一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法
【專利摘要】一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法,屬于煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量領(lǐng)域。針對(duì)煤礦通風(fēng)對(duì)煤礦安全的重要性和目前煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法的不足，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)長期、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)量。通過測(cè)量氣流的靜壓，對(duì)靜壓信號(hào)進(jìn)行處理和互相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出氣流流過兩靜壓取壓點(diǎn)的時(shí)間間隔，由兩取壓點(diǎn)的時(shí)間間隔、距離和管道截面面積，計(jì)算出氣流的流速。該發(fā)明沒有可動(dòng)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)長期、穩(wěn)定、可靠地在線煤礦通風(fēng)機(jī)的流量測(cè)量。
【專利說明】一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量，屬于煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤礦通風(fēng)機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)向井下輸送新鮮空氣，沖淡稀釋有毒有害氣體。煤礦通風(fēng)機(jī)的耗電量占煤礦總耗電量的25%左右,甚至50%,通風(fēng)機(jī)的平均效率只有57%。影響煤礦通風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益和效率的主要問題是通風(fēng)機(jī)的選型不當(dāng)和運(yùn)行管理差。通風(fēng)機(jī)一旦安裝，只有通過合理的運(yùn)行管理和維護(hù)，保證生產(chǎn)安全和改善井下作業(yè)環(huán)境，提高煤礦通風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益和效率。
[0003]由于煤礦通風(fēng)測(cè)量的環(huán)境是含塵高、濕度大、氣流脈動(dòng)強(qiáng)，其他流量測(cè)量方法并不能能直接應(yīng)用與通風(fēng)機(jī)流量的測(cè)量。目前常用通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法主要有:儀器法和靜壓差法?？蓽y(cè)量通風(fēng)機(jī)流量的儀器有風(fēng)表、多功能風(fēng)速儀、渦街測(cè)速儀等，測(cè)量出煤礦通風(fēng)機(jī)的流量。儀表法測(cè)量煤礦通風(fēng)機(jī)流量的工作強(qiáng)度大、受巷道環(huán)境的限制、測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性受環(huán)境影響大。煤礦通風(fēng)機(jī)流量的儀器測(cè)量方法適合通風(fēng)流量的試驗(yàn)標(biāo)定，不適用于長期在線測(cè)量。近年來，靜壓差法流量測(cè)量被廣泛應(yīng)用，根據(jù)流體力學(xué)理論，通過測(cè)量氣流流動(dòng)過程中由巷道管徑變化引起的壓差來測(cè)量通風(fēng)機(jī)的流量。靜壓差法流量測(cè)量僅需兩個(gè)壓力變送器測(cè)量出巷道管徑變化前后的靜壓，通過運(yùn)算即可得到通風(fēng)機(jī)的流量，方法簡單。傳感器需要安裝在巷道管徑變化前后，測(cè)量結(jié)果易受氣流波動(dòng)和氣流溫度、濕度、粉塵的影響，可靠性低。
[0004]流量的測(cè)量是煤礦通風(fēng)機(jī)運(yùn)行管理的關(guān)鍵和薄弱環(huán)節(jié)。流量測(cè)量的是否準(zhǔn)確，同樣關(guān)系到風(fēng)機(jī)性能的測(cè)定。由于測(cè)量環(huán)境惡劣，測(cè)試人員在測(cè)量時(shí)面臨危險(xiǎn)、不適等因素的限制，以及煤礦管理自動(dòng)化的要求，需要研發(fā)出一種可以應(yīng)對(duì)惡劣測(cè)量環(huán)境、適用范圍廣、對(duì)人體無危害的流量測(cè)量方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法工作強(qiáng)度大、測(cè)量結(jié)果易受環(huán)境影響、傳感器安全的要求高的不足，研發(fā)的一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法，該方法用于煤礦通風(fēng)機(jī)的流量測(cè)量。基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法利用流體在流動(dòng)過程中的隨機(jī)噪聲，將氣流流速的測(cè)量轉(zhuǎn)化為氣流通過相距一定距離的時(shí)間間隔的測(cè)量。在氣流流動(dòng)的方向上，平行、前后安裝兩個(gè)型號(hào)規(guī)格相同壓力變送器，測(cè)量氣流的靜壓或動(dòng)壓，對(duì)前后兩靜壓或動(dòng)壓做相關(guān)分析，得到氣流通過兩傳感器之間距離所需的時(shí)間，從而求出氣流的速度。氣流的流速乘以巷道的截面面積，即可得到通風(fēng)機(jī)的流量。該方法無可動(dòng)部件，能夠長期在使用?；趬毫Φ拿旱V通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法不受氣流參數(shù)和性質(zhì)的影響，能夠準(zhǔn)確、可靠、長期在線測(cè)量煤礦通風(fēng)機(jī)的流量。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法，其基于的硬件平臺(tái)是導(dǎo)氣管al、導(dǎo)氣管b2、壓力變送器a3、壓力變送器b4、信號(hào)采集卡5、SD卡6、微處理器器7、LCD觸摸屏8、RS232接口 9、RS485接口 10、音頻接口11 ;導(dǎo)氣管al用來將上游的靜壓傳輸至壓力變送器a3，導(dǎo)氣管b2用來將下游的靜壓傳輸至壓力變送器b4，壓力變送器a3用來將上游靜壓轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號(hào)，壓力變送器b4用來將下游靜壓轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流，信號(hào)采集卡5用來將壓力變送器a3和壓力變送器b4的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，SD卡6用來將信號(hào)采集卡5獲取的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)起來，微處理器7用來分析信號(hào)采集卡5獲取的數(shù)字信號(hào)，LCD觸摸屏用來顯示和輸入?yún)?shù)，RS232接口 9用來實(shí)現(xiàn)按照RS232通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，RS485接口 10用來實(shí)現(xiàn)按照RS485通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，音頻接口 11用來輸出報(bào)警聲音；
[0007]基于以上硬件平臺(tái)，其測(cè)量方法包括以下步驟:
[0008]S1:在管道的管壁上開兩個(gè)直徑為I至2厘米的圓形口，兩圓形口的的連線平行于管道的中心線，兩圓形口的距離為L，0.1D < L < 2D，D為氣流管道的直徑，采集和利用靜壓信號(hào)，利用導(dǎo)氣管al、導(dǎo)氣管b2分別將圓形口與壓力變送器a3、壓力變送器b4連接起來，所述的導(dǎo)氣管al、導(dǎo)氣管b2用來分別將靜壓傳輸至壓力變送器a3、壓力變送器b4，壓力變送器a3、壓力變送器b4用來將靜壓轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號(hào)；
[0009]S2:壓力變送器a3、壓力變送器b4分別連接到信號(hào)采集卡5，設(shè)置采樣頻率f、流量上限Qmax，流量下限Qmin, 200 ( f ( 20KHz,同時(shí)采集兩壓力變送器的靜壓信號(hào)，并將信號(hào)分段，每段點(diǎn)數(shù)為N，100 ^ N ^ 10240，上游壓力變送器的信號(hào)記為x(i)，下游壓力變送器的信號(hào)記為y (i)，i為信號(hào)序號(hào)，l^i^N ;所述的信號(hào)采集卡5用來將壓力變送器a3、壓力變送器b4的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；
[0010]S3:在微處理器7中對(duì)S2中的x(i)和y(i)求平均值，X⑴的平均值為只0，?^) = Τ；Σ^Ζ')? y(i)的平均值為^兩=去Σ-Κ0，那么x(i)零均值化的信號(hào)為
UX (i)，ux(i) = x(i) -x(i) , y (i)的零均值化的信號(hào)為 uy ⑴，uy{i) = v{i)-y{i);
[0011]S4:對(duì)S3中的UX⑴和uy⑴做互相關(guān)運(yùn)算，互相關(guān)函數(shù)為Rxy ( τ )，
R?(r) = —一Zuv(Z)吵G+ 0，其中τ為延時(shí)點(diǎn)數(shù)，延時(shí)時(shí)間t，t = T/f，f為采樣頻率；
[0012]S5:氣流通過兩壓力變送器的過渡時(shí)間為T，T為Rxy( τ )最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間t，氣流的相關(guān)速度為V。，V =j.,
[0013]S6:通風(fēng)機(jī)的流量為Q，Q = Sv。，其中S為壓力變送器所在截面的面積；
[0014]所述硬件平臺(tái)帶有IXD觸摸屏，以供顯示流量Q和設(shè)置采樣頻率f、流量上限Qmax,流量下限Qmin ；
[0015]所述硬件平臺(tái)帶有報(bào)警和音頻接口 ；所述的報(bào)警，當(dāng)Q大于Qmax時(shí)，做出流量高報(bào)警，當(dāng)Q小于Qmin時(shí)，做出流量低報(bào)警；所述的音頻接口用來輸出報(bào)警的音頻；
[0016]所述硬件平臺(tái)帶有SD卡、RS232接口和RS485接口，所述的RS232接口用來實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果按照RS232通訊協(xié)議的傳輸；所述的RS485接口用來實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果按照RS485通訊協(xié)議的傳輸；所述的SD卡用來存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果；[0017]所述測(cè)量結(jié)果包括流量Q和靜壓P，y(/)H2J,(/)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0019]1、實(shí)現(xiàn)了煤礦通風(fēng)機(jī)流量的準(zhǔn)確、在線、長期測(cè)量，流量的測(cè)量結(jié)果與氣流的參數(shù)和性質(zhì)無關(guān)，不受外界環(huán)境，比如濕度、溫度、粉塵濃度的影響。
[0020]2、針對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)通風(fēng)流量測(cè)量的重要性和易受外界干擾的影響，研發(fā)了基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法。該測(cè)量方法無可移動(dòng)部件，不易磨損，粉塵不會(huì)堵塞氣體入口，可長期測(cè)量；該方法利用氣體流動(dòng)過程中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲計(jì)算氣體的流量，沒有涉及氣體的溫度、密度、濕度、粉塵濃度等敏感易變的參數(shù)，測(cè)量結(jié)果可靠；該方法分析和計(jì)算氣體的靜壓或動(dòng)壓的互相關(guān)，方法簡單，計(jì)算量小，可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量；該方法適用性廣，傳感器可安裝在管道的任意位置，對(duì)管道無特殊要求；該方法的需要的硬件較少，成本低，使用高速、低功耗的微處理器，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的續(xù)航使用。
[0021]3、本發(fā)明帶有存儲(chǔ)單元、通訊單元，可將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)起來，也能將測(cè)量結(jié)果通過通訊單元傳輸?shù)竭h(yuǎn)程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1本發(fā)明方法基于靜壓信號(hào)的硬件示意圖；
[0023]圖2本發(fā)明方法流程圖；
[0024]圖3.1為下游壓力變送器靜壓值
[0025]圖3.2為上游壓力變送器靜壓值
[0026]圖3.3為上游和下游靜壓的互相關(guān)值
[0027]圖中:1、導(dǎo)氣管a,2、導(dǎo)氣管b,3、壓力變送器a,4、壓力變送器b,5、信號(hào)米集卡,6、SD卡，7、微處理器器，8、LCD觸摸屏，9、RS232接口，10、RS485接口，11、音頻接口。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0029]按圖1所示的構(gòu)件結(jié)構(gòu)連接設(shè)置，其中壓力變送器a3、壓力變送器b4選用JYB壓力液位變送器，并輸出4mA — 20mA的電流信號(hào)，其通過電纜連接；信號(hào)采集卡5是利用STM32F107VCT6自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，最高轉(zhuǎn)換頻率達(dá)IMHz ;微處理器為STM32F107VCT6，具有高速率，低功耗的優(yōu)點(diǎn)；SD卡6是4G的SDHC Memory Card ;TFT_LCD觸摸屏8是利用3.2寸TFT LCD觸摸屏；RS232接口 9是利用MAX2322芯片實(shí)現(xiàn)；RS485接口 10利用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)；音頻接口 11由3.5_音頻插座和I2S音頻解碼芯片組成。
[0030]圖2所示為本方法測(cè)量煤礦通風(fēng)機(jī)流量的流程圖，在測(cè)量前，需要設(shè)置采樣頻率f，每段信號(hào)點(diǎn)數(shù)N，流量的上限，波動(dòng)范圍，流量的下限；參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始采集信號(hào)；對(duì)采集到的信號(hào)求平均，對(duì)信號(hào)做零均值化處理；信號(hào)的零均值化完成后，對(duì)信號(hào)做互相關(guān)分析，計(jì)算氣流流過兩壓力變送器所在截面間的時(shí)間；求出氣流的流速與管道截面面積的乘積，計(jì)算出氣流的流量。
[0031]以圖1為例，按照?qǐng)D1安裝傳感器及進(jìn)行硬件連接，將兩壓力變送器通過導(dǎo)氣管在管道的管壁上取氣流的靜壓。測(cè)量的流程如下:[0032](I)設(shè)置參數(shù)
[0033]設(shè)置采樣頻率f，每段信號(hào)點(diǎn)數(shù)N，流量的上限，波動(dòng)范圍，流量的下限。
[0034](2)信號(hào)的采集
[0035]觸發(fā)信號(hào)采樣開關(guān)，開始采集通風(fēng)機(jī)的靜壓信號(hào)。
[0036](3)信號(hào)運(yùn)算
[0037]對(duì)利用壓力變送器采集到的通風(fēng)機(jī)氣流的靜壓信號(hào)進(jìn)行截取和分段，上游壓力變送器的信號(hào)為X(i)，下游壓力變送器為y(i)，i為靜壓信號(hào)的序號(hào)，截取和分段后，
I ^ i ^ N0求取已經(jīng)分段和截取信號(hào)的平均值，
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法的硬件平臺(tái)，其特征在于:該硬件平臺(tái)包括導(dǎo)氣管a(l)、導(dǎo)氣管b(2)、壓力變送器a(3)、壓力變送器b(4)、信號(hào)采集卡(5)、SD卡(6)、微處理器器(7)、LCD觸摸屏(8)、RS232接口(9)、RS485接口 (10)、音頻接口 (11)；導(dǎo)氣管a(l)用來將上游的靜壓傳輸至壓力變送器a(3);導(dǎo)氣管b(2)用來將下游的靜壓傳輸至壓力變送器b (4);壓力變送器a (3)用來將上游靜壓轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號(hào)；壓力變送器b (4)用來將下游靜壓轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流；信號(hào)采集卡(5)用來將壓力變送器a(3)和壓力變送器b(4)的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；SD卡(6)用來將信號(hào)采集卡(5)獲取的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)起來；微處理器(7)用來分析信號(hào)采集卡(5)獲取的數(shù)字信號(hào)；IXD觸摸屏(8)用來顯示和輸入?yún)?shù)；RS232接口(9)用來實(shí)現(xiàn)按照RS232通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸；RS485接口(10)用來實(shí)現(xiàn)按照RS485通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸；音頻接口(11)用來輸出報(bào)警聲音。
2.依權(quán)利要求1所述的硬件平臺(tái)，一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法，其特征在于:基于以上硬件平臺(tái)，其測(cè)量方法包括以下步驟: S1:在管道的管壁上開兩個(gè)直徑為I至2厘米的圓形口，兩圓形口的的連線平行于管道的中心線，兩圓形口的距離為L，0.1D < L < 2D，D為氣流管道的直徑，采集和利用靜壓信號(hào)，利用導(dǎo)氣管a (I)、導(dǎo)氣管b (2)分別將圓形口與壓力變送器a (3)、壓力變送器b (4)連接起來；所述的導(dǎo)氣管a (I)、導(dǎo)氣管b (2)用來分別將靜壓傳輸至壓力變送器a (3)、壓力變送器b (4)，壓力變送器a (3)、壓力變送器b (4)用來將靜壓轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號(hào)； S2:壓力變送器a(3)、壓力變送器b(4)分別連接到信號(hào)采集卡(5)，設(shè)置采樣頻率f、流量上限Qmax，流量下限Qmin, 200 ( f ( 20KHz,同時(shí)采集兩壓力變送器的靜壓信號(hào)，并將信號(hào)分段，每段點(diǎn)數(shù)為N，100 ^ N ^ 10240，上游壓力變送器的信號(hào)記為x (i)，下游壓力變送器的信號(hào)記為y(i)，i為信號(hào)序號(hào)，I ^ i ;所述的信號(hào)采集卡(5)用來將壓力變送器a (3)、壓力變送器b (4)的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)； S3:在微處理器(7)中對(duì)S2中的x(i)和y(i)求平均值，x(i)的平均值為⑩，
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法，其特征在于:所述硬件平臺(tái)帶有LCD觸摸屏，以供顯示流量Q和設(shè)置采樣頻率f、流量上限Qmax,流量下限Qmiri。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法，其特征在于:所述硬件平臺(tái)帶有報(bào)警和音頻接口 ；所述的報(bào)警，當(dāng)Q大于Qmax時(shí)，做出流量高報(bào)警，當(dāng)Q小于Qmin時(shí)，做出流量低報(bào)警；所述的音頻接口用來輸出報(bào)警的音頻。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法，其特征在于:所述硬件平臺(tái)帶有SD卡、RS232接口和RS485接口，所述的RS232接口用來實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果按照RS232通訊協(xié)議的傳輸；所述的RS485接口用來實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果按照RS485通訊協(xié)議的傳輸；所述的SD卡用來存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機(jī)流量測(cè)量方法，其特征在于:所述測(cè)量結(jié)果包括流量Q和靜壓P，
【文檔編號(hào)】F04D27/00GK104005974SQ201410213357
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】付勝, 徐斌, 高銀波 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)