通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)的研發(fā)

曹旭光

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)西溝煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

引言

一直以來(lái)，煤礦安全生產(chǎn)備受企業(yè)和作業(yè)人員的關(guān)注。通風(fēng)系統(tǒng)為煤礦的“肺”，其可降低工作面的瓦斯、粉塵濃度，以保證相關(guān)指標(biāo)滿足《煤炭安全規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)值。瓦斯治理為煤礦通風(fēng)機(jī)的主要治理威脅源，近年來(lái)雖然在開(kāi)采前采取的瓦斯的預(yù)抽采措施可有效降低瓦斯?jié)舛?，但是，還需要通風(fēng)機(jī)時(shí)刻降低工作面的瓦斯?jié)舛萚1]。目前，通風(fēng)機(jī)未配置對(duì)工作面風(fēng)量、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)的功能，使得其無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)的系統(tǒng)化管理。本文將根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓監(jiān)測(cè)原理

結(jié)合理論基礎(chǔ)，本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)基于靜壓落差法的基本原理實(shí)現(xiàn)，其主要功能為對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的核心原理為對(duì)通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒的靜壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)靜壓值的換算得出通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)風(fēng)速和動(dòng)壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)量的測(cè)定[2]。具體實(shí)施路線：在通風(fēng)機(jī)的擴(kuò)散筒處的兩端安裝靜壓環(huán)，通過(guò)靜壓環(huán)對(duì)兩端的靜壓進(jìn)行測(cè)定，如圖1 所示。

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓為圖1 中截面的風(fēng)量和風(fēng)壓，基于靜壓差換算風(fēng)量和風(fēng)壓的計(jì)算公式如式（1）和式（2）所示。

式中：v2為橫截面2 處的風(fēng)速；f 為橫截面2 處的風(fēng)量；?p 為橫截面1 和橫截面2 的靜壓差值；μ 為能量損失系數(shù)；A2為橫截面2 處的面積；ρ 為空氣密度。

因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量測(cè)定的核心在于基于靜壓環(huán)對(duì)兩個(gè)截面靜壓的測(cè)定，故為通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)合理、有效的靜壓環(huán)十分重要。為了保證最終風(fēng)量、風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)多孔靜壓環(huán)對(duì)通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒前后的靜壓進(jìn)行測(cè)定，靜壓環(huán)與通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒的連接示意如圖2 所示。

圖2 多孔靜壓環(huán)與通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒連接示意圖

由圖2 可知，靜壓環(huán)的直徑為300 mm，短支管長(zhǎng)度為10 cm，短支管直徑為75 mm。

2 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

靜壓環(huán)為實(shí)現(xiàn)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定功能的核心。對(duì)于風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)而言，還需具備數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示以及報(bào)警等功能[3]。因此，本節(jié)基于“1”靜壓落差法從硬件和軟件兩個(gè)層面完成風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合測(cè)定系統(tǒng)的功能需求，其硬件結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖3 所示。

由圖3 可知，該測(cè)定系統(tǒng)以單片機(jī)為核心處理器，并為其配置的信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、上位機(jī)顯示器和報(bào)警器等。

圖3 風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

結(jié)合該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理需求和單片機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，綜合低功耗、多接口等要求，確定選用MSP430 型號(hào)的單片機(jī)。該型單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V，屬于低電壓，其功耗超低；該型單片機(jī)為16 位，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；該型單片機(jī)集成了高性能模擬技術(shù)，具備豐富的接口。根據(jù)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)的功能要求，為單片機(jī)端口配置不同功能[4]。其中，P1.2 接口為風(fēng)量信號(hào)輸出端口；P4.1 接口為風(fēng)壓信號(hào)輸出端口；P3.3 接口為報(bào)警信號(hào)輸出端口；P6.0 和P6.1 接口為靜壓信號(hào)采集端口；P3.0～P3.2 和P5.0～P5.7 接口為L(zhǎng)CD 控制端口。

根據(jù)測(cè)定系統(tǒng)各部件的用電需求，需要為該系統(tǒng)配置兩套供電電源。其中，一組為對(duì)壓力變送器進(jìn)行供電，鑒于工作面特殊的工作環(huán)境，為其配置MKD 輸出本質(zhì)安全型電源；另外一組對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行供電，該電源選用LJAS 型AC 轉(zhuǎn)DC 模塊電源，該電源模塊需要配置AS1117 芯片，實(shí)現(xiàn)電壓從5 V 到3.3 V的轉(zhuǎn)換。為保證系統(tǒng)的安全性，將圖3 中的各硬件組成均置于隔爆腔體內(nèi)。所配置的關(guān)鍵硬件如表1 所示。

表1 風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)硬件配置情況

2.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)為該測(cè)定系統(tǒng)的核心控制器[5]。因此，需基于單片機(jī)的運(yùn)行環(huán)境并結(jié)合測(cè)定系統(tǒng)的功能要求設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件流程。所設(shè)計(jì)的風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)的軟件總流程如圖4 所示。

圖4 風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)軟件總流程

3 風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)的調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)所設(shè)計(jì)的風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并對(duì)調(diào)試完成后系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓的測(cè)定的準(zhǔn)確性。

3.1 調(diào)試

針對(duì)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)的調(diào)試，分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。其中，軟件調(diào)試采用單片機(jī)仿真器進(jìn)行；硬件采用數(shù)字萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字示波器等進(jìn)行。經(jīng)調(diào)試，該系統(tǒng)的硬件和軟件均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可加裝于實(shí)際應(yīng)用中對(duì)其測(cè)量準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的載體為型號(hào)FBDY-2×30 的局部通風(fēng)機(jī)，將所設(shè)計(jì)的靜壓環(huán)根據(jù)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)安裝于擴(kuò)散筒的兩端，并為其連接所設(shè)計(jì)的風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)，對(duì)該型通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)定。所搭建的試驗(yàn)?zāi)M示意圖如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)組成圖

由圖5 可知，檢測(cè)平臺(tái)所測(cè)定的為通風(fēng)機(jī)的理論風(fēng)量和風(fēng)壓；測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)定的為實(shí)際風(fēng)量和風(fēng)壓。測(cè)量結(jié)果如下頁(yè)表2 所示。

由表2 可知，對(duì)通風(fēng)機(jī)兩種工況下的風(fēng)量和風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證得出：所設(shè)計(jì)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)所測(cè)定的風(fēng)量和風(fēng)壓兩類參數(shù)的相對(duì)誤差均在允許范圍之內(nèi)，其精度和穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2 風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通風(fēng)系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)必不可少的分系統(tǒng)，掌握通風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量和風(fēng)壓并對(duì)通風(fēng)機(jī)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況與工作面的實(shí)際通風(fēng)需求相匹配是十分重要的。因此，需要設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓的精準(zhǔn)測(cè)定。本文基于MSP430 單片機(jī)設(shè)計(jì)一套風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)定系統(tǒng)，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可知：基于該系統(tǒng)對(duì)風(fēng)壓的測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差可控制在±1.2%之內(nèi)；對(duì)風(fēng)量的測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差可控制在±0.5%之內(nèi)。