礦井通風機風量風壓實時監(jiān)測裝置的設計

李國偉

（山西華陽集團新能股份有限公司通風部， 山西 陽泉 045000）

引言

礦井通風系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要承擔著降低礦井內(nèi)工作面粉塵濃度和瓦斯?jié)舛鹊娜蝿?，保證瓦斯和粉塵濃度滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。但是，對于正在開采的礦井而言，現(xiàn)場的通風狀態(tài)由于巷道掘進、煤層開采以及巷道的封閉等因素處于變化狀態(tài)。因此，對礦井通風參數(shù)包括風量和風壓的監(jiān)測對于及時調(diào)整通風策略以保證掘進、綜采的安全和效率尤為重要[1]。加之當前對礦井風量、風壓等參數(shù)監(jiān)測手段的通用性、控制性以及抗干擾能力較差。因此，在上述綜合應用背景的基礎(chǔ)上，特設計一款可對礦井風壓風量等風流參數(shù)進行實時監(jiān)測的裝置。

1 通風機風量風壓監(jiān)測原理分析

1.1 礦井通風機風量監(jiān)測原理

目前，可適用于礦井通風機風量監(jiān)測方法包括有基于風速的直接測定、基于動壓或靜壓的間接測定。

基于風速直接測定是將測風儀安裝在巷道斷面內(nèi)，并將各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行處理后得到該巷道內(nèi)的風速，該種方式僅適用于臨時檢查使用，不適合長期對巷道風量的在線監(jiān)測。

基于動壓測定風量是通過皮托管和壓差計得出巷道斷面各點處的動壓值，而其后對所采集的動壓值進行處理[2]。采用此種方式的缺點為無法保證皮托管完全與巷道的風向?qū)?，最終導致測得數(shù)據(jù)不準確。

基于靜壓測定風量是根據(jù)流體力學伯努利方程，通過巷道不斷斷面之間的靜壓壓差換算得出風量。采用此種方式所測得數(shù)據(jù)最為準確且穩(wěn)定?；陟o壓測定風量的原理如圖1 所示。

圖1 基于靜壓測定巷道風量

如圖1 所示，基于靜壓測定巷道風量的核心在于將風壓差壓傳感器安裝于合理的位置，通過兩傳感器的壓差值換算得出巷道的風量。壓差與風量的換算公式如式（1）所示：

式中：Q 為巷道的風量；S1和S2分別為1-1 斷面和2-2 斷面的面積；ξ 為巷道局部的風阻系數(shù)；ρ 為巷道斷面空氣的平均密度；p1和p2為1-1 斷面和2-2 斷面的靜壓值。

1.2 礦井通風機風壓監(jiān)測原理

通風機的風壓指的是風機進風側(cè)的靜壓與出風側(cè)靜壓的差值。煤礦綜采工作面通風機一般選用抽出式通風機，其對應的通風機風壓計算公式如式（2）所示：

式中：P 為通風機的全壓；p1和p3為1-1 斷面和3-3斷面的靜壓值。

2 通風機風量風壓實時監(jiān)測裝置的設計及聯(lián)合調(diào)試

2.1 通風機風量風壓實時監(jiān)測裝置的設計

結(jié)合礦井風量風壓兩項風流參數(shù)的監(jiān)測原理，設計如圖2 所示的風壓風量實時監(jiān)測裝置總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 風流參數(shù)實時監(jiān)測裝置硬件組成框圖

如圖2 所示，實現(xiàn)礦井風流參數(shù)監(jiān)測核心處理器為單片機，直接采集數(shù)據(jù)的裝置為差壓變送器?；陲L流參數(shù)實時監(jiān)測裝置可完成信息的采集、傳輸、處理等功能[3]。同時，鑒于綜采工作面的環(huán)境相對惡劣，需對實時監(jiān)測裝置進行抗干擾隔離設計。

2.1.1 差壓變送器的選型

差壓變送器為實時監(jiān)測裝置的前端設備，主要是為信號采集提供窗口。也就是說，差壓變送器的精度、速度等性能直接決定本監(jiān)測裝置精度和監(jiān)測性能。因此，壓差變送器的選型需綜合測量范圍、測量功能、可靠性、使用環(huán)境和穩(wěn)定性等性能。結(jié)合礦井的應用需求，本實時監(jiān)測裝置采用型號為HG1000系列的微差壓變送器，該差壓變送器的具體指標如表1 所示。

表1 HG1000 系列微差壓變送器指標

2.1.2 單片機的選型

單片機為本實時監(jiān)測系統(tǒng)的核心控制器。目前，工業(yè)上應用的單片機普遍為8 位單片機，本實時監(jiān)測裝置采用16 位單片機對數(shù)據(jù)進行處理[4]。本實時監(jiān)測裝置需要選型兩類單片機，分別為主單片機和輔助單片機。

其中，主控單片機選用ATmega16 的單片機；輔單片機選用89C2051 型單片機，為了保證實時監(jiān)測裝置的精度和測量范圍的要求，為輔單片機匹配一個A/D 轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，實現(xiàn)對風量風壓的測量值的采集。

2.1.3 電源模塊的選型

電源模塊對整個實時監(jiān)測裝置提供動力。本裝置主要的用電裝置包括有單片機和微壓差變送器。其中，單片機的穩(wěn)定工作電壓為4.5～5.5 V；微壓差變送器的穩(wěn)定工作電壓為24 V。因此，為本裝置選型的電壓模塊具備提供24 V 和5 V 兩種電壓的能力。

因此，本實時監(jiān)測裝置選用線性穩(wěn)壓電源作為其電源模塊。

2.2 聯(lián)合調(diào)試

根據(jù)實時監(jiān)測裝置的功能完成相應的硬件和軟件設計后，需對組件的實時監(jiān)測裝置進行調(diào)試。調(diào)試的主要目的是解決如下問題：測試實時監(jiān)測裝置的軟件和硬件是否能夠按照預期設定的功能運行，測試其匹配性；測試實時監(jiān)測裝置在實際運行過程中是否會出現(xiàn)運行紊亂、運行延時，或者由于PCB 板的不合理所造成的相互干擾問題；測試實時監(jiān)測裝置的測試精度、準確性和可靠性是否滿足最初的設計指標要求[5]。

結(jié)合上述調(diào)試任務制定調(diào)試方案，并按照調(diào)試方案執(zhí)行，調(diào)試結(jié)果如下：

A/D 轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試結(jié)果如表2 所示。

表2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試結(jié)果

如表2 所示，本監(jiān)測裝置的A/D 轉(zhuǎn)換模塊的誤差可以控制在±0.5%之內(nèi)，而且當輸入電壓值為2.5 V時，測量誤差幾乎為0，滿足要求。

在上述調(diào)試通過的基礎(chǔ)上，分別對實時監(jiān)測裝置的測量結(jié)果進行驗證，驗證結(jié)果如表3 所示。

表3 實時風量風壓監(jiān)測裝置驗證結(jié)果

如表3 所示，所設計的礦井風壓風量實時監(jiān)測裝置對現(xiàn)場風量和風壓的監(jiān)測誤差可控制在0.4%以內(nèi)，滿足要求。

3 結(jié)論

礦井通風機系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)比不可少的分系統(tǒng)，其是預防工作面瓦斯、粉塵濃度超標的重要系統(tǒng)。通風機作為礦井通風系統(tǒng)的主要設備，其工作狀態(tài)直接反映當前通風方案的效果和可行性。為此，本文設計一款針對通風機風壓風量的實時監(jiān)測裝置，重點對通風機工作狀態(tài)下風量和風壓的監(jiān)測，經(jīng)調(diào)試可知：

1）本監(jiān)測裝置的A/D 轉(zhuǎn)換模塊的誤差可以控制在±0.5%之內(nèi)，而且當輸入電壓值為2.5 V 時，測量誤差幾乎為零，滿足要求。

2）礦井風壓風量實時監(jiān)測裝置對現(xiàn)場風量和風壓的監(jiān)測誤差可控制在0.4%以內(nèi)，滿足要求。