微差壓變送器在主通風機參數測量中的應用

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機的負壓完成對風機風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壓采集方案對通過負壓求風量進行了計算完成了系統硬件和軟件設計。
1引言
　　主通風機是礦井的重要設備之-,擔負著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,保證給井下作業的工人-個安全、可靠、良好的工作條件,井下風量的大小與作業環境有密切的關系,因此通風機的風量是礦井通風的一個最重要的參數之-。
　　現在很多礦井還采用傳統方式監測井下風量通過讀取U形管中液壓差判斷井下風量大小[]。西安科技大學開發的基于USB總線結構的便攜式通風機性能測試分析虛擬儀器采用測量風速或動壓來測量風量[2]。傳統方法測量精度受人為因素影響較大不能連續測量李曼等開發的測量方法能夠自動測量風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自制的引壓裝置引壓,由計算機完成對風量的采集和計算,完成對風量的正確采集和連續紀錄,同時完成相關預警等保證對風量的正確監測，該方法測量手段簡單結果正確可靠成本相對較低在礦井風量測量中應用前進廣闊。
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測量線路轉換為電信號輸出的非電量測量裝置[3]。如圖1所示平行板電容器電容量C為:

式中
ε--極板間介質的介電常數;
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-個電容器,當兩側壓力不一致時致使測量膜片產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振蕩和解調環節轉換成與壓力成正比的信號。
3風壓采集方案設計
　　要正確的測量風量,需要對風峒中的實際風流情況進行正確采集引壓裝置在這里就顯得較為重要根據經驗選擇了中國礦業大學胡亞非教授發明的引壓裝置,引壓裝置包括與風道截面形狀相同的均壓管,通過固定架固定在風道的風峒墻上均壓管上安置有若干個測壓頭測壓頭垂直于風道截面且端頭平行于來流方向均壓管內的壓力信號通過測壓引出導管引出。
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。

4風量的計算
　　由流體力學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機通過的風量。在不考慮流動損失時，由流體力學基本方程式:

　　式中p-靜壓,Pa;
t-時間S;
g-重力加速度,m/s2;
ρ-空氣密度.kg/m2;
v-風流流動速度,m/s;
1-風流的流線長度m;
　　若視風道中的風流為定常流那么沿流線積分為常數并積分(2)式得:

　　上式表明在流動損失可以忽略的情況下,風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。根據這--原理選擇兩個截面,--個在風機入口集流器附近(定義為截面1)一個在動輪前集流罩處的環形空間上(定義為截面2)截面1、2面積的變化使流經氣流產生靜壓差,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-風機流量,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)證明了風量是可以連續監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修正。在該方法中對長期試驗得出的數據進行回歸得到如下經驗公式:.

　　式中C0、C1、C2、….Cn為現場標定后得到的經驗系數q為傳感器測得的信號根據現場具體要求取不同的n值。
5硬件及軟件設計
　　計算機測試系統硬件包括傳感器、AD轉換器、輸入/輸出接口電路計算機等[5]。負壓測試采用多路共享AD轉換方式完成對多個負壓值的測量硬件系統結構如圖4所示。多個模擬量信號經過傳感器接入采樣1保持(S/H)器件將待采集的信號送入多路開關多路開關按照時頻接通各路信號連接模/數(AD)轉換元件進行相應的數據轉換最終經過輸入1輸出(I/O)接口將數字量傳入主機。
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。系統選用R8017數/模轉換模塊它集成了模擬多路開關和A/D轉換元件-一個模塊能夠同時采集8路模擬量信號。I/O連接設備選用RS-232/RS-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組態軟件結合VisualC++6.0和Ofice2007等軟件進行設計主要完成系統界面的設計數據量的定義,設備組態通道連和調試輸入信號預處理等工作。軟件系統實現了負壓信號的正確采集和風量的正確計算對系統數據曲線進行自動繪制數據報表的生成。同時軟件系統還設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量和風壓。

6結論.
　　該系統利用微差壓變送器對礦井主通風機的風量進行了正確的測量,較測量風速和動壓等測量風量的方式有較大的創新。同時該系統硬件設備用量少連接方式簡單節約了硬件成本。系統軟件開發簡單維護和使用方便具有廣泛的應用前景。