一种矿井巷道风量精准测量系统及方法与流程

1.本发明矿井巷道风量测量技术领域，尤其涉及一种矿井巷道风量精准测量系统及方法。


背景技术：

2.在矿井通风系统运转过程中，风量作为衡量通风系统稳定性的一个重要指标，需要被矿井通风管理人员准确掌握。“移动走线法”是现场应用最广泛的矿井巷道风速测量方法，这种方法存在着测量时间长、效率低的缺点，因为它的测量结果往往受到测量人员的技术操作水平影响，并且测量人员自身也会对测风区域的流场产生影响。随着矿井自动化和信息化技术的不断发展，利用精密电子设备来测量巷道风量的自动化测量方法已经成为提高矿井通风质量和保障矿井绿色安全生产的重要途经。
3.目前大多数矿井是通过在测风区域安装风速传感器来获得风速，再根据此处的断面面积计算出巷道风量。但从现场使用的效果来看，这种方法得到的风量数据在精度上尚不及传统的人工测量方法，人工测量巷道风速仍是矿井通风工作的一项重要内容。这种测量方法出现的误差主要来于两个方面：(1)风速传感器测量的是测风断面上某一点的风速值，由于矿井巷道风流具有湍流随机脉动特征，风速传感器的测定值始终呈现不断波动的状态，无法给出测风断面的平均风速值，风速传感器的安装位置对测量结果也有较大影响。(2)矿井巷道断面的不规则性使得断面面积的测量存在一些误差。因此，矿井巷道风量的自动化测量方法仍存在着很大的改善空间。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种矿井巷道风量精准测量系统及方法。采用超声波传感器和激光测距传感器相结合的一种风量测量探头，将测风区域分割成两个对称的半区，并把测风过程分为多个测量周期，可以获得测风过程中风流流过测风区域的平均风速和测风区域的平均断面，并且将测风区域巷道断面的不规则性和巷道变形等因素考虑在内，实现对矿井巷道风量的精准测量。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.一种矿井巷道风量精准测量系统，包括风量测量主机和一对风量测量探头，所述风量测量主机和风量测量探头通过传输电缆连接；
7.所述风量测量主机包括激光测量模块、超声波测量模块、控制分析模块；
8.所述风量测量探头包括外壳、外壳中部设置有超声波传感器，超声波传感器和超声波测量模块连接；外壳上还包括旋转装置，所述旋转装置上下两端均铰接有能够在竖直平面内转动的激光测距传感器，所述激光测距传感器与激光测量模块连接。
9.进一步的，所述风量测量主机的控制分析模块为单片机。
10.进一步的，所述风量测量探头包括风量测量探头一和风量测量探头二，所述风量测量探头一和风量测量探头二分别安装在测风区域两侧巷道壁面上且相互正对设置；所述
超声波传感器、激光测距传感器均处于同一平面内。
11.进一步的，旋转装置包括步进电机，所述激光测距传感器由步进电机驱动旋转。
12.进一步的，所述旋转装置包括中心轴，所述旋转装置能够在水平方向上绕其中心轴进行旋转。
13.一种矿井巷道风量精准测量方法，包括如下步骤：
14.步骤1，将风量测量主机稳定悬挂在测风区域一侧的巷道壁面上，将风量测量探头一和风量测量探头二分别安装在测风区域两侧的巷道壁面上；调整风量测量探头一和风量测量探头二的安装位置和安装角度，使风量测量探头一上的两个激光测距传感器正对风量测量探头二的两个激光测距传感器；激光测量模块存储此时的四个距离数据，记为d1、d2、d3、d4，并将d1、d2、d3、d4传递给控制分析模块；
15.步骤2，控制分析模块判断d1、d2、d3、d4是否相等，若相等，则认定风量测量探头一和风量测量探头二为正对安装，则在风量测量主机的显示屏上显示“可以开始”；若不相等，继续调整风量测量探头一和风量测量探头二的安装位置和安装角度直至显示屏上显示“可以开始”，记录此时风量测量探头一和风量测量探头二的安装角度θ；
16.步骤3，在风量测量主机上输入安装角度θ、旋转次数n和测风区域巷道断面形状，开始测量巷道风量；
17.步骤4，控制分析模块记录当前测量周期n＝1，并计算出旋转装置在之后的每个测量周期内的旋转角度和风量测量探头一和风量测量探头二之间的距离d＝d1；
18.步骤5，控制分析模块向激光测量模块和超声波测量模块发出开始指令；激光测量模块驱动激光测距传感器开始旋转扫描所在竖直切面，同时超声波测量模块驱动风量测量探头一的超声波传感器向风量测量探头二的超声波传感器发射超声波信号，待风量测量探头二的超声波传感器接收后，驱动风量测量探头二的超声波传感器向风量测量探头一的超声波传感器发射超声波信号，等待风量测量探头一的超声波传感器接收；
19.步骤6，激光测量模块根据激光测距传感器反馈的距离数据和风量测量主机中输入的巷道断面形状计算出竖直切面面积e1和e
′1，并将e1和e
′1传递给控制分析模块；超声波测量模块根据风量测量探头一的超声波传感器的反馈信号计算从风量测量探头一的超声波传感器发射超声波信号到风量测量探头二的超声波传感器接收的时间间隔t1和从风量测量探头二的超声波传感器发射超声波信号到风量测量探头一的超声波传感器接收的时间间隔t
′1，并将t1和t
′1传递给控制分析模块；
20.步骤7，控制分析模块将激光测量模块和超声波测量模块传递过来的数据进行处理并存储，具体为：计算巷道断面面积计算风速
21.步骤8，控制分析模块记录测量周期1结束，进入第n 1个测量周期；
22.步骤9，控制分析模块控制步进电机驱动旋转装置顺时针旋转α度，此时激光测距传感器所在竖直切面也顺时针旋转α度；
23.步骤10，重复步骤5
‑‑
步骤9操作直至测量周期n＝n 1的测量过程结束，可得到巷道断面面积s1、s2、
……sn 1
和风速v1、v1、
……vn 1
；
24.步骤11，控制分析模块将n 1个测量周期所获得的数据进行处理，具体为：计算测风区域巷道平均断面面积计算平均风速计算风量
25.步骤12，控制分析模块将测风区域巷道平均断面s、平均风速v和风量q发送到显示屏上，并控制步进电机驱动旋转装置旋转至初始位置，测量过程结束。
26.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
27.本发明将测风区域从一个巷道断面拓展为一块巷道区域，通过在测风区域两侧巷道壁面上安装风量测量探头，将测风区域划分为两个半区，并把测风过程分为多个测量周期。在每个测量周期内采用超声波时差法测量测风区域的线风速，并通过风量测量探头上的激光测距传感器来校正探头安装情况，实现超声波传感器的正对发射和接收，弥补了一般的大跨度超声波时差法对射式风速传感器在现场使用时正对安装困难的缺点。通过激光测距传感器旋转扫描所在竖直切面，在每个测量周期内可以获得两个竖直切面的面积。利用风量测量探头里的旋转装置，可以将激光测距传感器调整至下一组竖直切面，从而可以扫描到整个测风区域，这样便把测风区域巷道断面的不规则性和巷道存在变形等因素考虑在内。在整个测量过程结束时，用多个风速值的平均值来代表测风过程内测风区域的平均风速，用多个巷道断面面积的平均值来代表测风区域的平均断面面积，最终计算出风流在测风过程内通过测风区域的风量。
附图说明
28.图1是本发明风量精准测量系统在矿井巷道内安装情况的俯视图；
29.图2是本发明中风量测量主机结构示意图；
30.图3中是本发明中风量测量探头主视图；
31.图4中是本发明中风量测量探头俯视图；
32.图5中是本发明中风量测量探头左视图；
33.图6是本发明风量精准测量方法涉及的参数示意图。
34.1、风量测量主机；11、控制分析模块；12、激光测量模块；13、超声波测量模块；14、显示屏；2、风量测量探头一；21、超声波传感器；22、激光测距传感器；23、旋转装置；24、外壳；3、风量测量探头二；4、正对方向；5、巷道轴线方向；6、旋转角度范围；7、竖直切面。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
36.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
37.一种矿井巷道风量精准测量系统，如图1-6所示，包括风量测量主机1和一对风量测量探头，所述风量测量主机1和风量测量探头通过传输电缆连接。
38.所述风量测量主机1包括激光测量模块12、超声波测量模块13、控制分析模块11；所述风量测量主机1的控制分析模块11为单片机。
39.风量测量探头包括外壳2、外壳2中部设置有超声波传感器21，超声波传感器21和超声波测量模块13连接；外壳2上还包括旋转装置23，旋转装置23包括步进电机，所述激光测距传感器22由步进电机驱动旋转。所述旋转装置23上下两端均铰接有能够在竖直平面内转动的激光测距传感器22，所述激光测距传感器22与激光测量模块12连接。旋转装置23包括中心轴，所述旋转装置23能够在水平方向上绕其中心轴进行旋转。
40.风量测量探头包括风量测量探头一2和风量测量探头二3，所述风量测量探头一2和风量测量探头二3分别安装在测风区域两侧巷道壁面上且相互正对设置；所述超声波传感器21、激光测距传感器22均处于同一平面内。风量测量探头的安装角度θ为探头正对方向4与巷道轴线方向5的夹角。风量测量探头一2和风量测量探头二和超声波传感器21为收发一体式的。
41.风量测量探头一2和风量测量探头二的激光测距传感器22可绕其安装位置在竖直方向上进行旋转，激光测距传感器22的旋转角度范围6为180
°
，旋转装置23可在水平方向上绕其中心进行旋转，旋转角度范围66为90
°‑
θ。
42.其中，超声波传感器21用于发射、接收超声波信号，激光测距传感器22用于发射、接收激光信号，旋转装置23用于将当前激光测距传感器22所在竖直切面7调整至下个竖直切面7，竖直切面7表示激光测距传感器22信号发射线的所在平面。
43.激光测量模块12用于测量两个风量测量探头之间的距离d，并在不同测量周期内计算竖直切面7的面积en和e
′n，根据激光测距传感器22反馈的距离数据和设置按钮输入的巷道断面形状计算出en、e
′n和d，并将en、e
′n和d传递给控制分析模块；超声波测量模块13用于测量超声波在顺风和逆风条件下传播的时间差tn和t
′n，并将tn和t
′n传递给控制分析模块11；控制分析模块11用于在测量周期开始前检验两个风量测量探头是否正对安装，并根据设置按钮输入的安装角度θ和旋转次数n控制旋转装置23在每个测量周期内顺时针旋转α度，最后将激光测量模块12和超声波测量模块13的反馈数据处理成风量q、测风区域平均断面s和平均风速v发送到显示屏上。
44.一种矿井巷道风量精准测量系统的工作方法，具体步骤为：
45.步骤1，测风人员将风量测量主机1稳定悬挂在测风区域一侧的巷道壁面上，将风量测量探头一2和风量测量探头二3分别安装在测风区域两侧的巷道壁面上；调整风量测量探头一2和风量测量探头二3的安装位置和安装角度，使风量测量探头一2的激光测距传感器发射的红外光能够正好打在风量测量探头二3的激光测距传感器上；激光测量模块12存储此时的四个距离数据，记为d1、d2、d3、d4，并将d1、d2、d3、d4传递给控制分析模块11；
46.步骤2，控制分析模块11判断d1、d2、d3、d4是否相等，若相等，则在风量测量主机的显示屏14上显示“可以开始”，此时认为风量测量探头一2和风量测量探头二3为正对安装；反之，测风人员继续调整风量测量探头一2和风量测量探头二3的安装位置和安装角度直至显示屏14上显示“可以开始”，记录此时风量测量探头一2和风量测量探头二3的安装角度θ；
47.步骤3，测风人员在风量测量主机1上输入安装角度θ、旋转次数n和测风区域巷道断面形状，开始测量巷道风量；
48.步骤4，控制分析模块11记录当前测量周期n＝1，并计算出旋转装置在之后的每个
测量周期内的旋转角度风量测量探头一2和风量测量探头二3之间的距离d＝d1；
49.步骤5，控制分析模块11向激光测量模块12和超声波测量模块13发出开始指令；激光测量模块12驱动激光测距传感器22开始旋转扫描所在竖直切面，同时超声波测量模块13驱动风量测量探头一2的超声波传感器向风量测量探头二3的超声波传感器发射超声波信号，待风量测量探头二3的超声波传感器接收后，驱动风量测量探头二3的超声波传感器向风量测量探头一2的超声波传感器发射超声波信号，等待风量测量探头一2的超声波传感器接收；
50.步骤6，激光测量模块12根据激光测距传感器22反馈的距离数据和风量测量主机中输入的巷道断面形状计算出竖直切面面积e1和e
′1，并将e1和e
′1传递给控制分析模块；超声波测量模块13根据风量测量探头一2的超声波传感器的反馈信号计算从风量测量探头一2的超声波传感器发射超声波信号到风量测量探头二3的超声波传感器接收的时间间隔t1和从风量测量探头二3的超声波传感器发射超声波信号到风量测量探头一2的超声波传感器接收的时间间隔t
′1，并将t1和t
′1传递给控制分析模块；
51.步骤7，控制分析模块11将激光测量模块12和超声波测量模块13传递过来的数据进行处理并存储，具体为：计算巷道断面面积计算风速
52.步骤8，控制分析模块11记录测量周期1结束，进入第n 1个测量周期；
53.步骤9，控制分析模块11控制步进电机驱动旋转装置顺时针旋转α度，此时激光测距传感器所在竖直切面也顺时针旋转α度；
54.步骤10，重复步骤5
‑‑
步骤9操作直至测量周期n＝n 1的测量过程结束，可得到巷道断面面积s1、s2、
……sn 1
和风速v1、v1、
……vn 1
；
55.步骤11，控制分析模块11将n 1个测量周期所获得的数据进行处理，具体为：计算测风区域巷道平均断面面积计算平均风速计算风量步骤12，控制分析模块11将测风区域巷道平均断面s、平均风速v和风量q发送到显示屏14上，并控制步进电机驱动旋转装置23旋转至初始位置，测量过程结束。
56.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
57.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。