一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機流量測量方法
【專利摘要】一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機流量測量方法,屬于煤礦通風(fēng)機流量測量領(lǐng)域。針對煤礦通風(fēng)對煤礦安全的重要性和目前煤礦通風(fēng)機流量測量方法的不足，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)長期、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的通風(fēng)機風(fēng)量測量。通過測量氣流的靜壓，對靜壓信號進行處理和互相關(guān)運算，計算出氣流流過兩靜壓取壓點的時間間隔，由兩取壓點的時間間隔、距離和管道截面面積，計算出氣流的流速。該發(fā)明沒有可動單元，能夠?qū)崿F(xiàn)長期、穩(wěn)定、可靠地在線煤礦通風(fēng)機的流量測量。
【專利說明】一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機流量測量方法
【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)機流量測量，屬于煤礦通風(fēng)機流量測量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機流量測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤礦通風(fēng)機是煤礦安全生產(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)機的耗電量占煤礦總耗電量的25%左右,甚至50%,通風(fēng)機的平均效率只有57%。影響煤礦通風(fēng)機經(jīng)濟效益和效率的主要問題是通風(fēng)機的選型不當(dāng)和運行管理差。通風(fēng)機一旦安裝，只有通過合理的運行管理和維護，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)機的經(jīng)濟效益和效率。
[0003]由于煤礦通風(fēng)測量的環(huán)境是含塵高、濕度大、氣流脈動強，其他流量測量方法并不能能直接應(yīng)用與通風(fēng)機流量的測量。目前常用通風(fēng)機流量測量方法主要有:儀器法和靜壓差法?？蓽y量通風(fēng)機流量的儀器有風(fēng)表、多功能風(fēng)速儀、渦街測速儀等，測量出煤礦通風(fēng)機的流量。儀表法測量煤礦通風(fēng)機流量的工作強度大、受巷道環(huán)境的限制、測量結(jié)果的準(zhǔn)確性受環(huán)境影響大。煤礦通風(fēng)機流量的儀器測量方法適合通風(fēng)流量的試驗標(biāo)定，不適用于長期在線測量。近年來，靜壓差法流量測量被廣泛應(yīng)用，根據(jù)流體力學(xué)理論，通過測量氣流流動過程中由巷道管徑變化引起的壓差來測量通風(fēng)機的流量。靜壓差法流量測量僅需兩個壓力變送器測量出巷道管徑變化前后的靜壓，通過運算即可得到通風(fēng)機的流量，方法簡單。傳感器需要安裝在巷道管徑變化前后，測量結(jié)果易受氣流波動和氣流溫度、濕度、粉塵的影響，可靠性低。
[0004]流量的測量是煤礦通風(fēng)機運行管理的關(guān)鍵和薄弱環(huán)節(jié)。流量測量的是否準(zhǔn)確，同樣關(guān)系到風(fēng)機性能的測定。由于測量環(huán)境惡劣，測試人員在測量時面臨危險、不適等因素的限制，以及煤礦管理自動化的要求，需要研發(fā)出一種可以應(yīng)對惡劣測量環(huán)境、適用范圍廣、對人體無危害的流量測量方法具有重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對目前的煤礦通風(fēng)機流量測量方法工作強度大、測量結(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)機流量測量方法，該方法用于煤礦通風(fēng)機的流量測量。基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機流量測量方法利用流體在流動過程中的隨機噪聲，將氣流流速的測量轉(zhuǎn)化為氣流通過相距一定距離的時間間隔的測量。在氣流流動的方向上，平行、前后安裝兩個型號規(guī)格相同壓力變送器，測量氣流的靜壓或動壓，對前后兩靜壓或動壓做相關(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)機的流量。該方法無可動部件，能夠長期在使用?；趬毫Φ拿旱V通風(fēng)機流量測量方法不受氣流參數(shù)和性質(zhì)的影響，能夠準(zhǔn)確、可靠、長期在線測量煤礦通風(fēng)機的流量。
[0006]為實現(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)機流量測量方法，其基于的硬件平臺是導(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，壓力變送器b4用來將下游靜壓轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流，信號采集卡5用來將壓力變送器a3和壓力變送器b4的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，SD卡6用來將信號采集卡5獲取的數(shù)字信號存儲起來，微處理器7用來分析信號采集卡5獲取的數(shù)字信號，LCD觸摸屏用來顯示和輸入?yún)?shù)，RS232接口 9用來實現(xiàn)按照RS232通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，RS485接口 10用來實現(xiàn)按照RS485通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，音頻接口 11用來輸出報警聲音；
[0007]基于以上硬件平臺，其測量方法包括以下步驟:
[0008]S1:在管道的管壁上開兩個直徑為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，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；
[0009]S2:壓力變送器a3、壓力變送器b4分別連接到信號采集卡5，設(shè)置采樣頻率f、流量上限Qmax，流量下限Qmin, 200 ( f ( 20KHz,同時采集兩壓力變送器的靜壓信號，并將信號分段，每段點數(shù)為N，100 ^ N ^ 10240，上游壓力變送器的信號記為x(i)，下游壓力變送器的信號記為y (i)，i為信號序號，l^i^N ;所述的信號采集卡5用來將壓力變送器a3、壓力變送器b4的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
[0010]S3:在微處理器7中對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)零均值化的信號為
UX (i)，ux(i) = x(i) -x(i) , y (i)的零均值化的信號為 uy ⑴，uy{i) = v{i)-y{i);
[0011]S4:對S3中的UX⑴和uy⑴做互相關(guān)運算，互相關(guān)函數(shù)為Rxy ( τ )，
R?(r) = —一Zuv(Z)吵G+ 0，其中τ為延時點數(shù)，延時時間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間為T，T為Rxy( τ )最大值時對應(yīng)的延時時間t，氣流的相關(guān)速度為V。，V =j.,
[0013]S6:通風(fēng)機的流量為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]所述硬件平臺帶有報警和音頻接口 ；所述的報警，當(dāng)Q大于Qmax時，做出流量高報警，當(dāng)Q小于Qmin時，做出流量低報警；所述的音頻接口用來輸出報警的音頻；
[0016]所述硬件平臺帶有SD卡、RS232接口和RS485接口，所述的RS232接口用來實現(xiàn)測量結(jié)果按照RS232通訊協(xié)議的傳輸；所述的RS485接口用來實現(xiàn)測量結(jié)果按照RS485通訊協(xié)議的傳輸；所述的SD卡用來存儲測量結(jié)果；[0017]所述測量結(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、實現(xiàn)了煤礦通風(fēng)機流量的準(zhǔn)確、在線、長期測量，流量的測量結(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、針對煤礦通風(fēng)機通風(fēng)流量測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)機流量測量方法。該測量方法無可移動部件，不易磨損，粉塵不會堵塞氣體入口，可長期測量；該方法利用氣體流動過程中產(chǎn)生的隨機噪聲計算氣體的流量，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)，測量結(jié)果可靠；該方法分析和計算氣體的靜壓或動壓的互相關(guān)，方法簡單，計算量小，可以實現(xiàn)在線測量；該方法適用性廣，傳感器可安裝在管道的任意位置，對管道無特殊要求；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，可以實現(xiàn)長時間的續(xù)航使用。
[0021]3、本發(fā)明帶有存儲單元、通訊單元，可將測量結(jié)果存儲起來，也能將測量結(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。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(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，其通過電纜連接；信號采集卡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；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芯片實現(xiàn)；RS485接口 10利用MAX485芯片實現(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所示為本方法測量煤礦通風(fēng)機流量的流程圖，在測量前，需要設(shè)置采樣頻率f，每段信號點數(shù)N，流量的上限，波動范圍，流量的下限；參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始采集信號；對采集到的信號求平均，對信號做零均值化處理；信號的零均值化完成后，對信號做互相關(guān)分析，計算氣流流過兩壓力變送器所在截面間的時間；求出氣流的流速與管道截面面積的乘積，計算出氣流的流量。
[0031]以圖1為例，按照圖1安裝傳感器及進行硬件連接，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，每段信號點數(shù)N，流量的上限，波動范圍，流量的下限。
[0034](2)信號的采集
[0035]觸發(fā)信號采樣開關(guān)，開始采集通風(fēng)機的靜壓信號。
[0036](3)信號運算
[0037]對利用壓力變送器采集到的通風(fēng)機氣流的靜壓信號進行截取和分段，上游壓力變送器的信號為X(i)，下游壓力變送器為y(i)，i為靜壓信號的序號，截取和分段后，
I ^ i ^ N0求取已經(jīng)分段和截取信號的平均值，
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機流量測量方法的硬件平臺，其特征在于:該硬件平臺包括導(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；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電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；SD卡(6)用來將信號采集卡(5)獲取的數(shù)字信號存儲起來；微處理器(7)用來分析信號采集卡(5)獲取的數(shù)字信號；IXD觸摸屏(8)用來顯示和輸入?yún)?shù)；RS232接口(9)用來實現(xiàn)按照RS232通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸；RS485接口(10)用來實現(xiàn)按照RS485通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸；音頻接口(11)用來輸出報警聲音。
2.依權(quán)利要求1所述的硬件平臺，一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機流量測量方法，其特征在于:基于以上硬件平臺，其測量方法包括以下步驟: S1:在管道的管壁上開兩個直徑為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，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； S2:壓力變送器a(3)、壓力變送器b(4)分別連接到信號采集卡(5)，設(shè)置采樣頻率f、流量上限Qmax，流量下限Qmin, 200 ( f ( 20KHz,同時采集兩壓力變送器的靜壓信號，并將信號分段，每段點數(shù)為N，100 ^ N ^ 10240，上游壓力變送器的信號記為x (i)，下游壓力變送器的信號記為y(i)，i為信號序號，I ^ i ;所述的信號采集卡(5)用來將壓力變送器a (3)、壓力變送器b (4)的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號； S3:在微處理器(7)中對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)機流量測量方法，其特征在于:所述硬件平臺帶有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)機流量測量方法，其特征在于:所述硬件平臺帶有報警和音頻接口 ；所述的報警，當(dāng)Q大于Qmax時，做出流量高報警，當(dāng)Q小于Qmin時，做出流量低報警；所述的音頻接口用來輸出報警的音頻。
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)機流量測量方法，其特征在于:所述硬件平臺帶有SD卡、RS232接口和RS485接口，所述的RS232接口用來實現(xiàn)測量結(jié)果按照RS232通訊協(xié)議的傳輸；所述的RS485接口用來實現(xiàn)測量結(jié)果按照RS485通訊協(xié)議的傳輸；所述的SD卡用來存儲測量結(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)機流量測量方法，其特征在于:所述測量結(jié)果包括流量Q和靜壓P，
【文檔編號】F04D27/00GK104005974SQ201410213357
【公開日】2014年8月27日 申請日期: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 申請人:北京工業(yè)大學(xué)