Экспериментальное исследование переносного многофункционального интеллектуального датчика измерения ветра

Почему важно измерять ветры в шахтах

Глубокие подземные шахты зависят от постоянного притока свежего воздуха по длинным штрекам, чтобы защитить рабочих от пыли, жары и токсичных газов. Точное знание скорости этого воздуха так же важно, как знание артериального давления человека: слишком низкая — и накапливаются опасности; слишком высокая — и расходуется энергия впустую. Традиционные вращающиеся анемометры плохо переносят суровый, запылённый воздух шахт. В этом исследовании представлен новый переносной ультразвуковой датчик, который может измерять скорость и направление ветра точнее и надёжнее, помогая современным «умным» шахтам поддерживать безопасный и эффективный воздухообмен.

От вращающихся чашек к звуковым волнам

Десятилетиями шахты полагались на контактные приборы — чашечные и лопастные анемометры, горячие проволоки и трубки давления. Эти устройства напрямую контактируют с потоком и содержат движущиеся части или тонкие провода, которым приходится работать в агрессивной среде, полной пыли, влаги и вибраций. Они изнашиваются, засоряются и часто требуют визуального считывания показаний, что приводит к погрешностям. Новые бесконтактные приборы используют свет или звук, но в тесных неровных штреках их сигналы ослабляются и теряют точность. Авторы утверждают, что лучшее решение должно сочетать точность, прочность и способность работать в грязном, влажном воздухе — то, чего текущие инструменты не дают в полной мере.

Слушая ветер с помощью эхов

Новый датчик «слушает» ветер, а не отталкивается от него. Он посылает короткие ультразвуковые импульсы — звук выше порога слышимости человека — между небольшими передатчиками. Когда воздух неподвижен, звук проходит одинаковое время в обоих направлениях. При движении воздуха звук, движущийся по течению, ускоряется, а идущий против — замедляется. Сравнивая эти крошечные разницы во времени, устройство вычисляет как скорость, так и направление ветра. Исследователи испытали две схемы: прямую «лицом к лицу» и «отражённую», где звук отскакивает от малого отражателя и возвращается. В контролируемых испытаниях при низких скоростях отражённая схема снизила среднюю погрешность примерно на три четверти и сделала показания значительно стабильнее.

Испытание переносного датчика

Чтобы понять, как прибор работает в реалистичном потоке, команда построила замкнутый аэротоннель, создающий устойчивый низкоскоростной поток, похожий на тот, что в шахтных штреках. Они поместили датчик в центр и варьировали как скорость ветра, так и угол, под которым прибор был обращён к потоку. Когда лицевой экран датчика смотрел прямо в напор воздуха, показания наиболее точно соответствовали истинной скорости в тоннеле; поворот в бок увеличивал расхождение. Затем они картировали скорость воздуха по сетке точек в сечении тоннеля при разных скоростях на входе. Картина была физически осмысленной — быстрее в центре, медленнее у стен — и в пределах полезной области средняя погрешность датчика оставалась около плюс-минус 0,1 м/с, что точнее, чем требуют многие шахтные стандарты.

Проверка в реальных подземных штреках

Успех в лаборатории сам по себе недостаточен для оборудования, критичного для безопасности, поэтому исследователи занесли откалиброванный датчик в действующую угольную шахту. Там они разделили реальные сечения штреков на десятки небольших зон и измеряли в каждой скорость ветра переносным ультразвуковым прибором, одновременно снимая стандартные показания механического анемометра. Используя простую модель усреднённой скорости по всему сечению, они сравнили оба метода. В двух разных приточно-вытяжных штреках различия между традиционными и ультразвуковыми измерениями в основном были меньше 0,1 м/с, несмотря на то, что реальные штреки имели неправильную форму и более сложные поля скоростей, чем аэротоннель.

Что это значит для более безопасных и умных шахт

Проще говоря, исследование показывает, что переносной ультразвуковой датчик с отражённым звуком может «чувствовать» ветры в шахте с высокой точностью, даже при медленном движении воздуха и в запылённых, влажных условиях. За счёт тщательного выбора внутренней компоновки, учёта температуры и влажности и выравнивания датчика по потоку команда добилась надёжных показаний, хорошо согласующихся как с контролируемыми испытаниями, так и с традиционными полевыми приборами. Такой надёжный и точный мониторинг ветра — ключевой элемент интеллектуальных систем вентиляции, которые стремятся регулировать вентиляторы и потоки воздуха в реальном времени, повышая безопасность шахтёров и снижая энергопотребление.

Цитирование: Wang, Z., Wang, Y., Ni, Y. et al. Experimental study on portable multi-parameter intelligent wind measurement sensor. Sci Rep 16, 10934 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45567-1

Ключевые слова: вентиляция шахт, ультразвуковой анемометр, мониторинг потока воздуха, безопасность угольной шахты, опыты в аэротоннеле