摘要：文章采用微差壓變送器作為壓力信號(hào)的采集元件，通過(guò)測(cè)量通風(fēng)機(jī)的負(fù)壓完成對(duì)鳳機(jī)風(fēng)量的測(cè)量，并分析了微差壓變送器的測(cè)量原理，正確選擇了風(fēng)壓采集方案，對(duì)通過(guò)負(fù)壓求風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算，完成了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。
1、引言
主通風(fēng)機(jī)是礦井的重要設(shè)備之一，擔(dān)負(fù)著向井下輸送足夠數(shù)量的新鮮空氣，以沖淡有害氣體的濃度和帶走飛揚(yáng)的煤塵，保證給井下作業(yè)的工人一個(gè)安全、可靠、良好的工作條件，井下風(fēng)量的大小與作業(yè)環(huán)境有密切的關(guān)系，因此，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是礦井通風(fēng)的一個(gè)#重要的參數(shù)之一。
現(xiàn)在很多礦井還采用傳統(tǒng)方式監(jiān)測(cè)井下風(fēng)量，通過(guò)讀取U形管中液壓差判斷井下風(fēng)量大小。西安科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于USB總線結(jié)構(gòu)的便攜式通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試分析虛擬儀器，采用測(cè)量風(fēng)速或動(dòng)壓來(lái)測(cè)量風(fēng)量。傳統(tǒng)方法測(cè)量準(zhǔn)確度受人為因素影響較大，不能連續(xù)測(cè)量，李曼等開(kāi)發(fā)的測(cè)量方法能夠自動(dòng)測(cè)量風(fēng)量，但測(cè)量元件和測(cè)量方法復(fù)雜，成本較高。本文采用微差壓變送器作為采集元件，通過(guò)自制的引壓裝置引壓，由計(jì)算機(jī)完成對(duì)風(fēng)量的采集和計(jì)算，完成對(duì)風(fēng)量的準(zhǔn)確采集和連續(xù)紀(jì)錄，同時(shí)完成相關(guān)預(yù)警等，保證對(duì)風(fēng)量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，該方法測(cè)量手段簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，成本相對(duì)較低，在礦井風(fēng)量測(cè)量中應(yīng)用前進(jìn)廣闊。
2、微差壓變送器的測(cè)量原理
微差壓變送器是一種電容式傳感器，以可變參數(shù)電容器作為傳感元件，將被測(cè)非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化，再通過(guò)測(cè)量線路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的非電量測(cè)量裝置。如圖1所示，平行板電容器電容量C為：C=εS/δ
式中：ε——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；
S——極板面積
δ——極板間的距離。
(1)式中任意一個(gè)量的改變都將使電容C隨之改變，因此，通過(guò)一定的測(cè)量電路將變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，即可確定被測(cè)量的大小。
微差壓變送器是由壓力傳感元件和壓力變送元件組成的，壓力傳感元件是將被測(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在δ元件(即敏感元件)的兩側(cè)隔離膜片上，通過(guò)隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測(cè)量膜片兩側(cè)。壓力變送元件是由測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器，當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí)，致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過(guò)振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號(hào)。
3、風(fēng)壓采集方案設(shè)計(jì)
要準(zhǔn)確的測(cè)量風(fēng)量，需要對(duì)風(fēng)峒中的實(shí)際風(fēng)流情況進(jìn)行準(zhǔn)確采集，引壓裝置在這里就顯得較為重要，筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇了中國(guó)礦業(yè)大學(xué)胡亞非教授發(fā)的引壓裝置，引壓裝置包括與風(fēng)道截面形狀相同的均壓管，通過(guò)固定架固定在風(fēng)道的風(fēng)峒?jí)ι�，均壓管上安置有若干個(gè)測(cè)壓頭，測(cè)壓頭垂直于風(fēng)道截面，且端頭平行于來(lái)流方向，均壓管內(nèi)的壓力信號(hào)通過(guò)測(cè)壓引出導(dǎo)管引出。
確定了引壓裝置，通過(guò)一定的引壓管路和濾配裝置即可將壓力信號(hào)引入三暢微差壓變送器，完成壓力信號(hào)的采集和變送，如圖2所示。
4、風(fēng)量的計(jì)算
由流體力學(xué)知識(shí)可知，在同一管路中，由于截面的改變帶來(lái)的壓力不同可求得風(fēng)機(jī)通過(guò)的風(fēng)量。在不考慮流動(dòng)損失時(shí)，由流體力學(xué)基本方程式：
式中
P-靜壓，Pa；
t-時(shí)間，s；
g-重力加速度，m/s；
ρ-空氣密度，kg/m；
v-風(fēng)流流動(dòng)速度，m/s；
l-風(fēng)流的流線長(zhǎng)度，m；
若視風(fēng)道中的風(fēng)流為定常流，那么沿流線積分為常數(shù)，并積分(2)式得：
式中：z-標(biāo)高，m；
對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在風(fēng)峒中標(biāo)高z不變，Zgρ項(xiàng)可以省略，則有：
上式表明：在流動(dòng)損失可以忽略的情況下，風(fēng)峒中各截面上的全壓相等，并且截面上的靜壓和動(dòng)壓可以相互轉(zhuǎn)化，動(dòng)能較大的截面靜壓較低，動(dòng)能較小的截面靜壓較高。根據(jù)這一原理，選擇兩個(gè)截面，一個(gè)在風(fēng)機(jī)人口集流器附近(定義為截面1)，一個(gè)在動(dòng)輪前集流罩處的環(huán)形空間上(定義為截面2)，截面1、2面積的變化使流經(jīng)氣流產(chǎn)生靜壓差，忽略1、2截面微小的流動(dòng)損失，由式(4)可得，1、2截面的靜壓差等于兩截面的動(dòng)壓差，即：
式中：qv——風(fēng)機(jī)流量，m3/s；
A1，A2——截面1、2的面積，m1；
△P——截面1、2的靜壓差，Pa。
式(6)證明了風(fēng)量是可以連續(xù)監(jiān)測(cè)的，但在實(shí)際工況條件下，存在紊流損失、測(cè)壓截面形狀不同等多種影響因素，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正。在該方法中，對(duì)長(zhǎng)期試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到如下經(jīng)驗(yàn)公式：
qv=c0+c1q+c2q+...cnq
式中c0、c1、c2、...、Cn為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定后得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，q為傳感器測(cè)得的信號(hào)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體要求，取不同的n值。
5、硬件及軟件設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)硬件包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、輸入/輸出接口電路、計(jì)算機(jī)等。負(fù)壓測(cè)試采用多路共享A/D轉(zhuǎn)換方式完成對(duì)多個(gè)負(fù)壓值的測(cè)量，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。多個(gè)模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器接入采樣/保持(S/H)器件，將待采集的信號(hào)送人多路開(kāi)關(guān)，多路開(kāi)關(guān)按照時(shí)頻接通各路信號(hào)，連接模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，#終經(jīng)過(guò)輸入/輸出(I/O)接口將數(shù)字量傳入主機(jī)。
三暢微差壓變送器將傳感器和采樣/保持元件集成，使用方便可靠。系統(tǒng)選用R8017數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，它集成了模擬多路開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換元件，一個(gè)模塊能夠同時(shí)采集8路模擬量信號(hào)。
I/O連接設(shè)備選用RS一232/RS一485轉(zhuǎn)換模塊，能夠完成采集模塊與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)連接。
系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件結(jié)合Visualc++6．0和Office2007等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要完成系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)量的定義，設(shè)備組態(tài)，通道連和調(diào)試，輸入信號(hào)預(yù)處理等工作。
軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)壓信號(hào)的準(zhǔn)確采集和風(fēng)量的準(zhǔn)確計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行自動(dòng)繪制，數(shù)據(jù)報(bào)表的生成。同時(shí)軟件系統(tǒng)還設(shè)置報(bào)警功能，對(duì)用戶(hù)要求的超限量進(jìn)行報(bào)警，保證足夠的工作風(fēng)量和風(fēng)壓。
6、結(jié)論
該系統(tǒng)利用微差壓變送器對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)量，較測(cè)量風(fēng)速和動(dòng)壓等測(cè)量風(fēng)量的方式有較大的創(chuàng)新。同時(shí)，該系統(tǒng)硬件設(shè)備用量少，連接方式簡(jiǎn)單，節(jié)約了硬件成本。系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，維護(hù)和使用方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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