微差壓變送器在主通風(fēng)機參數(shù)測量中的應(yīng)用

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，對通過負壓求風(fēng)量進行了計算，完成了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。

1、引言

        主通風(fēng)機是礦井的重要設(shè)備之一，擔(dān)負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)機的風(fēng)量是礦井通風(fēng)的一個非常重要的參數(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。

可變電容器的基本原理圖

(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微差壓變送器，完成壓力信號的采集和變送，如圖2所示。

壓力測量系統(tǒng)框架圖

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。

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(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，需要對其進行適當(dāng)修正。在該方法中，對長期試驗得出的數(shù)據(jù)進行回歸，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、計算機等。負壓測試采用多路共享A/D轉(zhuǎn)換方式完成對多個負壓值的測量，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)換元件進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，非常終經(jīng)過輸入/輸出(I/O)接口將數(shù)字量傳入主機。

          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行報警，保證足夠的工作風(fēng)量和風(fēng)壓。

計算機測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

6、結(jié)論

         該系統(tǒng)利用微差壓變送器對礦井主通風(fēng)機的風(fēng)量進行了準(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，維護和使用方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。