地鐵隧道通風排煙風機排氣量監測系統

張述杰，王進丹

（沈陽航空航天大學 遼寧 沈陽 110136）

地鐵隧道中通風排煙設施的風機及其相關控制器需要定期檢查，設施是否保持良好的性能是地鐵安防至關重要的問題。隧道狹長、設備高置、人工檢修與維護困難，該系統便會很好地解決以上難題。由公式E=V風×S面（V風表示風速，S面表示隧道橫截面積，E表示排氣量）可知，排氣量的測量就是對風速的測量，風速的測量需要解決以下兩個問題：1）超聲波傳感器結構的搭建，合理配置傳感器架構才能準確測量風速。2）如何消除測量過程中產生的誤差，以提高測量精度是至關重要的[1]。

1 原 理

系統采用發射端一只超聲波傳感器S，接收端兩只超聲波傳感器R1、R2構成等腰三角形結構，如圖1所示。其中R1、R2平行于隧道方向，設風速為V風。

這里假設風速方向為R2→R1，則：

圖1 超聲波傳感器構架圖Fig.1 Structure diagram of ultrasonic sensors

由公式（5）可知，只要精確測量出時間差Δt，就可以計算出風速V風，從而得出排氣量E。

2 系統硬件電路的設計

系統結構圖如圖2所示。

系統的核心處理器采用ARM7系列的LPC213x，片上資源比較豐富，適合本系統[2]。發射電路：系統有ARM產生40 kHz的方波信號，一路經過時鐘電路處理得到相同頻率的正弦信號，經過發射電路的放大驅動超聲波發射器發射超聲波信號，另一路方波信號經過倍頻電路將信號放大到4 MHz用以給A/D、FIFO提供時鐘信號。接收電路：由超聲波接收器接收超聲波信號，經接收電路放大濾波，經A/D、FIFO采集超聲波信號，ARM從FIFO讀取數據并結合溫度補償計算出排氣量，得到的結果由485總線送到上位PC機。

圖2 地鐵隧道通風排煙風機排氣量監測系統結構圖Fig.2 Structure diagram of detection system in subway tunnel exhaust fan displacement

2.1 超聲波放射端電路

發射端電路如圖3所示，ARM產生的40 kHz的方波信號送入L、C網絡得到40 kHz的正弦波信號，送入由運算放大器構成的放大驅動電路，提高驅動能力，驅動超聲波發生器產生連續的超聲波信號。

圖3 發射端電路圖Fig.3 Circuit diagram of transmitting terminal

由于系統采要利用兩路信號的相位差得到時間差進而得到排氣量，所以統一時鐘可以精確地同步信號采集處理，因而A/D、FIFO的采樣時鐘由ARM同一時鐘產生的40 kHz信號經倍頻電路提供。倍頻電路采用高速鎖相環將ARM產生的40 kHz信號倍頻到4 MHz。

2.2 超聲波接收端信號預處理電路

系統接收端預處理電路如圖4所示。

圖4 接收端信號預處理電路圖Fig.4 Circuit diagram of receiver signal preprocessing

超聲波經過空氣傳播到接收端時，信號一般為mV級別，并與噪聲信號疊加到一起[3]。為了給A/D提供合適的輸入電壓并將初步濾除噪聲干擾，這里采用兩個運算放大器組成的放大、帶通濾波電路，第一個運算放大器設計為LPF，第二個設計為HPF，得到中心頻率為40 kHz的帶通濾波電路。

2.3 超聲波接收端信號采集電路

系統接收端信號采集電路如圖5所示。

經過預處理電路的信號送到A/D轉換器進行模數轉換，本系統A/D轉換器采用TLC5510A，是美國TI公司生產的8位高阻抗并行的模數轉換器，單電源+5 V供電，最大采樣頻率20MSPS，輸入量程2～4 V，TLC5510A采用半閃速結構及CMOS工藝，大大減少器件中比較器的數量，并在高速轉換的同時能夠保持較低的功耗，適合本系統的設計。高速采樣后的數據直接提供給處理器處理，處理器處理不及時會造成數據丟失，所以先將數據先送入FIFO，處理器從FIFO中讀取數據，處理后的數據最后經過串行通信總線送到上位機[4]。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件設計流程圖

系統軟件設計包括：超聲波發射子程序、接收子程序、誤差處理子程序、排氣量計算子程序及數據串行通信子程序，程序流程圖如圖6所示。

系統由發射子程序控制發射電路發射超聲波信號，延時一段時間使超聲波信號趨于穩定后分兩次接收兩路超聲波信號，將接收到的信號經過誤差處理子、排氣量計算子程序得到排氣量結果，最后通過串行通信送到上位機，其中誤差處理需要使用軟件算法，可以有效提高測量精度[5]。本系統采用哥拉布斯與改進的相關算法結合的方法，有效剔除異常數據及高斯白噪聲的干擾，很好地提高了測量精度。

3.2 信號處理算法

圖5 接收端信號采集電路圖Fig.5 Circuit diagram of receiver signal acquisition

圖6 軟件設計的流程圖Fig.6 Flow chart the software design

由公式（6）可以看出，測量風速的精確度主要由 Δt、C、L 3個因素決定。

C:超聲波傳播速度C=331.5+0.607T，可以看出C主要與溫度T有關，在系統設計中加入溫度補償，可以減少由C產生的誤差。

L:主要由傳感器的工藝制作有關，只能盡量提高工藝制造水平，另外，在理想無風的條件下，Δt=0，如果測試時不為零，可以在軟件中加入補償，以消除這部分誤差。

Δt:這是本系統的核心部分。要準確測量時間差，需要剔除誤差，誤差主要包括3類：系統誤差、隨即誤差、過失誤差，其中過失誤差對整個系統的測量精度影響最大，在進行數據處理時，首先應該剔除的也是過失誤差[6]。本系統采用改進的格拉布斯準則對采樣數據進行處理。

格拉布斯準則[7]：

g（n，α）是為與n、α有關的系數，可以通過查表得到相應的值，α為危險系數，也可以說是出現錯誤的概率，有3個值：1%，2.5%，5%，具體取值要看實際情況。

接收到的數據經過格拉布斯法則濾除過失誤差后，再應用最小二乘法非線性校正法，進一步消除系統誤差和隨機誤差，最終擬合成一個周期的有用信號。

Matlab驗證算法仿真結果：

由表1可見，精確度都在1%以下，符合設計要求。

圖7 兩路信號處理對比圖Fig.7 Contrast figure of Two signal processing

表1 仿真結果Tab.1 Simulation result

4 結 論

地鐵隧道中的風速一般為20 m/s以下，試驗證明，該系統適合地鐵隧道中排煙風機排氣量的監測，系統結合的軟件算法很好地消除了測量過程中的誤差，使得測量結果更加精確。

[1]TANG Hui-qiang， HUANG Wei-yi， LI Ping， et al.Ulrasonic wind velocity measurement based on DSP [J].Journal of Southeast University（English Edition），2005（5）：20-23.

[2]周立功，張華.深入淺出ARM7-LPC213x/214x[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3]李廣峰，劉枋，高勇.超聲波流量計的高精度測量技術[J].儀器儀表學報，2001（12）：644-647.

LI Guang-feng， LIU Fang， GAO Yong. Accurate measurement technology of the ultrasonic Flowmeter[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2001（12）：644-647.

[4]袁丁，余貴珍.基于高速A/D轉換器的視頻數據采集系統[J].電子設計工程，2011（1）：171-174.

YUAN Ding，YU Gui-zhen.Video acquisition system based on high speed A/D converter[J].Electronic Design Engineering，2011（1）：171-174.

[5]周杏鵬，仇國富，王壽榮.現代檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2004.

[6]趙懷林.微機測量與數據誤差處理方法 [J].電測與儀表，2002，5：33-36

ZHAO Huai-lin.The research on computer measuring and data errorprocessing[J].ElectricalMeasurementandInstrumentation，2002（5）：33-36.

[7]劉瑛，王超，魏功，等.臨床室內質控哥拉布斯法的改進[J].河南科技大學學報：自然科學版，2006（2）：75-78.

LIU Ying， WANG Chao.WEI Gong， et al.Clinical quality control method to improve grubbs test[J].Journal of Henan Univrsiry of Science and Technology:Natural Science，2006（2）：75-78.