热敏式风表风速测量参数优化

李亚俊，李印洪，吴洁葵，姚银佩

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院，长沙 410014；2. 非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，长沙 410014)

矿山井下通风系统是矿山安全生产的重要组成部分，井下作业地点风速(风量)是评价通风系统的重要指标之一[1]，现矿山井下通风系统测定主要是由测风人员手持测风仪器在某一断面测风，因此所测矿山井下风速(风量)是否客观、准确与测量设备和测量方法有密切关系，除了测风人员主观因素产生的测量误差外，另一个影响测定准确性的便是测量设备精度[2-3]。

矿井测风装置常用的有翼式风表、热敏式风表、皮托管风速仪等。由于翼式风表以叶轮转速标定风速，风速较小时叶轮无法启动，因此具有低风速无法测量的缺点；皮托管风速仪是微差计测量气流总压和静压以确定气流速度的装置，测量精度较高，但操作复杂，现场应用较少；热敏式风速仪是将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，操作简单，测量范围广，现已广泛应用于矿井风速测量，但由于其工作原理特殊，热线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后显示，测量精度难以把控。为了解决热敏式风速仪测量精度问题，提高矿井风速测量准确度，本文拟用试验研究、标定修正的方式，对热敏式风速仪测量结果进行修正，提高测量精度。

1 试验系统及试验方案

1.1 试验系统

为准确提高热敏式风速表测定精度，拟采用测定数值修正的方式提高热敏式风表测定精度，因此需要有稳定的可变的风流，及准确的风速标定对照值[4-6]。

为此，试验系统以低速风洞为基础并进行改进，试验系统见图1，图中装置由低速风洞和风速测定校正系统组成，低速风洞包括入风口及整流装置、低速测风口，高速测风口、风机、变频风速控制装置等，风速测定校正系统由补偿式压差计、数字微差计、皮托管、热敏式风表组成。

图1 试验测试系统装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 试验方案

实验原理是通过变频调节低速风洞的风机转速，获得不同档的稳定风量，以皮托管压差测量风速值为标准，对需标定设备进行标定。试验时通过低速风洞调节各段风速，分别用热敏式风表、补偿式压差计、数字微差计测定(计算)各风速数值，得到多组离散风速数值，对所得数据利用线性或非线性回归方式得到热敏式风表相对标定风量的修正系数，提高热敏式风表的测量精度[7]。

2 试验测试分析

2.1 试验测试

根据上述试验方案，连续调节低速风洞风速，测得(计算)各组风速值如表1所示。

从表中数据可看出补偿式压差计与微差计计算风速数值基本相同，热敏式风表较压差计计算数值大，风速越高误差越明显，从表中可看出第七组数据热敏式风表测得数据异常，剔除该组数据后将各组数据绘制成折线图，见图2所示。

表1 试验测定风速值

图2 试验测定数值折线图Fig.2 Line chart of test value

2.2 试验数据回归分析

根据上述测定数据分析，补偿式压差计与微差计计算风速数值基本一致，认定为测定风速准确值，我们以补偿式压差计所测准确值为目标值Y，热敏式风表所测值为待修正值X，做X值对于Y值的回归分析，得出X值对于Y值的一次、二次、三次幂回归方程，所得各回归方程如下：

一元一次回归方程为：

Y=0.7439X+0.3950(0

回归关系见图3。

图3 一次幂回归方程图Fig.3 The first power regression equation

一元二次回归方程为：

Y=-0.01747X2+1.0682X-0.2573 (0

回归关系见图4。

图4 二次幂回归方程图Fig.4 The second power regression equation

一元三次回归方程为：

Y=-0.00177X3+0.0029X2+0.7822X-0.0268 (0

回归关系见图5。

图5 三次幂回归方程图Fig.5 The third power regression equation

各回归方程的相关度与均方根误差值见表2。

表2 各回归方程回归相关度及均方根误差值

从回归相关度及均方根误差看，各次方回归分析都具有较高的可靠性，回归次幂越高其相关度越高，均方根误差越小，说明所得修正值越准确，以上各次幂回归方程可用不同精度要求的热敏式风表读数的修正，提高风速测量准确性。

2.3 修正参数试验验证

为进一步验证回归分析所得修正参数准确性，现利用试验装置随机设定3组风速值，对精度最低的一次回归方程参数进行验证，所得测量数值及修正值见表3。

表3 试验验证风速值

从验证试验结果看，应用一次幂回归方程参数对热敏式风表测得数据进行修正后，其测量准确度有了较大提高，应用修正参数对热敏式风表读数进行修正可较大地提高矿井风速测量精度。

3 结语

本文在低速风洞的基础上设计出风速测定校正系统，试验应用该系统测得风速准确值及热敏风表读数值，同时应用不同次幂回归分析的方式，得出热敏风表测量值与风速准确值间的各次幂回归方程及风表读数修正参数，并进一步对修正参数进行试验验证。验证结果显示，应用该修正参数对热敏式风表读数进行修正可显著提高矿井风速(风量)测定的准确性，降低矿井风速(风量)测定时设备误差值。