地铁隧道通风排烟风机排气量监测系统

张述杰，王进丹

（沈阳航空航天大学 辽宁 沈阳 110136）

地铁隧道中通风排烟设施的风机及其相关控制器需要定期检查，设施是否保持良好的性能是地铁安防至关重要的问题。隧道狭长、设备高置、人工检修与维护困难，该系统便会很好地解决以上难题。由公式E=V风×S面（V风表示风速，S面表示隧道横截面积，E表示排气量）可知，排气量的测量就是对风速的测量，风速的测量需要解决以下两个问题：1）超声波传感器结构的搭建，合理配置传感器架构才能准确测量风速。2）如何消除测量过程中产生的误差，以提高测量精度是至关重要的[1]。

1 原 理

系统采用发射端一只超声波传感器S，接收端两只超声波传感器R1、R2构成等腰三角形结构，如图1所示。其中R1、R2平行于隧道方向，设风速为V风。

这里假设风速方向为R2→R1，则：

图1 超声波传感器构架图Fig.1 Structure diagram of ultrasonic sensors

由公式（5）可知，只要精确测量出时间差Δt，就可以计算出风速V风，从而得出排气量E。

2 系统硬件电路的设计

系统结构图如图2所示。

系统的核心处理器采用ARM7系列的LPC213x，片上资源比较丰富，适合本系统[2]。发射电路：系统有ARM产生40 kHz的方波信号，一路经过时钟电路处理得到相同频率的正弦信号，经过发射电路的放大驱动超声波发射器发射超声波信号，另一路方波信号经过倍频电路将信号放大到4 MHz用以给A/D、FIFO提供时钟信号。接收电路：由超声波接收器接收超声波信号，经接收电路放大滤波，经A/D、FIFO采集超声波信号，ARM从FIFO读取数据并结合温度补偿计算出排气量，得到的结果由485总线送到上位PC机。

图2 地铁隧道通风排烟风机排气量监测系统结构图Fig.2 Structure diagram of detection system in subway tunnel exhaust fan displacement

2.1 超声波放射端电路

发射端电路如图3所示，ARM产生的40 kHz的方波信号送入L、C网络得到40 kHz的正弦波信号，送入由运算放大器构成的放大驱动电路，提高驱动能力，驱动超声波发生器产生连续的超声波信号。

图3 发射端电路图Fig.3 Circuit diagram of transmitting terminal

由于系统采要利用两路信号的相位差得到时间差进而得到排气量，所以统一时钟可以精确地同步信号采集处理，因而A/D、FIFO的采样时钟由ARM同一时钟产生的40 kHz信号经倍频电路提供。倍频电路采用高速锁相环将ARM产生的40 kHz信号倍频到4 MHz。

2.2 超声波接收端信号预处理电路

系统接收端预处理电路如图4所示。

图4 接收端信号预处理电路图Fig.4 Circuit diagram of receiver signal preprocessing

超声波经过空气传播到接收端时，信号一般为mV级别，并与噪声信号叠加到一起[3]。为了给A/D提供合适的输入电压并将初步滤除噪声干扰，这里采用两个运算放大器组成的放大、带通滤波电路，第一个运算放大器设计为LPF，第二个设计为HPF，得到中心频率为40 kHz的带通滤波电路。

2.3 超声波接收端信号采集电路

系统接收端信号采集电路如图5所示。

经过预处理电路的信号送到A/D转换器进行模数转换，本系统A/D转换器采用TLC5510A，是美国TI公司生产的8位高阻抗并行的模数转换器，单电源+5 V供电，最大采样频率20MSPS，输入量程2～4 V，TLC5510A采用半闪速结构及CMOS工艺，大大减少器件中比较器的数量，并在高速转换的同时能够保持较低的功耗，适合本系统的设计。高速采样后的数据直接提供给处理器处理，处理器处理不及时会造成数据丢失，所以先将数据先送入FIFO，处理器从FIFO中读取数据，处理后的数据最后经过串行通信总线送到上位机[4]。

3 系统软件设计

3.1 系统软件设计流程图

系统软件设计包括：超声波发射子程序、接收子程序、误差处理子程序、排气量计算子程序及数据串行通信子程序，程序流程图如图6所示。

系统由发射子程序控制发射电路发射超声波信号，延时一段时间使超声波信号趋于稳定后分两次接收两路超声波信号，将接收到的信号经过误差处理子、排气量计算子程序得到排气量结果，最后通过串行通信送到上位机，其中误差处理需要使用软件算法，可以有效提高测量精度[5]。本系统采用哥拉布斯与改进的相关算法结合的方法，有效剔除异常数据及高斯白噪声的干扰，很好地提高了测量精度。

3.2 信号处理算法

图5 接收端信号采集电路图Fig.5 Circuit diagram of receiver signal acquisition

图6 软件设计的流程图Fig.6 Flow chart the software design

由公式（6）可以看出，测量风速的精确度主要由 Δt、C、L 3个因素决定。

C:超声波传播速度C=331.5+0.607T，可以看出C主要与温度T有关，在系统设计中加入温度补偿，可以减少由C产生的误差。

L:主要由传感器的工艺制作有关，只能尽量提高工艺制造水平，另外，在理想无风的条件下，Δt=0，如果测试时不为零，可以在软件中加入补偿，以消除这部分误差。

Δt:这是本系统的核心部分。要准确测量时间差，需要剔除误差，误差主要包括3类：系统误差、随即误差、过失误差，其中过失误差对整个系统的测量精度影响最大，在进行数据处理时，首先应该剔除的也是过失误差[6]。本系统采用改进的格拉布斯准则对采样数据进行处理。

格拉布斯准则[7]：

g（n，α）是为与n、α有关的系数，可以通过查表得到相应的值，α为危险系数，也可以说是出现错误的概率，有3个值：1%，2.5%，5%，具体取值要看实际情况。

接收到的数据经过格拉布斯法则滤除过失误差后，再应用最小二乘法非线性校正法，进一步消除系统误差和随机误差，最终拟合成一个周期的有用信号。

Matlab验证算法仿真结果：

由表1可见，精确度都在1%以下，符合设计要求。

图7 两路信号处理对比图Fig.7 Contrast figure of Two signal processing

表1 仿真结果Tab.1 Simulation result

4 结 论

地铁隧道中的风速一般为20 m/s以下，试验证明，该系统适合地铁隧道中排烟风机排气量的监测，系统结合的软件算法很好地消除了测量过程中的误差，使得测量结果更加精确。

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