双声道矿用巷道风速仪的设计分析

王凤翔

（唐山大方汇中仪表有限公司，唐山 063012）

煤矿巷道风速是煤矿安全生产中的一项重要工作参数，风速过高或过低都会影响正常生产。风速过高会增加巷道通风阻力，并浪费动力；而风速太低容易使巷道或工作面中的风流通不畅，影响工作人员的身体健康。目前，煤矿生产中广泛使用的风速测量仪表和风速传感器的启动风速一般在0.30 m·s-1以上，无法满足《煤矿安全规程》规定的岩巷最低风速在0.15 m·s-1、精度在±0.20 m·s-1的测量要求，尤其在大断面巷道中低风速测量方面相对误差较大。因此，研制一种精度较高的风速仪能够实现对巷道中低风速进行精密监测预警，从而达到减少矿井灾害的目的，对于保障矿山安全生产具有重大意义。

1 设计原理

双声道矿用巷道风速仪依据速度差法进行设计，即利用超声波在巷道风中顺流向和逆流向传播时的时间差与巷道风速成比例的原理展开工作，如图1 所示。双声道矿用巷道风速仪包含两路声道轮流检测，能够实现在复杂流态下保持高精度测量，并能够应对煤矿巷道的复杂情况。风速计算公式为

图1 双声道矿用巷道风速仪原理

式中：L为超声波路径，即测量距离；tab为超声波顺风时间；tba为超声波逆风时间；α为声波方向与风向的夹角。

2 硬件电路

图2 为整个双声道矿用巷道风速仪信号处理的硬件电路，主要分为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）部分、超声波声道切换及发射部分、超声波信号接收处理部分、温度信号处理部分及信号输出部分。其中，影响测量精度的主要是超声波声道切换及发射部分、超声波信号接收处理部分和温度信号处理部分，因此主要针对这3 部分展开论述。

图2 双声道矿用巷道风速仪信号处理硬件电路

2.1 超声波声道切换及发射部分

传统的超声波巷道风速仪只有一对传感器，只能测量一层的平均风速，相对误差较大。双声道矿用巷道风速仪含有两对传感器，通过CPU 对数字控制模拟开关CD4052 设定固态继电器输出，每隔2 s 切换一次传感器进行测量，然后对这两对传感器的测量值取平均值，可以提高测量精度，相对误差较小[1]。超声波声道切换电路及传感器发射波形，如图3 所示。测量传感器每次发射10 个脉冲，即使在较宽巷道测量中接收信号也能达到限定值，提高接收信号的信噪比，使测量更加准确。

图3 超声波声道切换电路及传感器发射波形

2.2 超声波信号接收处理部分

超声波信号接收处理部分电路是用于接收超声波信号的一种电子电路，也就是一个小信号放大电路，它能够将超声波信号转换为电信号，并对其进行放大[2]。超声波在巷道中传播时，传感器接收到的能量会随着两对传感器距离的增加而衰减，接收到的信号较少。如果传感器距离范围比较大，那么信号的动态范围就会很大，一般要求的放大倍数较大，最好进行自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）处理。首先，采用放大器进行滤波。其次，通过带通滤波电路进行放大滤波，产生的信号进入AGC 处理电路。最后，通过高速比较器进入单片机[3]。该方法可以控制信号的最终幅值，并能够根据频率有选择性地放大滤波，防止外界其他频率超声波的干扰。

滤波、带通选频电路采用TLC2262 双路精密运算放大器，其可以达到轨至轨输出的性能，在1 kHz 时具有19 nV·Hz-1/2的低噪声谱密度、1 pA 的低输入偏置输入电流和最大500 μA 的极低功耗等优点。AGC 处理电路采用美国ADI 公司的AD603 型号。它是一种低噪声、压控放大器，用于射频和中频AGC 系统。它还提供了精确的引脚可选择增益，声音强度为-11～+31 dB时带宽为90 MHz，9～51 dB 时带宽为9 MHz。任何中间增益范围都可以使用一个外部电阻器来实现。由于输入的参考噪声谱密度仅为1.3 nV·Hz-1/2，在推荐的±5 V 电源下功耗为125 mW。因为传感器距离范围比较大，接收信号变化的幅度也比较大，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。图4 是经过AGC 处理电路后的接收波形。

图4 经过AGC 处理电路后的接收波形

2.3 温度信号处理电路

温度信号处理采用运放组成恒流源对Pt1000 温度传感器供电，并采集两端电压，与一个基准电压一起进入仪表放大器AD8226 进行放大。设计采用的恒流源电流为0.2 mA，Pt1000 在0 ℃时两端电压约为0.2 V，调整基准电压和AD8226 放大倍数可以改变温度量程及测量精度[4-5]。AD8226 放大后的信号通过滤波器进入单片机MSP430F5438A 进行模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换，每秒采集10 次。对采集到的数据求平均值，以减小误差，进而校正超声波声速，提高测量精度。

3 双声道矿用巷道风速仪的测量效果

双声道矿用巷道风速仪具有稳定性高、重复性好、响应速度快等特点，其与普通风速传感器相比的优点主要表现在可以测算整条巷道断面的平均风速，准确掌控整条巷道的真实平均风速，而且还可以通过RS-485 通信远程实时监测风速、风量和温度，为矿上的测风系统提供准确数据。通过调出风速、风量、温度的历史数据和趋势图，可以帮助专业人员了解风量变化情况，并在通风异常时及时做出应急预案，为煤矿的安全生产提供可靠保障。

双声道矿用巷道风速仪适用于6～10 m 宽的巷道，其风速测量精度可以达到0.2 m·s-1。图5 为6 m宽巷道双声道矿用巷道风速仪经检定后的误差曲线，换算后各点误差均在0.2 m·s-1以内，误差率不超过0.4%。可见，其测量效果能够达到《煤矿安全规程》规定的岩巷最低风速在0.15 m·s-1、精度在±0.20 m·s-1的测量要求，优于一般的风速仪，完全适用于煤矿井下监测巷道风的要求。

图5 6 m 宽巷道双声道矿用巷道风速检定记录表

4 结语

双声道矿用巷道风速仪的风速测量精度能够达到《煤矿安全规程》的要求，而且在宽巷道、复杂风态下也能够实现高精度测量，为监测巷道风速提供了准确数据。该风速仪的输出采用RS-485 作为数据传输接口，既可以现场通过计算机设定和读取参数，也方便与各类监控系统配套使用，为矿井安全生产提供重要数据。