0 引言
通风智能化是指通过动态采集通风信息实现通风状态分析、故障诊断和风量调控，是矿井通风的主流发展方向[1-2]。信息采集是通风智能化的基础，然而目前井下风速测量常用的机械式风表、压差式和超声波涡街式风速监测传感器的测量范围大多为0.3～15 m/s，误差为±0.2 m/s[3]，启动风速几乎都大于0.3 m/s[4-8]。《煤矿安全规程》第一百三十六条规定：输送机巷，采区进、回风巷，采煤工作面，掘进中的煤巷和半煤岩巷的最低允许风速为0.25 m/s；掘进中的岩巷和其他通风人行巷道的最低允许风速为0.15 m/s。现有风速传感器难以满足《煤矿安全规程》的风速测量要求，同时也难以满足通风系统异常诊断及智能调控的需要，是通风智能化需要解决的技术难题之一[9-10]。
超声波风速测量仪可以适应恶劣环境，具有较高的精度和较宽的测量范围，因而被广泛应用于气象、军事、矿山等领域[6,11-13]。利用超声波测风速有涡街法和时差法2种技术途径。之前煤矿普遍使用的超声波风速传感器多采用涡街法，如GFW15型矿用风速传感器[5]，但涡街法对风流稳定性及安装精度要求较高。时差法不破坏风流流场，无压力损失，几乎不受风流温度、压力等因素影响，是未来矿井风速测量技术的发展方向。国外生产的风流监测设备如Accutron MAQS和Zephyr AQSTM均采用超声波时差法。国内早期开发的基于超声波时差法的矿用风速测量仪使用2对超声波换能器，通过交替发射与接收超声波信号实现风速测量[14]。文献[15]在此基础上进行了改进，使用1对超声波换能器完成风速测量，最低测量风速达0.2 m/s，性能优于传统的风速测量仪，但由于风速越低，测量误差越大，该风速测量仪仍不能满足矿井低风速条件下精准测风需要。针对该问题，本文基于超声波时差法风速测量原理，设计了一种具有低启动风速的高精度矿用超声波风速测量仪。
1 超声波时差法风速测量原理
超声波在空气中的传播速度与风速叠加，在顺风方向上传播速度加快，在逆风方向上传播速度变慢，在一定检测条件下与风速函数对应，可通过计算求出精确风速。超声波在空气中的传播速度受温度的影响，但若采用2个通道分别检测2个相反方向的超声波传播速度，则温度对超声波传播速度产生的影响可以忽略不计。超声波时差法风速测量原理如图1所示。在巷道相对的两侧巷壁分别布置A1，A2和B1，B2 2组超声波探头。其中A1，B2为超声波发射探头，A2，B1为超声波接收探头。发射探头与接收探头的距离为L，其连线与风流方向的夹角为α。
图1 超声波时差法风速测量原理
Fig.1 Principle of wind speed measurement of ultrasonic time-difference method
设巷道的风流方向为X方向(巷道轴方向)，与风流方向垂直的方向为Y方向，沿Y方向的风速分布为v(Y),当A1，B2同时发射超声波时，顺风方向超声波由A1到B1的传播时间为
(1)
式中:C为巷道空气中超声波的传播速度，m/s，C=331.45+0.607t,t为巷道空气温度，℃;l为测距的积分变量。
逆风方向由B2到A2的传播时间为
(2)
用平均风速vm表示沿Y方向的风速分布v(Y)，并代入式(1)和式(2)得
(3)
(4)
由式(3)和式(4)可得
(5)
(6)
当L已知时，测量顺风与逆风状态超声波的传播时间，根据式(5)即可求出沿Y方向的平均风速，且与风流温度无关。当超声波探头受外界影响而发生位移时，可根据式(6)计算位移量并校准探头间距。
2 超声波风速测量仪设计和信号调理
2.1 超声波风速测量仪设计
超声波风速测量仪工作原理如图2所示。超声波发射探头A1，B2和接收探头A2，B1交错设置，形成2个超声波传播通路，分别用于测算超声波在特定风速场中的顺风和逆风传播时间。
图2 超声波风速测量仪工作原理
Fig.2 Working principle of ultrasonic anemometer
风速测量仪由单片机、超声波收发模块及红外定向装置等组成。单片机集放大电路、计时器、振荡器、触发电路、滤波器、积分电路、信号转换器于一体，完成时差法风速测量。红外定向装置由红外线发射器E1，E2及标志区F1，F2组成，位于超声波探头A2，B2上方。E1，E2分别发射红外线至对面标志区F1，F2，进行风速测量仪安装方向校准，以减小由安装方向偏离引起的测量误差。
风速测量仪工作电压为5 V，通过触发电路触发振荡器，产生具有一定频率的脉冲信号，激励超声波发射探头发射规定频率的超声波，即将电信号转换为超声波信号。在发射超声波的同时，单片机启动计时器。2个超声波接收探头接收超声波信号，并将其转换为电信号输入单片机，同时中断计时器。信号经过放大、滤波处理后，再经过积分电路处理成方波。低电平持续时间就是超声波在空气中的传播时间，在顺风与逆风条件下低电平持续时间不同，由此可计算出超声波传播时差，根据式(5) 可计算出风速并判断风向，然后实时输出风速。
2.2 超声波信号调理
超声波信号调理是指对超声波信号进行与或非逻辑运算。对振荡器产生的电信号进行信号处理及门电路运算，得到传播时间差造成的脉冲宽度，再通过滤波器及积分电路将电信号转换为稳定的输出电压。
超声波风速测量仪信号调理如图3所示。超声波风速测量仪由IO口输出一个10 μs的高电平信号至TRIG(控制端)，激励超声波发射探头A1，B2发射8个40 kHz方波(波形O)，同时A1和B2的TRIG输出一个低电平。B1接收到A1发射的超声波后，换能器产生脉冲信号a，同时发生电平跳变，从B1的ECHO(接收端)输出一个高电平，经积分电路整形为方波(波形P)并存储，低电平宽度为超声波在顺风条件下的传播时间T1。A2接收到B2发射的超声波后，换能器产生脉冲信号b，同时发生电平跳变，从A2的ECHO输出一个高电平，经积分电路整形为方波(波形Q)并存储, 低电平宽度为超声波在逆风条件下的传播时间T2。图3中，Tr为超声波风速测量仪的1个发射周期，即从超声波发射探头A1，B2第1次发射8个40 kHz方波到第2次发射方波的时间；T0为待机时间，即超声波发射探头发射8个40 kHz方波后至下一次发射的等待时间。
图3 超声波风速测量仪信号调理
Fig.3 Signal conditioning of ultrasonic anemometer
3 性能参数设定及其影响因素分析
超声波风速测量仪的测量精度除了受频率、待机时间等性能参数影响外，还受探头方向、声噪声等因素干扰。
3.1 超声波频率
超声波在空气中传播的过程中，强度会随距离增大而衰减，频率越高，衰减率越大，长距离测量越困难；但低频超声波的工作噪声较大，易对测量精度产生影响。按照图1所示的超声波风速测量仪布置方式，10 m以内的测距基本可以满足井下巷道测风要求。根据理论和实践经验，10 m以内测距最适宜的超声波频率为40 kHz[16]，因此，本文选用特性频率为40 kHz的超声波换能器。
3.2 待机时间
若超声波风速测量仪待机时间过短，则测量空间内发射探头的余振、回响信号等声噪声会降低测量精度；若待机时间过长，则测量响应速度慢。因此，需设置合理的待机时间。设探头间距L=10 m，α=0，空气温度t=0 ℃，巷道平均风速vm=10 m/s，考虑反射波的影响，超声波从发射到返回所需的传播时间为
(7)
由式(7)可知，待机时间大于60 ms时，可避免反射波的影响。若探头间距L=1 m，则待机时间应大于6 ms。
设定探头间距L=1 m，待机时间分别为50，100，200 ms，连续进行300次测试，风速标准差及风速波动范围见表1。可以看出，当待机时间大于超声波折返所需传播时间时，风速标准差很小，实测值波动小，表明测量稳定性好，几乎不受待机时间的影响。考虑风速测量仪的响应速度，设定待机时间为100 ms。
表1 不同待机时间的风速标准差及波动范围
Table 1 Standard deviation and fluctuation range of wind speed under different stand-by time
待机时间/ms风速标准差/(m·s-1)风速波动范围/(m·s-1)500.089-0.25～0.251000.078-0.20～0.202000.063-0.15～0.15
3.3 超声波探头方向性
超声波具有良好的方向性，超声波场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压不同，轴线上的声压最高[17]。一般实用性的超声波探头半扩散角为4～15°，即测距为1 m时，超声波探头方向的最大允许错位为0.268 m。因此，设超声波探头方向错位0.25 m，采用4种布置方式进行室内实验，如图4所示。超声波连续发射100次。
(a) 布置方式1
(b) 布置方式2
(c) 布置方式3
(d) 布置方式4
图4 超声波探头布置方式
Fig.4 Arrangement of ultrasonic probe
不同超声波探头布置方式的实测风速如图5所示，风速标准差及波动范围见表2。
(a) 布置方式1实测风速
(b) 布置方式2实测风速
(c) 布置方式3实测风速
(d) 布置方式4实测风速
图5 不同超声波探头布置方式的实测风速
Fig.5 Measured wind speed under different ultrasonic probe arrangements
从图5和表2可看出，超声波探头方向错位越严重，风速标准差和波动范围越大，表明探头方向对测量的准确性与可靠性有一定影响。为减小探头方向错位造成的误差，本超声波风速测量仪设置了红外定向装置。
表2 不同超声波探头布置方式的风速标准差及波动范围
Table 2 Standard deviation and fluctuation range of wind speed under different ultrasonic probe arrangements m/s
探头布置方式风速标准差风速波动范围方式10.042-0.1～0.1方式20.048-0.1～0.1方式30.048-0.2～0.2方式40.113-0.3～0.3
3.4 数据平滑处理
对原始风速波形曲线进行平滑处理的目的是消除随机噪声，提高输出风速的稳定性。通过比较分析，本文选用滑动平均法，其原理是对n个非平稳数据{yi}(i=0,1,…,n-1)，逐个滑动取m个相邻数据计算算术平均值：
(8)
式中：fk为第k个算术平均值；yk+i为原始风速测量值。
m的取值直接影响平滑效果:m值较大有利于抑制频繁随机起伏的随机误差，但可能导致高频变化的确定性成分被平均；m值较小不利于抑制随机误差。数据处理中多设置m值为5～11。为确认m值对风速波形曲线平滑效果的影响，分别取m值为4，6，8，10，12，对测距1.0 m的原始风速波形进行数据平滑处理，结果如图6所示。
(a) 原始风速波形
(b) 平滑处理后波形
图6 数据平滑处理效果
Fig.6 Effect of data smoothing
m值与风速标准差的关系如图7所示。可以看出，m值越大，风速标准差越小，风速变化范围越小，风速越稳定，但风速测量仪响应速度变慢。当m≥8时，风速标准差变化小，可以认为m对风速平均值的影响很小，因此，本文取m=8进行数据平滑处理。
图7 m值与风速标准差的关系
Fig.7 Relation between m and the standard deviation of wind speed
4 性能指标分析
(1) 分辨率。设α=0，对式(5)求T1的导数，得
(9)
将
代入式(9)，得
(10)
已知超声波风速测量仪计时器的分辨率为1 μs，设L=5 m，C=340 m/s，vm=5 m/s，代入式(10)得dvm=0.011 9 m/s，即超声波风速测量仪的测量分辨率为0.01 m/s。
(2) 测量误差。已知超声波探头的测距误差|dl|≤3 mm，换算为超声波传播时间误差得
(11)
将dT1代入式(10)得dvm=0.103 m/s，则超声波风速测量仪误差为0.1 m/s。
(3) 启动风速。因为采用非机械式传动方式，理论上超声波风速测量仪的启动风速应该等于其分辨率。根据实验室内无风、微风状态的实测，在风速小于0.1 m/s的情况下，超声波风速测量仪均获得了稳定的实测值，证明其启动风速低于0.1 m/s。
5 结论
(1) 基于超声波时差法风速测量原理，设计了具有低启动风速的高精度矿用超声波风速测量仪。通过2个发射探头同时发射超声波，形成2个超声波传播通路，温度对风速测量的影响可以忽略不计。
(2) 采用红外定向装置，可减小超声波探头方向错位引起的测量误差。选用滑动平均法对原始风速波形曲线进行平滑处理，以消除随机噪声，提高输出风速的稳定性。
(3) 理论计算和实验结果表明：该风速测量仪的分辨率为0.01 m/s，测量误差为±0.1 m/s，启动风速低于0.1 m/s，可以满足矿井低风速条件下的精准测风要求，今后将通过实践进行进一步验证。
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