矿用超声风速测量系统

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我国煤炭资源储量丰富,但煤炭开采工作中存在诸多不安全因素,尤其是瓦斯爆炸及粉尘吸入严重威胁井下人员的生命安全,矿井通风是保障矿井安全主要的技术手段之一,风速精准测量对实现矿井通风具有重要意义。针对目前矿用测风设备存在精度差、易磨损、无法测量平均风速等问题,超声波测风方法无机械磨损、精度高、可测平均风速,更适合矿井巷道风速风量监测。论文相关内容如下:(1)分析了矿井巷道超声波风速测量的相关理论。总结了超声波的本质和特性,探究了超声波换能器的原理和结构,分析了矿井巷道内换能器架设方式对超声波信号传播的影响,对比多种测风技术后选用时差法作为测量方法,推导得出风速测量公式,其关键是对超声波飞行时间的精确测量。(2)开展了超声波飞行时间算法分析与仿真工作。分析了阈值法飞行时间影响因素,针对固定阈值法易受信号幅值变化影响的问题,提出一种自适应五点阈值飞行时间算法,克服了回波信号幅值变化对测量精度的影响,具有良好的实时性。针对工业应用中易受噪声因素干扰的难题,开展了互相关飞行时间算法仿真和实验研究,经互相关函数运算后得到离散输出的飞行时间,为进一步获得更加准确的飞行时间,采用插值函数方法获得连续输出的飞行时间,计算得到更加准确的风速值。(3)设计了矿用超声风速测量系统。硬件部分以STM32为系统核心控制器,设计了驱动电路、接收滤波放大电路、电源电路和通讯电路。软件部分包括主程序、驱动发射程序、采集程序和算法处理程序。调试硬件和软件共同控制换能器实现超声波发射、接收采集和风速测量的功能。(4)搭建了超声风速测试平台。在风洞中对样机进行测试分析,测试结果表明该系统在0~12.5m/s风速范围内测量精度达到0.1m/s,最大相对误差2.75%,有效提升矿井巷道平均风速测量的精确性。本论文针对煤矿井下精准测风需求,研发设计了一种矿用超声风速测量系统,测量精度高、稳定性好,可实现矿井巷道平均风速的精确测量,满足工程应用需求,大大提升矿井通风系统的效率和安全性,具有广阔的应用前景。
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