雙聲道礦用巷道風速儀的設計分析

王鳳翔

（唐山大方匯中儀表有限公司，唐山 063012）

煤礦巷道風速是煤礦安全生產中的一項重要工作參數，風速過高或過低都會影響正常生產。風速過高會增加巷道通風阻力，并浪費動力；而風速太低容易使巷道或工作面中的風流通不暢，影響工作人員的身體健康。目前，煤礦生產中廣泛使用的風速測量儀表和風速傳感器的啟動風速一般在0.30 m·s-1以上，無法滿足《煤礦安全規程》規定的巖巷最低風速在0.15 m·s-1、精度在±0.20 m·s-1的測量要求，尤其在大斷面巷道中低風速測量方面相對誤差較大。因此，研制一種精度較高的風速儀能夠實現對巷道中低風速進行精密監測預警，從而達到減少礦井災害的目的，對于保障礦山安全生產具有重大意義。

1 設計原理

雙聲道礦用巷道風速儀依據速度差法進行設計，即利用超聲波在巷道風中順流向和逆流向傳播時的時間差與巷道風速成比例的原理展開工作，如圖1 所示。雙聲道礦用巷道風速儀包含兩路聲道輪流檢測，能夠實現在復雜流態下保持高精度測量，并能夠應對煤礦巷道的復雜情況。風速計算公式為

圖1 雙聲道礦用巷道風速儀原理

式中：L為超聲波路徑，即測量距離；tab為超聲波順風時間；tba為超聲波逆風時間；α為聲波方向與風向的夾角。

2 硬件電路

圖2 為整個雙聲道礦用巷道風速儀信號處理的硬件電路，主要分為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）部分、超聲波聲道切換及發射部分、超聲波信號接收處理部分、溫度信號處理部分及信號輸出部分。其中，影響測量精度的主要是超聲波聲道切換及發射部分、超聲波信號接收處理部分和溫度信號處理部分，因此主要針對這3 部分展開論述。

圖2 雙聲道礦用巷道風速儀信號處理硬件電路

2.1 超聲波聲道切換及發射部分

傳統的超聲波巷道風速儀只有一對傳感器，只能測量一層的平均風速，相對誤差較大。雙聲道礦用巷道風速儀含有兩對傳感器，通過CPU 對數字控制模擬開關CD4052 設定固態繼電器輸出，每隔2 s 切換一次傳感器進行測量，然后對這兩對傳感器的測量值取平均值，可以提高測量精度，相對誤差較小[1]。超聲波聲道切換電路及傳感器發射波形，如圖3 所示。測量傳感器每次發射10 個脈沖，即使在較寬巷道測量中接收信號也能達到限定值，提高接收信號的信噪比，使測量更加準確。

圖3 超聲波聲道切換電路及傳感器發射波形

2.2 超聲波信號接收處理部分

超聲波信號接收處理部分電路是用于接收超聲波信號的一種電子電路，也就是一個小信號放大電路，它能夠將超聲波信號轉換為電信號，并對其進行放大[2]。超聲波在巷道中傳播時，傳感器接收到的能量會隨著兩對傳感器距離的增加而衰減，接收到的信號較少。如果傳感器距離范圍比較大，那么信號的動態范圍就會很大，一般要求的放大倍數較大，最好進行自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）處理。首先，采用放大器進行濾波。其次，通過帶通濾波電路進行放大濾波，產生的信號進入AGC 處理電路。最后，通過高速比較器進入單片機[3]。該方法可以控制信號的最終幅值，并能夠根據頻率有選擇性地放大濾波，防止外界其他頻率超聲波的干擾。

濾波、帶通選頻電路采用TLC2262 雙路精密運算放大器，其可以達到軌至軌輸出的性能，在1 kHz 時具有19 nV·Hz-1/2的低噪聲譜密度、1 pA 的低輸入偏置輸入電流和最大500 μA 的極低功耗等優點。AGC 處理電路采用美國ADI 公司的AD603 型號。它是一種低噪聲、壓控放大器，用于射頻和中頻AGC 系統。它還提供了精確的引腳可選擇增益，聲音強度為-11～+31 dB時帶寬為90 MHz，9～51 dB 時帶寬為9 MHz。任何中間增益范圍都可以使用一個外部電阻器來實現。由于輸入的參考噪聲譜密度僅為1.3 nV·Hz-1/2，在推薦的±5 V 電源下功耗為125 mW。因為傳感器距離范圍比較大，接收信號變化的幅度也比較大，所以必須根據信號的變化相應調整放大器的增益。圖4 是經過AGC 處理電路后的接收波形。

圖4 經過AGC 處理電路后的接收波形

2.3 溫度信號處理電路

溫度信號處理采用運放組成恒流源對Pt1000 溫度傳感器供電，并采集兩端電壓，與一個基準電壓一起進入儀表放大器AD8226 進行放大。設計采用的恒流源電流為0.2 mA，Pt1000 在0 ℃時兩端電壓約為0.2 V，調整基準電壓和AD8226 放大倍數可以改變溫度量程及測量精度[4-5]。AD8226 放大后的信號通過濾波器進入單片機MSP430F5438A 進行模擬/數字（Analog/Digital，A/D）轉換，每秒采集10 次。對采集到的數據求平均值，以減小誤差，進而校正超聲波聲速，提高測量精度。

3 雙聲道礦用巷道風速儀的測量效果

雙聲道礦用巷道風速儀具有穩定性高、重復性好、響應速度快等特點，其與普通風速傳感器相比的優點主要表現在可以測算整條巷道斷面的平均風速，準確掌控整條巷道的真實平均風速，而且還可以通過RS-485 通信遠程實時監測風速、風量和溫度，為礦上的測風系統提供準確數據。通過調出風速、風量、溫度的歷史數據和趨勢圖，可以幫助專業人員了解風量變化情況，并在通風異常時及時做出應急預案，為煤礦的安全生產提供可靠保障。

雙聲道礦用巷道風速儀適用于6～10 m 寬的巷道，其風速測量精度可以達到0.2 m·s-1。圖5 為6 m寬巷道雙聲道礦用巷道風速儀經檢定后的誤差曲線，換算后各點誤差均在0.2 m·s-1以內，誤差率不超過0.4%?？梢?，其測量效果能夠達到《煤礦安全規程》規定的巖巷最低風速在0.15 m·s-1、精度在±0.20 m·s-1的測量要求，優于一般的風速儀，完全適用于煤礦井下監測巷道風的要求。

圖5 6 m 寬巷道雙聲道礦用巷道風速檢定記錄表

4 結語

雙聲道礦用巷道風速儀的風速測量精度能夠達到《煤礦安全規程》的要求，而且在寬巷道、復雜風態下也能夠實現高精度測量，為監測巷道風速提供了準確數據。該風速儀的輸出采用RS-485 作為數據傳輸接口，既可以現場通過計算機設定和讀取參數，也方便與各類監控系統配套使用，為礦井安全生產提供重要數據。