惡劣環(huán)境下礦用壓差風(fēng)速傳感器關(guān)鍵技術(shù)

劉 鵬，鄒德東

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

目前煤礦井下應(yīng)用的風(fēng)速傳感器大多采用超聲波原理和差壓原理，由于壓差原理的風(fēng)速傳感器具有設(shè)計簡單、抗干擾能力強、靈敏度高等特點，逐漸成為風(fēng)速傳感器市場的主流產(chǎn)品[1]。

煤礦井下環(huán)境惡劣，巖壁的凹凸不平帶來的風(fēng)流不穩(wěn)定；環(huán)境粉塵和濕度較大，易堵塞傳感器入口；高壓或變頻設(shè)備頻繁啟動帶來的電磁干擾。對傳感器的示值穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性產(chǎn)生不良影響[2]。屈世甲等在《巷道風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)實時處理方法》中使用拉依達準(zhǔn)則對傳感器進行數(shù)據(jù)過濾處理，目的是減少巷道有人、車經(jīng)過時的感染數(shù)據(jù)，但是該方法實時性較低，有時間延遲；蔣澤等在《一種礦用皮托管式風(fēng)速傳感器設(shè)計》中介紹了傳感器的壓差式原理的設(shè)計方法；其他未查詢到有關(guān)風(fēng)壓差式風(fēng)速傳感器的全面穩(wěn)定性因素分析及改進。為此,通過對以上因素剖析，改進傳感器硬件的設(shè)計、EMC優(yōu)化和軟件的濾波算法優(yōu)化，實現(xiàn)了傳感器輸出風(fēng)速的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并給出解決方案。

1 風(fēng)速傳感器運算模型及電原理

風(fēng)速傳感器一般由顯示單元、聲光報警單元及信號傳輸單元、CPU運算控制單元、前端取壓裝置、電源拓?fù)浼氨Ｗo單元組成。

其中前端取壓裝置采用的是S型皮托管結(jié)構(gòu)組件，皮托管的迎風(fēng)側(cè)可以通過風(fēng)壓信號采集傳感器獲得當(dāng)前空氣流動的全壓pq，而此時背風(fēng)側(cè)也會獲得一定的壓力數(shù)據(jù)稱為靜壓pj，從而獲得此時當(dāng)前風(fēng)速的動態(tài)壓力pd。

將獲得的動態(tài)風(fēng)壓信號通過式（2）進行計算獲得實際風(fēng)速值ν。

式中:υ為 真實風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；pd為動態(tài)壓力，Pa；ξ為皮托管系數(shù)[3]。

風(fēng)速傳感器電原理圖如圖1。

圖1 風(fēng)速傳感器電原理圖Fig.1 Schematic diagram of wind speed sensor

傳感器硬件電路設(shè)計主要包含CPU控制器單元T1、晶振電路單元T2、紅外遙控單元T3、傳感器模塊單元T4、電源電路單元T5、LED數(shù)碼管單元T6、CAN輸出電路單元T7、CAN通訊隔離電源單元T8、CAN信號隔離單元T9、程序調(diào)試接口單元T10等。

主要從皮托管的優(yōu)化設(shè)計，傳感器線路板的抗電磁干擾能力設(shè)計，軟件濾波算法3方面進行闡述，解決風(fēng)速傳感器使用過程中示值不穩(wěn)定,誤差范圍大的問題。

2 皮托管的優(yōu)化設(shè)計

風(fēng)速傳感器一般布置在采煤工作面進風(fēng)巷、掘進工作面進風(fēng)的分風(fēng)口。因此風(fēng)速傳感器需要長期暴露在煤礦井下潮濕和高粉塵濃度的環(huán)境中，連續(xù)監(jiān)測井下巷道各監(jiān)測點的風(fēng)速值[4]。

傳統(tǒng)S型皮托管皮設(shè)計的壓力入口S1和S2直徑一般是5 mm左右，在實際應(yīng)用中存在以下2個問題：①由于取壓口S1和S2孔徑與獲取風(fēng)壓面大小緊密相關(guān)，因此當(dāng)測點S1點的風(fēng)壓波動導(dǎo)致風(fēng)速傳感器測值的頻繁波動顯示；②由于環(huán)境中的水蒸氣或水霧會在傳感器外殼表面凝結(jié)形成水滴，延設(shè)備表面之上而下滑落，當(dāng)水滴滑落到風(fēng)速傳感器皮托管的S1或S2取壓口時會因水分子的張力而吸附在端口上，同樣潮濕的空氣中夾雜的粉塵顆粒會在S1或S2口處堆積，這2種情況都會因堵塞端口而無法準(zhǔn)確的傳導(dǎo)外部風(fēng)壓給測壓元件，導(dǎo)致風(fēng)速傳感器測值誤差增大甚至失效。

為解決以上問題，對風(fēng)速傳感器的皮托管進行優(yōu)化設(shè)計，改進型皮托管正視圖如圖2。

圖2 改進型皮托管正視圖Fig.2 Front view of modified pitot tube

3 傳感器的EMC設(shè)計

風(fēng)速傳感器需要布置在掘進工作面和采煤工作面等地點，由于周邊部署大的機電設(shè)備或變壓、變頻設(shè)備，以及各種動力電的頻繁啟動和停止，此類工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的頻點多，頻率跨度大，諧波分量較多，且輻射強度大，電壓脈沖及浪涌嚴(yán)重[5]。電磁干擾會影響風(fēng)速傳感器敏感元件檢測風(fēng)壓的準(zhǔn)確度，因此提高傳感器EMC設(shè)計測試要求及等級對傳感器示值的準(zhǔn)確度有重要的意義。

風(fēng)速傳感器的EMC設(shè)計主要從傳感器電源接口和傳感器信號輸出接口以及PCB線路板的布局3方面進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 電源接口的EMC設(shè)計

圖2中T5為傳感器的本安電源輸入端口，由R37、D21、R31、GDT2、R39、C18、C19、L9、L10組 成 電 磁 兼 容保護電路，實現(xiàn)浪涌防護、靜電防護、EFT、傳導(dǎo)、輻射。其中壓敏電阻R37與空氣放電管D21組合主要泄放接口輸入的較大電壓和電流。R31、R39壓敏電阻與空氣放電二極管GDT2組合形成防浪涌沖擊和瞬態(tài)脈沖保護電路。其中GDT2的公共端連接外殼并接大地，C18、C19為Y型電容當(dāng)電路中有靜電介入時通過Y電容釋放到大地，對電路板起到靜電保護作用。D24、D25是瞬態(tài)穩(wěn)壓二極管（TVS）與R60形成穩(wěn)壓電路，TVS管的選擇要接近電源輸入端電壓，以確保在低電壓波動范圍內(nèi)能夠迅速啟動，R60電阻功率選擇要足夠大，電阻依據(jù)負(fù)載電流特性選擇盡量小的電阻，同時TVS選擇要達到設(shè)計通流量，保護電流不應(yīng)達到TVS管的最大通流量。電感L9與L10具有抗浪涌和瞬變電壓脈沖的作用，但是電感量的選擇要滿足本質(zhì)安全電路設(shè)計要求：①電感線圈電流要滿足電路中電流最大值的1.5倍；②選擇空心電感，防止在過電流作用下發(fā)生磁飽和；③電感線圈選擇單層繞制，減少寄生電容提高對暫態(tài)過電壓的承受能力；④電感線圈的電感量要適中不能超過本質(zhì)安全電路設(shè)計要求。

3.2 CAN通訊端口EMC防護方案

傳感器采用CAN總線方式進行與中心站的通訊，CAN總線設(shè)計包含圖2中的T7、T8、T93部分。

圖2中U8為CAN收發(fā)器，采用TI公司的有靈活數(shù)據(jù)速率的故障保護CAN收發(fā)器TCAN1042H，支持經(jīng)典CAN和2 Mbps CAN FD短暫且對稱的傳播延遲時間以及針對增強型時序裕量的快速循環(huán)時間。在有負(fù)載CAN網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。靜電放電（ESD）為±16 kV；IEC ESD保護為±15 kV[6]。

CAN總線信號的隔離通過快速光電耦合器U7、U9實現(xiàn)，電源的隔離采用隔離電源T8進行隔離。硬件電路采用先進的瞬態(tài)阻斷單元TBU、氣體放電管GDT2和TVS組合形成。當(dāng)輸入口有高電壓或者大電流涌進時TBU單元能夠迅速切斷信號入口與后續(xù)電路的聯(lián)系，保護后續(xù)電路免受浪涌的沖擊；同時又能迅速恢復(fù)連接，氣體放電管GDT2主要是將當(dāng)瞬變電壓達到GDT2火花放電電壓時，GDT2將從高阻抗關(guān)閉狀態(tài)切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT成為虛擬短路，提供瞬變開路電流接地泄放路徑，將瞬變沖擊電流從受保護器件上轉(zhuǎn)移開。同TVS組合能夠防止瞬態(tài)電壓沖擊和靜電干擾。

共模電感L8主要是消除總線上的共模干擾，由于不同類型的CAN收發(fā)器可能會帶有共模抑制器，此時可以通過電阻R12進行短接。

3.3 PCB線路板的EMC設(shè)計

線路板布局要盡量保持大的爬電距離；線寬盡量寬防止瞬態(tài)電流過大燒毀走線；在每個集成電子器件的電源入口增加0.1～10μF的旁路電容，消除線路紋波，并且保證旁路電容距離電源入口最近。采用的傳感器盡量選擇I2C通訊或USART的數(shù)字端口的模塊，這樣抗干擾能力較強，同時對重要的信號線如CAN總線進行差分走線；線路板做好鋪銅設(shè)計，注意走線和鋪銅之間的距離最好為1.5倍線寬。

傳感器通過：①GB/T 17626.2—2006靜電放電抗擾度測試規(guī)定，嚴(yán)酷等級4級A類；②GB/T 17626.3—2016電磁輻射抗擾度測試規(guī)定，嚴(yán)酷等級為3級A類；③GB/T 17626.4—2008脈沖群抗擾度測試規(guī)定，嚴(yán)酷等級為3級A類；④GB/T 17626.5-2008浪涌（沖擊）抗擾度規(guī)定，嚴(yán)酷等級為4級B類[7]。

4 慣性濾波算法的抗干擾設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和電磁兼容能力的提高可以提高風(fēng)速傳感器的測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但對于生產(chǎn)過程中人員走動和機車通過等瞬時干擾的風(fēng)速變化無法有效去除[8]，軟件上采用一階慣性濾波濾波算法則可以有效的解決這個問題。一階慣性濾波[9]數(shù)學(xué)模型如式（3）：

式中：T為惰性系數(shù)，s；ui（t）為t時刻輸入信號；uo（t）為t時刻輸出信號。

通過對慣性濾波原理的數(shù)學(xué)模型連續(xù)差分化的方法進行數(shù)字化求解[10]。

式中：uo（p-1）為p前一時刻的輸出信號幅值；uo（p）為p時刻的輸出信號幅值；λ為取值范圍為［0，1）的濾波系數(shù)。

可以發(fā)現(xiàn)濾波系數(shù)λ越小，濾波結(jié)果越平穩(wěn)，但是輸出信號的跟隨輸入信號的靈敏度越低；濾波系數(shù)λ越大，輸出信號跟隨輸入信號的靈敏度越高，但是濾波效果就越差。當(dāng)突變數(shù)據(jù)到達時，通過該算法不斷調(diào)整濾波系數(shù)λ，使突變數(shù)據(jù)得到抑制，防止數(shù)據(jù)突變，具有良好的效果[11]。濾波算法流程圖如圖3。

圖3 濾波算法流程圖Fig.3 Flow chart of filtering algorithm

5 結(jié)語

通過對礦用壓差式風(fēng)速傳感器的皮托管優(yōu)化設(shè)計和線路板及接口的電磁抗干擾能力的提高，風(fēng)速傳感器測試值的準(zhǔn)確度和抗溫濕度能力有了明顯改善；通過優(yōu)化一階慣性濾波算法有效能夠有效避免在生產(chǎn)過程中的工人和機車等在風(fēng)速傳感器附近運動過程中產(chǎn)生的瞬時風(fēng)速波動。通過實際應(yīng)用過程中檢驗發(fā)現(xiàn)，差壓式風(fēng)速傳感器在軟硬件的設(shè)計優(yōu)化后，風(fēng)速值在實際應(yīng)用中的偏差由±0.7 m/s縮小到±0.2 m/s；傳感器的示值穩(wěn)定性有了明顯提高，達到預(yù)期設(shè)計要求。