摘要：文章采用微差壓變送器作為壓力信號的采集元件，通過測量通風(fēng)機(jī)的負(fù)壓完成對鳳機(jī)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，對通過負(fù)壓求風(fēng)量進(jìn)行了計算，完成了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。
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)的一個最重要的參數(shù)之一。
現(xiàn)在很多礦井還采用傳統(tǒng)方式監(jiān)測井下風(fēng)量，通過讀取U形管中液壓差判斷井下風(fēng)量大小。西安科技大學(xué)開發(fā)的基于USB總線結(jié)構(gòu)的便攜式通風(fēng)機(jī)性能測試分析虛擬儀器，采用測量風(fēng)速或動壓來測量風(fēng)量。傳統(tǒng)方法測量準(zhǔn)確度受人為因素影響較大，不能連續(xù)測量，李曼等開發(fā)的測量方法能夠自動測量風(fēng)量，但測量元件和測量方法復(fù)雜，成本較高。本文采用微差壓變送器作為采集元件，通過自制的引壓裝置引壓，由計算機(jī)完成對風(fēng)量的采集和計算，完成對風(fēng)量的準(zhǔn)確采集和連續(xù)紀(jì)錄，同時完成相關(guān)預(yù)警等，保證對風(fēng)量的準(zhǔn)確監(jiān)測，該方法測量手段簡單，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，成本相對較低，在礦井風(fēng)量測量中應(yīng)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(shù)電容器作為傳感元件，將被測非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化，再通過測量線路轉(zhuǎn)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(shù)；
S——極板面積
δ——極板間的距離。
(1)式中任意一個量的改變都將使電容C隨之改變，因此，通過一定的測量電路將變化量轉(zhuǎn)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(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。壓力變送元件是由測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器，當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時，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(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。
3、風(fēng)壓采集方案設(shè)計
要準(zhǔn)確的測量風(fēng)量，需要對風(fēng)峒中的實際風(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測壓頭，測壓頭垂直于風(fēng)道截面，且端頭平行于來流方向，均壓管內(nèi)的壓力信號通過測壓引出導(dǎo)管引出。
確定了引壓裝置，通過一定的引壓管路和濾配裝置即可將壓力信號引入仕樂克微差壓變送器，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的壓力不同可求得風(fēng)機(jī)通過的風(fēng)量。在不考慮流動損失時，由流體力學(xué)基本方程式：
式中
P-靜壓，Pa；
t-時間，s；
g-重力加速度，m/s；
ρ-空氣密度，kg/m；
v-風(fēng)流流動速度，m/s；
l-風(fēng)流的流線長度，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；
對礦井通風(fēng)系統(tǒng)來說，在風(fēng)峒中標(biāo)高z不變，Zgρ項可以省略，則有：
上式表明：在流動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壓可以相互轉(zhuǎn)化，動能較大的截面靜壓較低，動能較小的截面靜壓較高。根據(jù)這一原理，選擇兩個截面，一個在風(fēng)機(jī)人口集流器附近(定義為截面1)，一個在動輪前集流罩處的環(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截面微小的流動損失，由式(4)可得，1、2截面的靜壓差等于兩截面的動壓差，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)測的，但在實際工況條件下，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(dāng)修正。在該方法中，對長期試驗得出的數(shù)據(jù)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(xiàn)場標(biāo)定后得到的經(jīng)驗系數(shù)，q為傳感器測得的信號，根據(jù)現(xiàn)場具體要求，取不同的n值。
5、硬件及軟件設(shè)計
計算機(jī)測試系統(tǒng)硬件包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、輸入/輸出接口電路、計算機(jī)等。負(fù)壓測試采用多路共享A/D轉(zhuǎn)換方式完成對多個負(fù)壓值的測量，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。多個模擬量信號經(jīng)過傳感器接入采樣/保持(S/H)器件，將待采集的信號送人多路開關(guān)，多路開關(guān)按照時頻接通各路信號，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，最終經(jīng)過輸入/輸出(I/O)接口將數(shù)字量傳入主機(jī)。
仕樂克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關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換元件，一個模塊能夠同時采集8路模擬量信號。
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，主要完成系統(tǒng)界面的設(shè)計，數(shù)據(jù)量的定義，設(shè)備組態(tài)，通道連和調(diào)試，輸入信號預(yù)處理等工作。
軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了負(fù)壓信號的準(zhǔn)確采集和風(fēng)量的準(zhǔn)確計算，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行自動繪制，數(shù)據(jù)報表的生成。同時軟件系統(tǒng)還設(shè)置報警功能，對用戶要求的超限量進(jìn)行報警，保證足夠的工作風(fēng)量和風(fēng)壓。
6、結(jié)論
該系統(tǒng)利用微差壓變送器對礦井主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行了準(zhǔn)確的測量，較測量風(fēng)速和動壓等測量風(fēng)量的方式有較大的創(chuàng)新。同時，該系統(tǒng)硬件設(shè)備用量少，連接方式簡單，節(jié)約了硬件成本。系統(tǒng)軟件開發(fā)簡單，維護(hù)和使用方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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