礦井多功能風(fēng)速測量儀的研制

李斌等

摘 要：近年來，我國礦井災(zāi)害頻發(fā)，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，統(tǒng)計表明大部分的災(zāi)害事故均與溫度、風(fēng)速等幾個指標相關(guān)。我們想通過研制一種多功能的風(fēng)速儀，同時對礦井中的溫度、風(fēng)速、煙霧、煤塵及瓦斯氣，煤氣等常見的可燃性氣體進行預(yù)警，一旦其濃度指標發(fā)生異常就報警，從而做好相應(yīng)的防災(zāi)準備，以防止和減少火災(zāi)、瓦斯突出、氣體中毒等礦井事故。

關(guān)鍵詞：風(fēng)速儀；溫度測量；瓦斯監(jiān)測

近年來，我國礦山災(zāi)害事故頻發(fā)，不僅給礦山正常生產(chǎn)帶來了影響也造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，有效減少礦井災(zāi)害是采礦工作人員的無可推卸的責(zé)任。作者通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大部分的礦井災(zāi)害事故，都與礦井的溫度、風(fēng)速、粉塵煤塵、可燃性氣體這幾個因素密切相關(guān)，當這個幾個因素異常時也就是災(zāi)害發(fā)生的時候。因此，作者就想通過研制一種儀器，同時對這些因素進行監(jiān)測預(yù)警，從而達到減少礦井災(zāi)害的目的。

1 儀器研制背景及意義

礦井中的風(fēng)速是一項重要的工作參數(shù)，風(fēng)速過高會增加巷道通風(fēng)阻力、使煤塵飛楊、對人體健康不利；風(fēng)速太低，容易使防止巷道或工作面中的風(fēng)流呈紊流狀態(tài)對生產(chǎn)作業(yè)不利。此外，溫度、煙霧濃度、瓦斯氣，煤氣、一氧化碳等可燃性氣體也是影響礦山安全生產(chǎn)的重要因素，礦井安全事故中通常都會伴隨著溫度、煙霧深度、及一氧化碳等可燃性氣體濃度的變化。因此，對這這些環(huán)境變量的監(jiān)測預(yù)警可以有效防止和減少礦井火災(zāi)、透水、煤與瓦斯突出、氣體中毒等安全事故的產(chǎn)生，對于保障礦山安全生產(chǎn)具有重大意義。

2 儀器基本原理

儀器主要實現(xiàn)的功能有風(fēng)速測量、溫度測量、多種可燃性氣體的監(jiān)測預(yù)警，為了實現(xiàn)這些功能，我們采用了多種多樣的電子元器件主要有電阻、導(dǎo)線、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、對管，另外，還用到了碼盤、焊接棒和電阻測量計等測量元件。儀器的核心模塊主要有三處，傳感器模塊（MQ-2 和MQ-7氣體傳感器、溫度傳感器）、風(fēng)速輪和碼盤、K60單片機和顯示屏，MQ-2 和MQ-7分別用來實現(xiàn)對煙霧和一氧化碳的監(jiān)測，K60則對數(shù)據(jù)進行處理，并且將信號最終輸出到不同顯示器件上。

利用MQ-2和MQ-7傳感器模塊實現(xiàn)對礦井中的煙霧、煤塵及瓦斯氣，煤氣、一氧化碳、氫氣、液化氣等可燃性氣體的監(jiān)測預(yù)警

對于溫度測量，采用了常見的溫度傳感器測量，并將測量值轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)K60單片機處理后在顯示屏上輸出。溫度傳感器和單片機的工作原理如圖3所示，溫度傳感器有三個管腳，分別接地、接電源正極、和K60單片機的PTC7管腳，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的溫度監(jiān)測。并且通過12864顯示器輸出顯示溫度的測量值。

風(fēng)速的測量是一個比較復(fù)雜的過程 ，用到了單片機和碼盤等元件，為了實現(xiàn)對風(fēng)速的準確測量，整個系統(tǒng)比較復(fù)雜 ，但其具體原理卻比較簡單。就如常用的風(fēng)扇一樣，當風(fēng)吹動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的大小存在一個確定的關(guān)系。我們設(shè)計一個小型的風(fēng)輪，將其對著來風(fēng)方向即可轉(zhuǎn)動，事先用標準儀器進行校準，模擬出風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系式。由于風(fēng)輪與k60單片機相連，于是就可以通過關(guān)系式就可以計算出風(fēng)速了。

3 儀器性能

經(jīng)過實驗檢驗，該儀器具有以下功能：

3.1 能夠準確的測試出風(fēng)速值，經(jīng)與標準儀器比較其誤為1%。

3.2 對煙霧、煤塵及液化氣、丙烷、氫氣、天然氣等可燃氣體有很高的檢測靈敏度，對丙烷、丁烷、氫氣的檢測靈敏度為大于30ppm，對co檢測靈敏度更是低到了10ppm，一旦環(huán)境中的氣體濃度超過臨界值，系統(tǒng)即會報警，且臨界值可以根據(jù)環(huán)境要求設(shè)置。

3.3 能夠?qū)崟r的測量出測試環(huán)境的溫度，經(jīng)過與標準儀器對比其誤差為0，5%。

4 儀器創(chuàng)新點

4.1 不僅能夠?qū)︼L(fēng)速進行測量，還同時進行了溫度的測量，對礦井的生產(chǎn)生活有重大的意義。

4.2 利用風(fēng)扇——碼盤——對管輸入系統(tǒng)，具有極大的創(chuàng)造性，很好的解決了轉(zhuǎn)速與風(fēng)速之間的關(guān)系。

4.3 利MQ-2和MQ=7傳感器對多種可燃性氣體進行監(jiān)測警，對于防止和減少礦山災(zāi)害有重大的意義。

4.4 風(fēng)速儀小巧輕便便于攜帶，采用包裝盒設(shè)計，能夠有效防止外部環(huán)境干擾內(nèi)部工作電路，能夠經(jīng)受比較惡劣的礦井環(huán)境，且內(nèi)置元件壽命比較長，耐用性好。

4.5 K60單片機的管腳具有多個功能，在測量風(fēng)速的同時還能處理其他信號，擴展能力強：比如還可以對溫度傳感器、CO傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器的物理信號進行處理，從而得到礦井的更多工作參數(shù)。

4.6 一次可以測量多個環(huán)境參數(shù)，真正實現(xiàn)了多功能，改變了以往測量任何一項指標均需要專門儀器的過程，也降低了成本。

5 儀器實際意義及應(yīng)用前景

我們設(shè)計出的礦井多功能風(fēng)速測量儀能夠準確地測量礦井風(fēng)速，通過測量的風(fēng)速確定礦井風(fēng)速是否處于安全生產(chǎn)范圍內(nèi)，以便能及時調(diào)節(jié)巷道風(fēng)速，為礦山安全生產(chǎn)提供保障。在測量風(fēng)速同時，對礦井中的溫度監(jiān)測，有效預(yù)知火災(zāi)等礦井災(zāi)害也可以讓礦井管理者根據(jù)井下的溫度情況更好的安排工人的作業(yè)，確保良好的工作環(huán)境。此外，還能對礦井中的甲烷、丙烷、一氧化碳濃度、氫氣等可燃性氣體及煙霧濃度作實時監(jiān)測，一旦其濃度超過安全值即會報警，從而有效減少礦井災(zāi)害和安全事故的產(chǎn)生，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

除了功能豐富實用外、我們將全套儀器用耐壓塑盒包裝，外設(shè)電源總并關(guān)，采用可充電池供電，裝置小巧輕便易于攜帶，能夠適應(yīng)礦山復(fù)雜的工作環(huán)境，且與實現(xiàn)相同功能的傳統(tǒng)設(shè)備比，成本大大降低，且節(jié)省能源對環(huán)境污染小，符合當前發(fā)展需要。因此，可以預(yù)見該設(shè)備將有廣闊的應(yīng)用前景。

總之，雖然測量風(fēng)速、溫度、煙霧濃度、一氧化碳濃度等均有專門的測量儀器，都各有特點，但是使用起來不方便，且成本太高，因此，我們設(shè)計的多功能風(fēng)速測量儀，能夠同時測風(fēng)速、溫度并對煙霧濃度、煤塵濃度、瓦斯氣、煤氣、一氧化碳等可燃性氣體進行監(jiān)測預(yù)警。裝置測量精度高，靈敏度好，適用范圍廣，能夠準確測定礦井環(huán)境工作參數(shù)、防止和減少火災(zāi)、瓦斯突出、氣體中毒等安全事故。儀器使用方便、成本較低、功能實用非常容易在礦山推廣使用。

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