摘要：文章采用微差壓變送器作為壓力信號的采集元件，通過(guò)測量通風(fēng)機的負壓完成對鳳機風(fēng)量的測量，并分析了微差壓變送器的測量原理，正確選擇了風(fēng)壓采集方案，對通過(guò)負壓求風(fēng)量進(jìn)行了計算，完成了系統硬件和軟件設計。
1、引言
主通風(fēng)機是礦井的重要設備之一，擔負著(zhù)向井下輸送足夠數量的新鮮空氣，以沖淡有害氣體的濃度和帶走飛揚的煤塵，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)機的風(fēng)量是礦井通風(fēng)的一個(gè)#重要的參數之一。
現在很多礦井還采用傳統方式監測井下風(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(xiàn)結構的便攜式通風(fēng)機性能測試分析虛擬儀器，采用測量風(fēng)速或動(dòng)壓來(lái)測量風(fēng)量。傳統方法測量準確度受人為因素影響較大，不能連續測量，李曼等開(kāi)發(fā)的測量方法能夠自動(dòng)測量風(fēng)量，但測量元件和測量方法復雜，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，由計算機完成對風(fēng)量的采集和計算，完成對風(fēng)量的準確采集和連續紀錄，同時(shí)完成相關(guān)預警等，保證對風(fēng)量的準確監測，該方法測量手段簡(jiǎn)單，結果準確可靠，成本相對較低，在礦井風(fēng)量測量中應用前進(jìn)廣闊。
2、微差壓變送器的測量原理
微差壓變送器是一種電容式傳感器，以可變參數電容器作為傳感元件，將被測非電量變化轉換為電容量變化，再通過(guò)測量線(xiàn)路轉換為電信號輸出的非電量測量裝置。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；
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)一定的測量電路將變化量轉換為電信號輸出，即可確定被測量的大小。
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)的兩側隔離膜片上，通過(guò)隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側。壓力變送元件是由測量膜片與兩側絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器，當兩側壓力不一致時(shí)，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電容量就不等，通過(guò)振蕩和解調環(huán)節，轉換成與壓力成正比的信號。
3、風(fēng)壓采集方案設計
要準確的測量風(fēng)量，需要對風(fēng)峒中的實(shí)際風(fēng)流情況進(jìn)行準確采集，引壓裝置在這里就顯得較為重要，筆者根據經(jīng)驗選擇了中國礦業(yè)大學(xué)胡亞非教授發(fā)明的引壓裝置，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)峒墻上，均壓管上安置有若干個(gè)測壓頭，測壓頭垂直于風(fēng)道截面，且端頭平行于來(lái)流方向，均壓管內的壓力信號通過(guò)測壓引出導管引出。
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引入三暢微差壓變送器，完成壓力信號的采集和變送，如圖2所示。
4、風(fēng)量的計算
由流體力學(xué)知識可知，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(xiàn)長(cháng)度，m；
若視風(fēng)道中的風(fēng)流為定常流，那么沿流線(xiàn)積分為常數，并積分(2)式得：
式中：z-標高，m；
對礦井通風(fēng)系統來(lái)說(shuō)，在風(fēng)峒中標高z不變，Zgρ項可以省略，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。根據這一原理，選擇兩個(gè)截面，一個(gè)在風(fēng)機人口集流器附近(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)量是可以連續監測的，但在實(shí)際工況條件下，存在紊流損失、測壓截面形狀不同等多種影響因素，需要對其進(jìn)行適當修正。在該方法中，對長(cháng)期試驗得出的數據進(jìn)行回歸，得到如下經(jīng)驗公式：
qv=c0+c1q+c2q+...cnq
式中c0、c1、c2、...、Cn為現場(chǎng)標定后得到的經(jīng)驗系數，q為傳感器測得的信號，根據現場(chǎng)具體要求，取不同的n值。
5、硬件及軟件設計
計算機測試系統硬件包括傳感器、A/D轉換器、輸入/輸出接口電路、計算機等。負壓測試采用多路共享A/D轉換方式完成對多個(gè)負壓值的測量，硬件系統結構如圖4所示。多個(gè)模擬量信號經(jīng)過(guò)傳感器接入采樣/保持(S/H)器件，將待采集的信號送人多路開(kāi)關(guān)，多路開(kāi)關(guān)按照時(shí)頻接通各路信號，連接模/數(A/D)轉換元件進(jìn)行相應的數據轉換，#終經(jīng)過(guò)輸入/輸出(I/O)接口將數字量傳入主機。
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。系統選用R8017數/模轉換模塊，它集成了模擬多路開(kāi)關(guān)和A/D轉換元件，一個(gè)模塊能夠同時(shí)采集8路模擬量信號。
I/O連接設備選用RS一232/RS一485轉換模塊，能夠完成采集模塊與計算機的數據連接。
系統采用MCGS組態(tài)軟件結合Visualc++6．0和Office2007等軟件進(jìn)行設計，主要完成系統界面的設計，數據量的定義，設備組態(tài)，通道連和調試，輸入信號預處理等工作。
軟件系統實(shí)現了負壓信號的準確采集和風(fēng)量的準確計算，對系統數據曲線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)繪制，數據報表的生成。同時(shí)軟件系統還設置報警功能，對用戶(hù)要求的超限量進(jìn)行報警，保證足夠的工作風(fēng)量和風(fēng)壓。
6、結論
該系統利用微差壓變送器對礦井主通風(fēng)機的風(fēng)量進(jìn)行了準確的測量，較測量風(fēng)速和動(dòng)壓等測量風(fēng)量的方式有較大的創(chuàng )新。同時(shí)，該系統硬件設備用量少，連接方式簡(jiǎn)單，節約了硬件成本。系統軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，維護和使用方便，具有廣泛的應用前景。
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