到光纤302的每一处都会产生背向散射光强信号，离2×2光耦合器103越近的光纤302位置产生背向散射光强信号的时间越早，背向散射光强信号经过的光程越短，探测接收到背向散射光强信号的时刻越早。

风速不同，施加到光纤302处的压力不同，会导致光纤302产生的背向散射光强信号不同，产生较大的幅值变化，由光电探测器104探测接收不同时刻的信号，进行判断背向散射光强信号的变化，进而确定获得背向散射光强信号的来源和情况，进而判断风速情况和位置。

本发明实施例及其实施情况如下：

步骤1：测量风速标定：

步骤1.1：同时向传感测量模块3中光纤302的起始端和终止端施加应力并保持应力；光源102发出脉冲光束并开始计时，光源发出的脉冲光束输出函数如图5(1)所示，脉冲光束在传感测量模块3中光纤302各处背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器104探测获得，数据波形如图5(3)，针对背向散射信号进行解析获得分别到达起始端和终止端所产生的背向散射信号被光电探测器104探测到的时刻t_a,t_b分别作为起始端时刻t_a和终止端时刻t_b；

步骤1.2：解除应力，光源102发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块3中光纤302各处背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器104探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的多个时刻的背向散射信号，在无外界环境改变，且光纤背向散射信号与衰减均匀的情况下，采集的光强波形图如图5(2)所示。

根据起始端和终止端之间的多个时刻的背向散射信号输入以下公式，拟合出起始端和终止端之间的背向散射衰减率函数k：

f(t)＝k(t-t_a)+1

其中，f(t)表示拟合情况下t时刻背向散射信号相对于t_a时刻背向散射信号的拟合功率强度比，即f(t_a)＝1，f(t_b)＜1；t表示当前时刻，k表示光纤传输衰减系数；

步骤1.3：将传感测量模块3放置在标准风速的风速箱内，打开风速箱，风速箱产生恒定的风速；

步骤1.4：光源102发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块3中光纤302各处背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器104探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的多个时刻的背向散射信号作为标定的背向散射信号gt，用离散函数表示，数据波形如图5(4)所示；

步骤1.5：根据标定的背向散射信号gt及背向散射信号输出函数f(t)采用以下公式计算出起始端和终止端之间应力对应的归一化背向散射强度：

其中，

表示实际情况下t时刻的归一化背向散射强度；

步骤1.6：计算风速箱中风速与总归一化函数背向散射强度

的比例因子K；

步骤1.7：当探测器数据信号平稳为底噪后，多次重复步骤1.1-1.6进行多次测试，取比例因子K的平均值为最终的比例因子。

步骤2：测量风速方法。

步骤2.1：传感测量模块3放置在矿井的通风口处；

步骤2.2：光源102发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块3中光纤302各处背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器104探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的多个时刻的背向散射信号作为待测背向散射信号g_mt，用离散函数表示，FPGA探测到的数据波形如图5(5)；

步骤2.3：根据步骤1获得的比例因子K将待测背向散射信号g_mt代入以下公式计算矿井口单位时间风量V：

其中，S为矿井风道的截面积。

在本发明基础上，后续可以进一步扩展，包括改变系统的支撑结构。

由此实施可见，本发明通过将光纤在通风口端面进行缠绕排列，可以实现井口截面的分布式通风量测量，较传统的单点通风量测量有明显优势,尤其是针对于湍流等截面风速分布不均匀的通风口的通风量的测量。同时在井中没有电子元件，极大的保证了通风口的安全。

以上所揭露的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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于风量测量装置的矿井中的风量测量方法，其特征在于：风量测量方法采用以下风量测量装置，所述风量测量装置包括光电转换与计算模块(1)、传递模块(2)和传感测量模块(3)，光电转换与计算模块(1)置于井上，传感测量模块(3)置于井下，光电转换与计算模块(1)和传感测量模块(3)之间通过传递模块(2)通信连接；

所述的传感测量模块(3)包括固定装置(301)和光纤(302)，固定装置(301)沿垂直于矿井深度方向所在的平面布置，光纤(302)固定于固定装置(301)靠近矿井中来风的端面；

所述的传递模块(2)包括光纤(201)和外壳(202)，光纤(201)套装在外壳(202)中；传递模块(2)的光纤(201)下端和传感测量模块(3)的光纤(302)一端光连接，传递模块(2)的光纤(201)上端延伸到井上并和光电转换与计算模块(1)连接；

所述的光电转换与计算模块(1)包括光源驱动模块(101)、光源(102)、2×2端口光耦合器(103)和光电探测器(104)；光源驱动电路(101)和光源(102)连接，光源(102)的光输出端连接到2×2光耦合器(103)一侧的一端，2×2光耦合器(103)一侧的另一端和光电探测器(104)连接，2×2光耦合器(103)另一侧的一端经光纤连接端口(107)和传递模块(2)连接；

方法包括：

步骤1：测量风速标定；

步骤2：测量风量方法；

所述步骤1：测量风速标定，具体为：

步骤1.1：同时向传感测量模块(3)中光纤(302)的起始端和终止端施加应力并保持应力；光源(102)发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块(3)中光纤(302)背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器(104)探测获得，针对背向散射信号进行解析获得分别到达起始端和终止端所产生的背向散射信号被光电探测器(104)探测到的时刻t_a,t_b分别作为起始端时刻t_a和终止端时刻t_b；

步骤1.2：解除应力，光源(102)发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块(3)中光纤(302)背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器(104)探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的多个时刻的背向散射信号，根据起始端和终止端之间的多个时刻的背向散射信号输入以下公式，拟合出起始端和终止端之间的背向散射信号输出函数f(t)：

f(t)＝k(t-t_a)+1

其中，背向散射信号输出函数f(t)表示拟合情况下t时刻背向散射信号相对于起始端时刻t_a背向散射信号的拟合功率强度比，t表示当前时刻，k表示光纤传输衰减系数；

步骤1.3：将传感测量模块(3)放置在标准风速的风速箱内，打开风速箱，风速箱产生恒定的风速；

步骤1.4：光源(102)发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块(3)中光纤(302)背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器(104)探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的多个时刻的背向散射信号作为标定的背向散射信号g(t)；

步骤1.5：根据标定的背向散射信号g(t)及背向散射信号输出函数f(t)采用以下公式计算出起始端和终止端之间应力对应的归一化背向散射强度：

其中，

表示实际情况下t时刻的归一化背向散射强度；

步骤1.6：计算风速箱中风速与总归一化函数背向散射强度

的比例因子K；

步骤1.7：多次重复步骤1.3-1.6，改变步骤1.3中风速箱的风速进行多次测试，取比例因子K的平均值为最终的比例因子。

2.根据权利要求1所述的一种应用于风量测量装置的矿井中的风量测量方法，其特征在于：

所述风量测量装置还包括电路解算模块(105)和无线WiFi传输模块(106)，光源驱动电路(101)和光电探测器(104)均连接到电路解算模块(105)，电路解算模块(105)经无线WiFi传输模块(106)连接和外部计算机连接。

3.根据权利要求1所述的一种应用于风量测量装置的矿井中的风量测量方法，其特征在于：

所述的固定装置(301)和光纤(302)均设为平面螺纹形状，平面螺纹所在的平面垂直于矿井的深度方向。

4.根据权利要求1所述的一种应用于风量测量装置的矿井中的风量测量方法，其特征在于：

所述的步骤2：测量风量方法，具体为：

步骤2.1：传感测量模块(3)放置在矿井的通风口处；

步骤2.2：光源(102)发出脉冲光束并开始计时，脉冲光束在传感测量模块(3)中光纤(302)背向散射后产生的背向散射光强信号由光电探测器(104)探测获得，采集起始端时刻t_a和终止端时刻t_b之间的时间的背向散射信号作为待测背向散射信号g_m(t)；

步骤2.3：根据步骤1获得的比例因子K将待测背向散射信号g_m(t)代入以下公式计算矿井口单位时间风量V：

其中，S为矿井风道的截面积。

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