微差壓變送器在主通風(fēng)機(jī)參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

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)風(fēng)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-,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-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)最重要的參數(shù)之-。
　　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[2]。傳統(tǒng)方法測(cè)量精度受人為因素影響較大不能連續(xù)測(cè)量李曼等開發(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)量的正確采集和連續(xù)紀(jì)錄,同時(shí)完成相關(guān)預(yù)警等保證對(duì)風(fēng)量的正確監(jiān)測(cè)，該方法測(cè)量手段簡(jiǎn)單結(jié)果正確可靠成本相對(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[3]。如圖1所示平行板電容器電容量C為:

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-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)
　　要正確的測(cè)量風(fēng)量,需要對(duì)風(fēng)峒中的實(shí)際風(fēng)流情況進(jìn)行正確采集引壓裝置在這里就顯得較為重要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇了中國(guó)礦業(yè)大學(xué)胡亞非教授發(fā)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?jí)ι暇鶋汗苌习仓糜腥舾蓚€(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/s2;
ρ-空氣密度.kg/m2;
v-風(fēng)流流動(dòng)速度,m/s;
1-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:

　　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--原理選擇兩個(gè)截面,--個(gè)在風(fēng)機(jī)入口集流器附近(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,m/s;
　　A,A2-截面1、2的面積m;
　　△P1-2-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:.

　　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、AD轉(zhuǎn)換器、輸入/輸出接口電路計(jì)算機(jī)等[5]。負(fù)壓測(cè)試采用多路共享AD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1保持(S/H)器件將待采集的信號(hào)送入多路開關(guān)多路開關(guān)按照時(shí)頻接通各路信號(hào)連接模/數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最終經(jīng)過(guò)輸入1輸出(I/O)接口將數(shù)字量傳入主機(jī)。
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(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-232/RS-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Ofice2007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)的正確采集和風(fēng)量的正確計(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)行了正確的測(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)軟件開發(fā)簡(jiǎn)單維護(hù)和使用方便具有廣泛的應(yīng)用前景。