礦井多功能風速測量儀的研制

李斌等

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

關鍵詞：風速儀；溫度測量；瓦斯監測

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

1 儀器研制背景及意義

礦井中的風速是一項重要的工作參數，風速過高會增加巷道通風阻力、使煤塵飛楊、對人體健康不利；風速太低，容易使防止巷道或工作面中的風流呈紊流狀態對生產作業不利。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，對這這些環境變量的監測預警可以有效防止和減少礦井火災、透水、煤與瓦斯突出、氣體中毒等安全事故的產生，對于保障礦山安全生產具有重大意義。

2 儀器基本原理

儀器主要實現的功能有風速測量、溫度測量、多種可燃性氣體的監測預警，為了實現這些功能，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）、風速輪和碼盤、K60單片機和顯示屏，MQ-2 和MQ-7分別用來實現對煙霧和一氧化碳的監測，K60則對數據進行處理，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測預警

對于溫度測量，采用了常見的溫度傳感器測量，并將測量值轉換為電信號，經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，實現對周圍環境的溫度監測。并且通過12864顯示器輸出顯示溫度的測量值。

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

3 儀器性能

經過實驗檢驗，該儀器具有以下功能：

3.1 能夠準確的測試出風速值，經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，一旦環境中的氣體濃度超過臨界值，系統即會報警，且臨界值可以根據環境要求設置。

3.3 能夠實時的測量出測試環境的溫度，經過與標準儀器對比其誤差為0，5%。

4 儀器創新點

4.1 不僅能夠對風速進行測量，還同時進行了溫度的測量，對礦井的生產生活有重大的意義。

4.2 利用風扇——碼盤——對管輸入系統，具有極大的創造性，很好的解決了轉速與風速之間的關系。

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

4.4 風速儀小巧輕便便于攜帶，采用包裝盒設計，能夠有效防止外部環境干擾內部工作電路，能夠經受比較惡劣的礦井環境，且內置元件壽命比較長，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。

4.6 一次可以測量多個環境參數，真正實現了多功能，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 儀器實際意義及應用前景

我們設計出的礦井多功能風速測量儀能夠準確地測量礦井風速，通過測量的風速確定礦井風速是否處于安全生產范圍內，以便能及時調節巷道風速，為礦山安全生產提供保障。在測量風速同時，對礦井中的溫度監測，有效預知火災等礦井災害也可以讓礦井管理者根據井下的溫度情況更好的安排工人的作業，確保良好的工作環境。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測，一旦其濃度超過安全值即會報警，從而有效減少礦井災害和安全事故的產生，減少人員傷亡和財產損失。

除了功能豐富實用外、我們將全套儀器用耐壓塑盒包裝，外設電源總并關，采用可充電池供電，裝置小巧輕便易于攜帶，能夠適應礦山復雜的工作環境，且與實現相同功能的傳統設備比，成本大大降低，且節省能源對環境污染小，符合當前發展需要。因此，可以預見該設備將有廣闊的應用前景。

總之，雖然測量風速、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，我們設計的多功能風速測量儀，能夠同時測風速、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測預警。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境工作參數、防止和減少火災、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。

參考文獻

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