风速测量范文
风速测量范文（精选6篇）
风速测量 第1篇
声音在空气中的传播速度与空气密度、温度、湿度、气压、空气流速等有关,一般情况下除空气流速变化外,其他参数在短时间内基本稳定,而空气流速改变了声速。因而只要测量出某一方向上声音来回传播的时间就可以求出相应的流速。常用的传播时间测量方法有:调整发射频率使发射信号与接收信号重合,通过频率来求取时间,此法可达0.02%的声速精度[1],但不适合频带较窄的普通超声换能器,且无法自动快速测量;通过发射与接收信号间的相移来测量也可得到较高的精度,但产生一个周期以上的相移时就难于获得正确结果。测量发射至接收波形起始点的时间也可得到精确的声速测量,但由于接收波形起始点的信号微弱,用普通方法难于准确测量。测量第一个接收波形的峰值或接收信号包络的峰值,虽然加大了信号检测幅度,但峰值位置较难准确定位而产生误差。本文采用DSP并利用离散信号处理等方法,通过求取信号发射至接收信号起始点的时间来获取风速。
1 工作原理
在x方向上设置T1,T2两个间距为s=331mm的发射兼接收的超声换能器。设流速v在x,y,z方向的分量分别为vx,vy,vz,静止空气中的声速为c。由T1发射至T2开始接收到超声波的时间为t1,由T2至T1的时间为t2。则由零时刻发射的声波的波阵面方程(x-vxt)2+(y-vyt)2+(z-vzt)2=(ct)2可得:
由(1),(2)两式可得:
从而可求取x方向上的流速分量vx,同理在y,z方向上分别设置超声换能器也可求得相应的分量vy,vz。对水平方向即x,y方向的流速分量进行合成,则可求出风速Vxy及风向θ=arcsin(vx/vxy);再合成垂直分量,则可得空气流速v。
通过对理想气体摄氏温度T与声速c间的关系,可得出:
对(1),(2)式相乘,求解c2并代入(4)式可得:
从而还可以求出瞬间气温T。
因此,只要已知换能器之间的距离s并测量出超声波来回传播的时间t1,t2,就可以求取气流速度及温度。
2 电路组成
图1给出了超声波发射与接收的电路原理。由于空气中频率较低的超声耦合良好,本系统采用了40kHz的发射接收换能器。发射电路中,换能器仅需由一高压脉冲激励就可发射超声波。用模拟开关等来切换发射信号可以简化电路,但导致性能下降,所以对每一个换能器均设置了图1所示的发射电路。当控制端C1为低电平时,NMOS场效应管Q1截止,PMOS场效应管Q2的UGS接近零电压,Q2截止而输出低电平;C1为高电平时,Q1导通,Q2的栅极电压由电阻R5,R9分压而得,使UGS小于其-2V左右的门限电压而导通,输出高电平。因此,可以通过控制C1端来产生正向高压脉冲以激励换能器,而产生负向高压脉冲时还可简化电路。
接收电路中,为防止高压发射脉冲进入接收电路,限流电阻及两肖特基二极管把输入电压限制在0.3V以内,而对较小的接收信号不起作用。接收的起始周期信号较弱,由同相放大器放大了200倍左右,以能够获取较多的信息量,并调节电路零点以适应A/D转换器输入范围。采用8位最高20MHz采样速度的廉价A/D转换器TLC5510,可在一个CLK周期中完成一次模数转换。为严格定时及防止数据丢失,连接DSP时先由2k9位的IDT7203FIFO来缓冲,以降低DSP的实时性要求。A/D转换值的读取、电路控制及数据处理由DSP实现,本系统中自行设计了TI的TMS320C32处理器模块。由于与上述电路间的接口简单,也可以采用DSP评估板或嵌入式模块PC104来实现。有些超声检测系统为方便编程甚至采用了PC机[2]。
3 超声波传播时间的确定
图2是超声换能器发射开始至接收信号后一段时间内测量到的换能器接收电压。实际工作时为能够较好地分辨起始信号,接收信号被进一步放大到200倍左右,此时噪声明显,并且在包络峰值附近产生饱和失真。需要测量的是发射开始至接收波形的起点的时间,显然,接收信号的第一周期很弱,与噪声相当,第一周期起始点则更难确定,而后继波形的幅度逐渐增大。采用普通方法处理可能延迟起始点,有时甚至延迟一周期以上。采用平均法可减小这些影响[3],本文通过分析研究提出新的处理方法。
3.1 信号滤波处理
接收波形的频率在40kHz的较窄频带内,由于多普勒效应而产生轻微的频移,而起始接收信号的频率略微偏高。由于接收信号较弱及背景噪音及电路噪声的存在,工频电压干扰及调零电路漂移引起的接收波形偏移,必须采取滤波措施以减小噪声并滤除直流成分,保证在强干扰的情况下也能正常工作。在已知40kHz左右的接收频率下,经分析选择,IIR椭圆带通数字滤波器较为合适,它可以用很低的阶来满足FIR滤波器同样的设计要求。其Z变换传递函数为:
然而IIR滤波器造成了非线性的相位延迟。采用以下方法可以消除相位延迟[4,5]:先利用(6)式对接收信号滤波,然后把滤波后序列按时间反转后再次滤波,最后再次反转以恢复原来顺序,如图3所示。其Z变换传递函数为:
取信号的采样频率为1Mz,通频带为[35kHz,50kHz],阻带衰减60dB,通带纹波为0.01dB,则可用高通及低通各为3阶的带通椭圆型滤波器来实现,其系数为:b=(0.0018,-0.0052,0.0049, 0.0000,-0.0049,0.0052,-0.0018),a=(1.0000,-5.5002,12.7975,-16.1164,11.5844,-4.5072,0.7420)。此滤波器的极点均在单位圆以内,滤波器是稳定的。为节省处理时间,仅对接收波形附近的接收信号进行处理,滤波后的数据称为序列A,如图4的实线所示。滤波后噪声衰减大,突出了接收波形,接收信号放大后的饱和失真,也因滤波而恢复,但产生的振荡干扰了第一接收周期的判别。此序列可用于准确定位波形过零时间。
增加滤波器的带宽,可消除阻尼振荡的影响。取通频带为[20kHz,160kHz],阻带衰减60dB,通带纹波为0.01dB,则1Mz采样率时可用3阶带通滤波器来实现,其系数为:b=(0.1298,-0.0134,-0.3624, 0.0000, 0.3624, 0.0134,-0.1298),a=(1.0000,-3.1412,3.9924,-2.9962,1.6497,-0.5604, 0.0562)。对实测信号的滤波结果如图4虚线所示。由于带宽加大而滤波效果变差,饱和失真也没有恢复,但滤除了直流成分且不产生阻尼振荡。经此滤波后的数据称为序列B。
3.2 接收波形起点定位
通过上述滤波器带宽的选择,使序列A突出了接收波形,波幅渐增,周期也由较短的起始周期恢复正常;序列B由于噪声存在,连人眼判别起始周期也很困难。
本系统中,通过求算序列B与相应周期的序列A及反相后的序列A的方差,并通过其比值来判别接收信号。以下分析图4所示的接收起点附近的数据。
①在序列A中,自左到右与某一阈值电压比较以确保阈值点位于接收波形适当位置。在阈值点的前1/4周期内找到过零点,以确定某一接收周期的起点H。由于序列A的噪声抑制理想,其零点的定位误差小。
②根据此周期起点H,确定序列A的左侧一完整周期及序列B对应的数据,并判别用A周期波形作为B数据的拟合是否显著。一般可通过t检验或F检验来确定拟合的A周期的幅值VA是否为零,即原假设H0:VA=0。如采用F检验,可检验序列B拟合后的方差是否比噪声即不作拟合时有明显减小。
本系统中,通过序列A及序列A取反后的周期数据与对应序列B数据的方差来判别,以增大检验灵敏度。假设其噪声服从正态分布,则该序列A的周期数据
即可进行方差分析来进行假设检验,其99%置信度的F值仅与采样数有关。设采样频率为1Mz,则一个周期可有25个采样,查表可得F25,25(0.01)=2.61。因此,SE2/SE1<2.61时,假设成立,即非接收波形。反之,SE2/SE1>2.61时,即判别为超声波的接收波形。实际系统中采样频率提高到5Mz以提高分辨率,则一个周期可有125个采样,可得F125,125(0.01)=1.52。试验表明,采用正反相的拟合后,有接收信号时其比值SE2/SE1会明显增大,而无接收信号时其比值无明显变化。因此比仅采用曲线拟合时的判别效果有显著改善。
③按上述方法自右至左对序列A的周期逐一检验,并由序列A精确定位接收波形的起始时间,直到拟合效果不再显著时停止。其拟合情况如图4的星号及表1所示,自右至左的前两个周期比值大于2.61而较显著,而第三个周期的比值仅为1.785,而看作不显著,从而确定起始点位置即传播时间为t1=995。可见,此时仅需检验3个左右的周期,节省了数据处理时间。
同理,可求出相反方向上的超声传播时间t2及其它坐标轴上的正反向传播时间。
在本系统中,通过测量起始点的精确位置来测量超声传播速度。由声速c=s/t,则误测Δt时的风速误差可推导为:
采用40kHz频率、331mm换能器间距测量时,超声波传播时间约1ms,延迟一个周期Ts即25μs可造成约8.1米/秒的偏差;1μs的测量误差也会产生0.33米/秒左右的风速误差。提高采样频率到5MHz可以提高波形起点的定位精度,而通过采样值内插的方法,可以降低采样速度并减少数据量,却可以更好地定位波形起点,从而取得高测量分辨率。
设序列A中所确定接近零值的波形起点H的电压值为y1,如y1<0,则实际零点应在H的右方,取右邻的采样值为y2;如y1>0,则实际零点应在H的左方,取左邻的采样值为y2。通过线性插值处理,可得零点相对H的时间误差Δt为:
因此,实际的超声波传播时间应为t+Δt。另外通过判别两次连续风速测量是否有8.1米/秒左右的突变,来消除周期错误的可能性。
4 结束语
采用数字信号处理的超声风速测量方法,简化了以往包括灵敏度时间控制、信号包络检测、微分处理的极值检测、甚至采用锁项环跟踪门等模拟信号处理方法,采用了模拟电路无法实现的曲线拟合等方法。通过数值处理方法,可以精确定位接收信号的起始点,使测量精度接近于脉冲回波重合法的精度。由于超声测量过程在mS级的瞬间完成,因此可求得瞬时气流,同时可以计算出平均风速、最大风速、垂直气流等参数,相对风杯式、热球热线式、风压式等普通风速测量方法来说,具有无启动风速、无距离常数、校准简单等特点。数值处理方法灵活,并方便改进推广到其它液气体的流速测量、液位料位等的测量中。
摘要：设计了高速A/D转换电路采集超声波接收信号,并利用DSP进行无延迟的滤波处理。通过接收波形与其反向波形的拟合及其方差分析和假设检验来确定接收波形的起始时间,并利用插值处理进一步提高了时间测量精度。通过超声波在三坐标轴来回的传播时间与空气流速间的关系,求算出三维风速与风向。结果表明,测量可靠性及精度得到提高,电路设计也得到简化。
关键词：超声波,IIR滤波器,DSP,风速
参考文献
[1]王寅观.超声波速度的精密测量理论及其应用[J].声学技术,1989,8(2):18-23.
[2]江泽涛,朱士明,梁军汀,等.微机化的超声气体流量在线检测仪[J].仪器仪表学报,1996,17(6):594-599.
[3]朱土明,刘镇清,魏墨庵,等.提高测量声时精度的“过零检测数字平均法”[J].声学技术,1990,9(3):36-39.
[4]Mitra S K.Digital Signal Processing[M].2nd ed.McGraw-Hill,2001,Sections 4.4.2 and 8.2.5.
风速风向测量实验指导书与实验报告 第2篇
(一)实验目的掌握风向风速测量方法及测量原理，学会使用数字风向风速表等测量仪器测定风向及风速。
(二)实验方法与步骤
1、风洞运行，将风速调至10m/s左右。
2、把皮托管的总压测压软管及静压测压软管和数字压力风速仪对应接口连接。
3、将数字压力风速仪电源打开，按功能键使面板切换到压力和速度显示界面。
4、将皮托管安装在支架上，使总压管开孔方向与来流方向一致。
5、用数字压力风速仪测量试验段出口气流总压和风速。
6、将手持式数字风向风速表的数据采集、处理与显示部件与风速风向感应部件连接，并把感应部件伸到来流中，测定来流速度和来流方向。要求三个风杯处于同一水平面上。
7、改变风洞来流速度，重复5和6步骤测定第二组数据。
8、实验结束，关闭风洞。
9、室外有风时手持数字风向风速表到室外测定某处风向风速。
(三)思考题
1、比较数字压力风速仪和数字风向风速表测定的风速是否相同？为什么？
2、请简述风速风向测量中还有哪些测量方法？
(四)实验目的掌握风向风速测量方法及测量原理，学会使用数字风向风速表等测量仪器测定风向及风速。(五)10、11、12、13、14、实验方法与步骤 风洞运行，将风速调至10m/s左右。把皮托管的总压测压软管及静压测压软管和数字压力风速仪对应接口连接。将数字压力风速仪电源打开，按功能键使面板切换到压力和速度显示界面。将皮托管安装在支架上，使总压管开孔方向与来流方向一致。用数字压力风速仪测量试验段出口气流总压和风速。
15、将手持式数字风向风速表的数据采集、处理与显示部件与风速风向感应部件连接，并把感应部件伸到来流中，测定来流速度和来流方向。要求三个风杯处于同一水平面上。16、17、18、改变风洞来流速度，重复5和6步骤测定第二组数据。实验结束，关闭风洞。室外有风时手持数字风向风速表到室外测定某处风向风速。
(六)思考题
3、比较数字压力风速仪和数字风向风速表测定的风速是否相同？为什么？
4、请简述风速风向测量中还有哪些测量方法？
3、你认为本次实验中存在什么问题，应怎样改进？谈谈本次实验的体会。
矿用风速表测量不确定度探讨 第3篇
关键词：矿用,风速表,测量
1 概述
校准后风速表示值误差是否满足规程JJG (煤炭) 01-96《矿用风速表》的要求, 与校准人员在校准中选取的标准器、采用的方法是否合理、校准环境条件是否符合规定要求等直接相关。现根据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》, 就本检定装置校准结果的测量不确定度进行分析评定。
1.1 校准依据:JJG (煤炭) 01-96《矿用风速表》
1.2校准对象:机械式风速表
测量范围: (0.2-30) m/s
1.3 标准器
(1) 风速表检测仪
测量范围: (0~600) Pa
允许误差:±0.1%FS+0.1Pa
(2) 闭口直路式低速风洞
流场风速测量范围: (0.2~30) m/s
气流均匀性:1.0%
气流稳定性:0.5%
1.4 校准方法:比较法。
1.5 校准环境条件
校准编号为AB114时温度为25.00℃
校准编号为EE319时温度为24.72℃
校准编号为AB542时温度为24.24℃
为依次连续校准。
2 数学模型
则 (1) 式变为
式中:△Vsi-被检风速表的实际风速值的基本误差误差, m/s;
Vzi-第i测量点风速表示值对应的风速值, m/s;
Vsi-第i测量点的实际风速值, m/s;
ρ-空气密度, kg/m3;
ξ-皮托管校准系数;
P-实际动压值;Pa
P0–大气压力;Pa
t-检定环境温度。
为了便于分析, 假设环境温度为20℃, 大气压力为100000Pa, 皮托管系数为1.0000。对 (4) 式微分得灵敏系数为
3 测量不确定度的来源及评定
3.1 被检风速表示值误差的测量不确定度主要有以下几个方面 (由4式可知)
(1) 被检风速表示值的测量不重复, 该项误差与风洞的气流均匀性和气流稳定性有关, 同时也与对风速表刻度盘的计数不准以及计数时间不准引入的测量不确定度u1;
(2) 风洞动压的测量准确度引入的测量不确定度分量u2;
(3) 检定环境温度影响引入的标准不确定度分量u3;
(4) 大气压力测量不准引入的标准不确定度分量u4。
3.2 标准不确定度评定
3.2.1 输入量Vzi引入的测量不确定度u1 (Vzi) 的评定
因为风洞中的气流存在不均匀性和不稳定性, 又由于对风速表刻度盘的计数以及计数时间存在误差, 所以风速表的示值就必然存在误差。该项误差引入的测量不确定度可以通过在重复条件下连续测量得到的一组数据列, 用不确定度的A类评定方法得到。数据列可以选取一个点, 在重复条件下连续测量来得到;也可以是在全量程范围进行多个循环测量来获取。
本次分别选高、中、低速风表各一块分别在20.25 m/s、7.25m/s、4.32m/s分别作6次等精度测量, 测量数据如表1所示:
3.2.2 风洞动压测量不准引入的测量不确定度分量u2 (P) 的评定
风洞动压测量将直接影响到检定结果。风速表检测仪测量范围为 (0~600) Pa, 允许误差为±0.1%FS+0.1Pa, 以满量程计算, 最大误差为±0.7Pa。
取温度为24.5℃, 大气压力为100870Pa, 皮托管系数为1.0040。在低风速、中风速、高风速各取一个动压点, 由下式计算出因动压测量不准造成的实际风速误差:
当动压分为 (10±0.7) Pa时, △Vp=±0.14m/s, 引入的测量不确定度分量;
当动压分为 (40±0.7) Pa时, △Vp=±0.08m/s, 引入的测量不确定度分量;
当动压分为 (250±0.7) Pa时, △Vp=±0.03m/s, 引入的测量不确定度分量:
通过计算, 因动压测量不准在低风速段造成的实际风速误差较大。
假定的不可信度为20%, 则自由度
3.2.3 校准环境温度影响引入的标准不确定度分量u3 (t) 的评定
检校准环境温度对风速表的检定也有一定的影响。
校准环境温度为 (24.5±0.5) ℃, 大气压力取100870Pa, 皮托管系数为1.0040。在低风速、中风速、高风速各取一个动压点, 由下式计算出因温度测量不准造成的实际风速误差:
当动压分为 (10±0.7) Pa时, △Vt=±0.003m/s, 引入的测量不确定度分量;
当动压分为 (40±0.7) Pa时, △Vt=±0.007m/s, 引入的测量不确定度分量;
当动压分为 (250±0.7) Pa时, △Vt=±0.017m/s, 引入的测量不确定度分量:
通过计算, 因温度测量不准在高风速段造成的实际风速误差较大。
假定的不可信度为20%, 则自由度
3.2.4 大气压力测量不准引入的标准不确定度分量u4 (P0) 的评定
大气压力对风速表的检定也有一定的影响。
校准环境温度取24.5℃, 大气压力为 (100870±40) Pa, 皮托管系数为1.0040。在低风速、中风速、高风速各取一个动压点, 由下式计算出因温度测量不准造成的实际风速误差:
当动压为 (10±0.7) Pa时, △Vp=±0.001m/s, 引入的测量不确定度分量;
当动压为 (40±0.7) Pa时, △Vp=±0.002m/s, 引入的测量不确定度分量;
当动压为 (250±0.7) Pa时, △Vp=±0.005m/s, 引入的测量不确定度分量:
通过计算, 因大气压力测量不准在高风速段造成的实际风速误差较大。
假定的不可信度为20%, 则自由度
4 合成标准不确定度评定
4.1 标准不确定度各分量如表2所示
4.2合成标准不确定度的计算
因各分量彼此独立, 所以合成不确定度为:
当风速在 (0.2<4.32<5.0) m/s范围段:cu (△V) ≈0.06m/s (m/s)
当风速在 (5.0<7.30<10.0) m/s范围段:cu (△V) ≈0.03m/s (m/s)
当风速在 (10<20.25<30.0) m/s范围段:cu (△V) ≈0.03m/s (m/s)
4.3合成标准不确定度的有效自由度
合成标准不确定度的有效自由度effν由下式计算:
当风速在 (0.2<4.32<5.0) m/s范围段:veff≈4
当风速在 (5.0<7.30<10.0) m/s范围段:veff≈5
当风速在 (10<20.25<30.0) m/s范围段:veff≈5
5 扩展不确定度的评定
取置信概率p=95%, 将有效自由度νeff分别对照t分布表查得
则扩展不确定度为
6 测量不确定度结果报告
经分析, 本检定装置检定结果的扩展不确定度为
当风速在 (0.2~5.0) m/s范围段:vs=4.32m/s;U95=0.15 m/s;effν=4.0
当风速在 (5.0~10.0) m/s范围段:vs=7.30m/s;U95=0.08 m/s;effν=5.0
当风速在 (10~30.0) m/s范围段:vs=20.25m/s;U95=0.08 m/s;effν≈5.0
7 结论
经过分析可以看出在矿用风速表校准过程中不确定度产生的主要来源于由风洞中的气流不均匀性和不稳定性造成的测量重复性误差引入的测量不确定度, 在低速段0.2m/s~5.0m/s尤为明显, 因此在实际校准工作中首先要确保供电电压稳定性, 室内空气要确保不产生扰动, 风洞的两端距离墙的位置要满足规程的要求, 仪器设备要有足够的稳定时间, 这样才能使矿用风速表的校准不确定度降低到最小。
参考文献
[1]国家计量检定规程.矿用风速表.JJG (煤炭) 01-96.
矿井多功能风速测量仪的研制 第4篇
1 仪器研制背景及意义
矿井中的风速是一项重要的工作参数, 风速过高会增加巷道通风阻力、使煤尘飞杨、对人体健康不利;风速太低, 容易使防止巷道或工作面中的风流呈紊流状态对生产作业不利。此外, 温度、烟雾浓度、瓦斯气, 煤气、一氧化碳等可燃性气体也是影响矿山安全生产的重要因素, 矿井安全事故中通常都会伴随着温度、烟雾深度、及一氧化碳等可燃性气体浓度的变化。因此, 对这这些环境变量的监测预警可以有效防止和减少矿井火灾、透水、煤与瓦斯突出、气体中毒等安全事故的产生, 对于保障矿山安全生产具有重大意义。
2 仪器基本原理
仪器主要实现的功能有风速测量、温度测量、多种可燃性气体的监测预警, 为了实现这些功能, 我们采用了多种多样的电子元器件主要有电阻、导线、温度传感器、一氧化碳传感器、对管, 另外, 还用到了码盘、焊接棒和电阻测量计等测量元件。仪器的核心模块主要有三处, 传感器模块 (MQ-2和MQ-7气体传感器、温度传感器) 、风速轮和码盘、K60单片机和显示屏, MQ-2和MQ-7分别用来实现对烟雾和一氧化碳的监测, K60则对数据进行处理, 并且将信号最终输出到不同显示器件上。
利用MQ-2和MQ-7传感器模块实现对矿井中的烟雾、煤尘及瓦斯气, 煤气、一氧化碳、氢气、液化气等可燃性气体的监测预警
对于温度测量, 采用了常见的温度传感器测量, 并将测量值转换为电信号, 经K60单片机处理后在显示屏上输出。温度传感器和单片机的工作原理如图3所示, 温度传感器有三个管脚, 分别接地、接电源正极、和K60单片机的PTC7管脚, 实现对周围环境的温度监测。并且通过12864显示器输出显示温度的测量值。
风速的测量是一个比较复杂的过程, 用到了单片机和码盘等元件, 为了实现对风速的准确测量, 整个系统比较复杂, 但其具体原理却比较简单。就如常用的风扇一样, 当风吹动风扇转动时, 其转速与风速的大小存在一个确定的关系。我们设计一个小型的风轮, 将其对着来风方向即可转动, 事先用标准仪器进行校准, 模拟出风轮转速与风速的关系式。由于风轮与k60单片机相连, 于是就可以通过关系式就可以计算出风速了。
3 仪器性能
经过实验检验, 该仪器具有以下功能:
3.1 能够准确的测试出风速值, 经与标准仪器比较其误为1%。
3.2 对烟雾、煤尘及液化气、丙烷、氢气、天然气等可燃气体有很
高的检测灵敏度, 对丙烷、丁烷、氢气的检测灵敏度为大于30ppm, 对co检测灵敏度更是低到了10ppm, 一旦环境中的气体浓度超过临界值, 系统即会报警, 且临界值可以根据环境要求设置。
3.3 能够实时的测量出测试环境的温度, 经过与标准仪器对比其误差为0, 5%。
4 仪器创新点
4.1 不仅能够对风速进行测量, 还同时进行了温度的测量, 对矿井的生产生活有重大的意义。
4.2 利用风扇码盘对管输入系统, 具有极大的创造性, 很好的解决了转速与风速之间的关系。
4.3 利MQ-2和MQ=7传感器对多种可燃性气体进行监测警, 对于防止和减少矿山灾害有重大的意义。
4.4 风速仪小巧轻便便于携带, 采用包装盒设计, 能够有效防止外部环境干扰内部工作电路, 能够经受比较恶劣的矿井环境, 且内置元件寿命比较长, 耐用性好。
4.5 K60单片机的管脚具有多个功能, 在测量风速的同时还能处理其他信号, 扩展能力强:比如还可以对温度传感器、CO传感器、湿度传感器、烟雾传感器的物理信号进行处理, 从而得到矿井的更多工作参数。
4.6 一次可以测量多个环境参数, 真正实现了多功能, 改变了以往测量任何一项指标均需要专门仪器的过程, 也降低了成本。
5 仪器实际意义及应用前景
我们设计出的矿井多功能风速测量仪能够准确地测量矿井风速, 通过测量的风速确定矿井风速是否处于安全生产范围内, 以便能及时调节巷道风速, 为矿山安全生产提供保障。在测量风速同时, 对矿井中的温度监测, 有效预知火灾等矿井灾害也可以让矿井管理者根据井下的温度情况更好的安排工人的作业, 确保良好的工作环境。此外, 还能对矿井中的甲烷、丙烷、一氧化碳浓度、氢气等可燃性气体及烟雾浓度作实时监测, 一旦其浓度超过安全值即会报警, 从而有效减少矿井灾害和安全事故的产生, 减少人员伤亡和财产损失。
除了功能丰富实用外、我们将全套仪器用耐压塑盒包装, 外设电源总并关, 采用可充电池供电, 装置小巧轻便易于携带, 能够适应矿山复杂的工作环境, 且与实现相同功能的传统设备比, 成本大大降低, 且节省能源对环境污染小, 符合当前发展需要。因此, 可以预见该设备将有广阔的应用前景。
总之, 虽然测量风速、温度、烟雾浓度、一氧化碳浓度等均有专门的测量仪器, 都各有特点, 但是使用起来不方便, 且成本太高, 因此, 我们设计的多功能风速测量仪, 能够同时测风速、温度并对烟雾浓度、煤尘浓度、瓦斯气、煤气、一氧化碳等可燃性气体进行监测预警。装置测量精度高, 灵敏度好, 适用范围广, 能够准确测定矿井环境工作参数、防止和减少火灾、瓦斯突出、气体中毒等安全事故。仪器使用方便、成本较低、功能实用非常容易在矿山推广使用。
参考文献
[1]李晓林, 牛昱光, 阎高伟, 等.单片机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社.
[2]贾萍, 别文群, 朱云鹏, 等.单片机原理与应用[M]北京:广东高等教育出版社.
[3]谢中鹏, 王凯, 宋晓燕, 等.矿井通风与安全[M].北京:化学工业出版社.
矿用风速表测量不确定度评定分析 第5篇
关键词：矿用风速表,测量不确定度,评定分析
根据相应文献的具体要求, 无论是计量标准的新建还是重新考核, 都需要对其测量不确定度进行评定。这项工作不仅仅是相关考核中的关键内容, 而且难度相对较大。本文主要对矿用风速表在测量不确定度的评定过程中所起到的作用和使用流程进行概述, 并对其中可能存在的问题进行针对性探讨。
1 不确定度的相关评定和试验方法
根据JJG (煤炭) 01-96号《矿用风速表》中对于计量检定的规程要求, 风洞中的工作环境温度应在5℃~35℃之间, 测试室的环境温度为20±5℃ (检定一块风表环境的温度变化在1℃以内) , 并利用矿用的风洞给出稳定、均匀的风速流场对风表进行检定, 并通过对大气压力表和精密温度计的运用获取准确的大气参数, 进而进行空气密度的相应计算。同时, 使用微差压计监测皮托管所感受到的流场风的流动压值, 并与空气密度值相结合, 计算出流场相应的实际风速, 最后再将得出的世纪风速和风表上的显示值拟合, 得出风表的曲线公式, 进而实现整个的间接测量。
根据相应检定规程中的要求, 风速表放置在风洞中时需要与气流的轴向垂直, 启动风机后, 运用递增法进行风速的调节, 按照上述过程, 建立相应的数学模型[1]。实际的风速公式如下:
在本式中, VS取实际的风速值;N为第二工作段和第一工作段的平均风速之比;p为实际的动压值, 单位为帕;ρ取空气密度, 单位为千克每立方米;ξ则是皮托管的校准系数。
2 数学模型
基本误差计算公式:ΔV=VZ-VS
即用被测的风速表显示值减去实际的风速值。
3 各个输入量不确定度的相关评定
3.1 输入量VZ不确定度的评定
Vz不确定度的主要来源是风表的重复性测量所引入的。通过A类方法进行相应判定时, 测量环境为:环境温度为20℃, 大气压力为100 875 Pa, 在15 m/s这一测量点上反复做10次重复测量, 所得数据为:15.12、15.18、15.19、15.14、15.16、15.15、15.21、15.12、15.17、15.22, 则, 单次的测量试验偏差为0.011 m/s。
3.2 输入量Vs不确定度的评定
输入量的不确定度主要来自于测量动压高精度的微差压传感器、皮托管、温度传感器以及大气压力表四个设备所引入的不确定度组成。
3.3 高精度的微差压传感器所引入的不确定度
由于标准装置的东亚之所采用的是高精度的微差压传感器, 通过上级检定部门的检定所得, 最大的允许误差值为2.0 Pa, 。由于微差压传感器的允许误差在整个测量范围之内是不变的, 伴随着风速下降, 差压相对的误差值也会增大, 所以要想确保测量结果在一定的风速测量范围内仍有相当合理的、能接受的精确度, 就必须选择5 m/s作为低速段的测量下限风速。所以得出:
3.4 皮托管所引入的不确定度
据相关规定中的说明, 标准装置所使用的皮托管的最大误差应在0.5%以下, P的值取99%。因其探头相对于气流来向而言的偏斜也会造成误差, 在偏斜角度在3°以下时, 所造成的差压值为0.3%, 且呈均匀态分布[2]。经过上级检定部门的检定之后, 校准系数为1, 扩展不确定度的值为0.02 m/s, k=1.984, 所以由皮托管所引入的不确定度的值为:
3.5 温度传感器所引入的不确定度
在用标准装置对温度进行测量时所使用的温度传感器经过上级检定部门的相关检定后, 所得的U=0.5℃, k=2, 所以温度传感器所引入的不确定度的值为:
3.6 大气压力表所引入的不确定度
对大气压力进行测量时所采用的大气压力表经过上级检定部门的检定, 所得最大误差为200Pa且均匀分布, k的值为3, 所以不确定度的值计算得:
3.7 输入量VS不确定度的计算
由于输入量的各个影响量彼此并不互相关联, 且装置的第二工作段的风速值是第一工作段的2倍。由
3.8 各不确定度的分量汇总
(1) 风速表重复性测量值为0.035 m/s;
(2) 高精度的微差压传感器所引入的不确定度为0.03 m/s;
(3) 皮托管所引入的不确定度为0.01 m/s;
(4) 温度传感器所引入的不确定度为0.003 3 m/s;
(5) 大气压力表所引入的不确定度为3.7×10-4m/s。
由此可得出, 由于温度传感器及大气压力表所引入的不确定度值很小, 所以可以忽略, 因此这个项目中的不确定度最终合成为0.034 m/s, 扩展不确定度中取K=2, 则最终U=0.068 m/s (K=2) 。
4 一般计算方法
4.1 对独立误差源所进行的列举和辨识
技术人员需要通盘考量环境、方法、人员以及所用的测量仪器等综合因素, 尽可能找到所有的有可能导致风速表的检定测量不确定度的来源, 例如:测量方法是否理想, 定义是否完整, 取样是否具有代表性、鉴定过程是否受到了环境的影响、微压计计量性能是否完好以及读数是否存在人为的偏移、所引用的常数近似值的不确定性、检定方法的假设和近似, 等等。之后, 再通过对各个独立误差源进行列举和辨识, 实现独立变量清单的最终确定。
各个公式中的量值并不是完全独立的, 因此我们需要通过对每个量进行独立、多步的检验才能确定这些量的独立变量。在不同的情况下, 变量的不确定度能对流量的测量产生截然不同的影响作用。在检验的过程中, 需要对每一次所出现的变量都给出其对应值, 检验工作应一直进行到所给出的变量都已是独立量为止[3]。
4.2 确定误差的性质
一旦随机效应所导致的不确定度部分涉及到特定独立量的相关确定时, 就有可能转化成系统效应, 造成新的不确定度, 而转化与否便取决于这个独立量的情况。所以, 考虑到独立变量本身的不确定度而非独立变量本身对检定过程的影响有着非常重要的作用。经过转化而来的不确定度伴随着试验条件的变化也在不断发生着改变, 一般情况下只需要考虑转化而来的固定不变的不确定度即可。
4.3 不确定度的判定
由于B类的不确定度需要根据相关的信息来进行判定, 所以在一般情况下, B类不确定度很大程度上取决于我们选用的计量标准。在实际试验中, 某个变量的不确定度能够对风表的量值造成多次的系统性影响, 我们并没有办法明确到底是哪些变量能够造成哪个方向的系统恒定性误差, 所以必须对每种情况都进行单独检验。
5 合成标准不确定度时的评定
通过将上述各个计算得出的标准不确定度的分量值按照公式进行合成标准不确定度的计算, 可以得出合成不确定度的值为2.954%。
6 对于扩展不确定度的相关判定
根据前文所计算出来的合成标准不确定度、各标准不确定度的分量、相对应的自由度分量, 按照韦尔奇-萨特思韦特公式能够得出, 最终的合成标准不确定度所具有的有效自由度的值为1501。
7 在对测量不确定度进行评定时需要注意的相关问题
测量不确定度的评定关键在于能否按照文献中相应的要求严格执行。
(1) 在概述部分所进行测量原理、仪器原理的介绍, 应该依照相应的技术标准和规范, 做到简洁明了;
(2) 在建立好评定时用到的数学模型之后, 相应的计算必须将所依据和参考的公式都列出来, 并对每一个变量和单位的使用和引入都进行相应的解释;
(3) 在整个过程中, 还需要找到对测量结果影响最大的不确定度分量进行相应的分析, 比如:标准器的安装和示值误差、标准器稳定性的影响、检定器误差、被检定仪器的读数误差、对计算数据修约过程中所造成的误差等等, 对于这些引起误差的不确定度分量, 需要对其性质和构成进行细致分析, 确保实现归类的正确和层次的分明。
8 结语
在相关的计量检定规程所规定的相应检定条件下, 选用不同的矿用风速表时应选取不同的不确定度评定方法。本文对矿用风速表对测量不确定度的评定进行了相应的分析, 以期能够为以后企事业单位和工作人员对其进行应用时能够更加得心应手, 最大化实现预期效果。
参考文献
[1]赵镇川.矿用风速表示值误差的测量不确定度评定[J].价值工程, 2013 (17) :287-288.
[2]黄蕊, 党选发, 宋媛, 等.风速检定装置不确定度的评定[J].气象水文海洋仪器, 2011, 28 (3) :28-30.
风速测量 第6篇
关键词：磨煤机,一次风速,动压测速,测量
0 引言
在电站锅炉的运行中，对于四角布置的直流燃烧器，其风量和煤粉量分配的均匀性对锅炉安全和经济运行有着重要的意义。燃烧器保持适当的一、二次风风速是建立良好的炉内空气动力工况和稳定燃烧的必要条件。国内三十万以上机组直吹式制粉燃烧系统广泛采用静压测量间接监视风粉情况。由于静压无法反映一、二次风喷口的流动速度和状况[1]，随着电站锅炉向大容量和高参数发展，加之煤质多变，再用静压来作为运行人员监测的手段已不能适应大机组安全和经济运行的需要。所以，为运行人员提供可靠的实时监测燃烧器运行参数(风速、风温)已显得十分迫切和重要。
贵溪电厂300MW机组的一次风测速系统经常出现测量装置磨损及堵塞的情况，维护工作量很大。需要对一次风速系统进行研究与改进，直接指导运行人员进行燃烧配风的定量调整，以实现节能降耗的目标。
1 设备介绍
贵溪电厂2300MW机组锅炉为东方锅炉厂制造的DG-1025/17.5-Ⅱ4型亚临界参数、四角切圆燃烧、自然循环汽包炉。#5、#6炉为直吹式制粉系统，共有五层一次风管。锅炉采用单炉膛∏型露天布置，燃用烟煤，一次中间再热，平衡通风，固态排渣，全钢架、全悬吊结构，炉顶带金属防雨罩。
2 问题分析
贵溪电厂300WM机组的磨煤机一次风速系统，采用传统的监测静压值(即监测一、二次风风道的静压值)的方式，由于静压无法反映一、二次风喷口的流动速度和状况，这种监测方式对锅炉运行和燃烧配风调整是不科学不合理的。对一、二次风速的调整和控制，没有准确的监测装置，运行人员就无法对锅炉运行进行有效的燃烧调整。锅炉处于配风不均的状况下运行，严重时引起火焰中心偏斜，燃烧不稳，从而导致灭火放炮，局部结焦及炉管爆漏，锅炉热效率降低[2]。一次风堵管事故也经常发生。这些问题已严重地危及机组的安全和经济运行。在煤种逐年变差、煤价逐年增长的今天，向机组要效益，向燃烧要效益，降低煤耗，提高锅炉燃烧效率才是提升电厂经济效益的最重要的途径。
针对磨煤机一次风速系统存在的问题，为保证热工自动化设备和系统的安全、可靠运行，该厂对一次风速测量系统进行了技术改造。
3 技术改进
磨煤机出口各一次风风速的测量研究项目主要是突破测量气固二相流体流速流量的测量难题，既要长期在线准确测量，又要避免测量系统的堵塞和磨损[1]。为了解决上述难题，我们在各风粉管上加装一套含尘气流测速传感装置，该装置测得的动压经差变送器转换成4～20mA的标准信号送到DCS，经数据处理后，可长期在线显示各一次风风速的大小(用数字和模拟棒图显示)。
3.1 一次风动压测量
一次风测速采用LDWC-Ⅲ型测速装置，经标定的测速元件输出的差压△H，经差压变送器转换成4～20mA的标准电流信号，并送到数据采集卡和A/D卡，经工控机数据处理后为一次风的动压值△H。选择微差压变送器量程为0～400pa，静压20 Kpa。变送器采用24VDC供电，提供4～20mA电流输出，设有通讯接口。
3.2 温度测量
由于风速与空气的密度有关，空气的密度又与其温度有关，所以必须测量空气的温度才能得出空气的密度。温度信号的测量采用优质的铠装Pt100热电阻或K型热电偶，将电阻信号经温度变送器转换为4～20mA标准电流信号送工控机进行计算处理，得出空气的密度ρ。测温元件的护套采用特种硬质合金耐磨套管，特种耐磨测温元件测量一次风混合温度可保证使用5年以上。
ρ=1.293273/ (273+t)
ρ空气密度, kg/m3;
t空气温度, ℃.
3.3 风速计算
实测到动压和空气密度后，根据伯努里流体方程即可得出喷口的风速值。
W=1.415Kdsqrt (△H/ρ)
W喷口风速值，m/s;
Kd测速装置的标定系数;
△H差压值, Pa;
ρ空气密度，kg/m3.
3.4 煤粉浓度μ计算：
C风及煤粉的热容;
t1热风温度;
t2煤粉温度;
t3风粉混合物温度;
f (t1, t2, t3) 工况修正函数.
以上工作完成后，开启一次风机和引风机，对各测速装置进行标定，以求得实际的速度修正系数。
4 一次风速测量系统改进后的功能
改进后的一次风速测量系统具备了以下几个特点：
1)监测功能：该装置能长期在线监测喷口的风速、差压、温度、煤粉浓度等值，数据准确可靠，显示直观，既有光柱模拟显示，又有数字循环显示，可为运行人员提供燃烧配风调速的依据。
2)报警功能：运行中如风速、温度高于或低于设定的上、下限值，则光柱变色(由蓝变红)报警显示。
3)标定功能：对所配的差压和温度变送器，系统可现场在线模拟标定，从而消除了信号传输误差，使测量精度大为提高。
4)历史趋势记录：可对重要的各一次风风速的前三天运行数据用历史趋势图给予记录，便于一次风堵管事故的分析及处理。
5)数据设置功能：各测速管速度修正系数、风速低报警值、模拟光柱显示量程及画面的色彩，可根据实际情况随时更改和设置。
6)断电保护功能：系统内的参数和数据不会因断电而丢失。
7)防堵防磨功能：不需增加定期吹扫系统就可实现免维护、免吹扫。
5 结束语
贵溪电厂改进后的磨煤机一次风速测量控制系统，DCS系统功能齐全，现场有良好的试验条件。贵溪电厂在#6炉D磨一次风量测量上已经使用了一套新颖文丘里测风装置。通过该装置的投用及运行人员的精心调整，达到了预期的技术经济指标：一次风风速的测速装置测量误差不大于1%，微差压变送器测量精度小于±0.1%，煤耗在原来的基础上下降0.5%～1%。运行人员可根据煤种负荷及燃烧状况的变化，及时发现及调整配风工况，使锅炉长期处于安全经济的状况下运行，可有效降低机械不完全燃烧热损失及排烟热损失，从而降低煤耗，节约能源等，具有明显的经济效益和社会效益，是火力发电厂热工风速测量系统改造的发展方向。
参考文献
[1]肖凌涛, 李军, 周学忠.中速磨煤机入口一次风量测量误差的处理[J].热力发电, 2002 (4)
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