礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

李國偉

（山西華陽集團(tuán)新能股份有限公司通風(fēng)部， 山西 陽泉 045000）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要承擔(dān)著降低礦井內(nèi)工作面粉塵濃度和瓦斯?jié)舛鹊娜蝿?wù)，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(fēng)狀態(tài)由于巷道掘進(jìn)、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(fēng)參數(shù)包括風(fēng)量和風(fēng)壓的監(jiān)測對于及時(shí)調(diào)整通風(fēng)策略以保證掘進(jìn)、綜采的安全和效率尤為重要[1]。加之當(dāng)前對礦井風(fēng)量、風(fēng)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(yīng)用背景的基礎(chǔ)上，特設(shè)計(jì)一款可對礦井風(fēng)壓風(fēng)量等風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的裝置。

1 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓監(jiān)測原理分析

1.1 礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量監(jiān)測原理

目前，可適用于礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量監(jiān)測方法包括有基于風(fēng)速的直接測定、基于動(dòng)壓或靜壓的間接測定。

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

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

基于靜壓測定風(fēng)量是根據(jù)流體力學(xué)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(fēng)量。采用此種方式所測得數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確且穩(wěn)定。基于靜壓測定風(fēng)量的原理如圖1 所示。

圖1 基于靜壓測定巷道風(fēng)量

如圖1 所示，基于靜壓測定巷道風(fēng)量的核心在于將風(fēng)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(fēng)量。壓差與風(fēng)量的換算公式如式（1）所示：

式中：Q 為巷道的風(fēng)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(fēng)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(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測原理

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓指的是風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)的靜壓與出風(fēng)側(cè)靜壓的差值。煤礦綜采工作面通風(fēng)機(jī)一般選用抽出式通風(fēng)機(jī)，其對應(yīng)的通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：P 為通風(fēng)機(jī)的全壓；p1和p3為1-1 斷面和3-3斷面的靜壓值。

2 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)及聯(lián)合調(diào)試

2.1 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

結(jié)合礦井風(fēng)量風(fēng)壓兩項(xiàng)風(fēng)流參數(shù)的監(jiān)測原理，設(shè)計(jì)如圖2 所示的風(fēng)壓風(fēng)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 風(fēng)流參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置硬件組成框圖

如圖2 所示，實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測核心處理器為單片機(jī)，直接采集數(shù)據(jù)的裝置為差壓變送器。基于風(fēng)流參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置可完成信息的采集、傳輸、處理等功能[3]。同時(shí)，鑒于綜采工作面的環(huán)境相對惡劣，需對實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置進(jìn)行抗干擾隔離設(shè)計(jì)。

2.1.1 差壓變送器的選型

差壓變送器為實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的前端設(shè)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(yīng)用需求，本實(shí)時(shí)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(biāo)如表1 所示。

表1 HG1000 系列微差壓變送器指標(biāo)

2.1.2 單片機(jī)的選型

單片機(jī)為本實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的核心控制器。目前，工業(yè)上應(yīng)用的單片機(jī)普遍為8 位單片機(jī)，本實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置采用16 位單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[4]。本實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置需要選型兩類單片機(jī)，分別為主單片機(jī)和輔助單片機(jī)。

其中，主控單片機(jī)選用ATmega16 的單片機(jī)；輔單片機(jī)選用89C2051 型單片機(jī)，為了保證實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的精度和測量范圍的要求，為輔單片機(jī)匹配一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)量風(fēng)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(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置提供動(dòng)力。本裝置主要的用電裝置包括有單片機(jī)和微壓差變送器。其中，單片機(jī)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的功能完成相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)后，需對組件的實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試的主要目的是解決如下問題：測試實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的軟件和硬件是否能夠按照預(yù)期設(shè)定的功能運(yùn)行，測試其匹配性；測試實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中是否會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行紊亂、運(yùn)行延時(shí)，或者由于PCB 板的不合理所造成的相互干擾問題；測試實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的測試精度、準(zhǔn)確性和可靠性是否滿足最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求[5]。

結(jié)合上述調(diào)試任務(wù)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(dāng)輸入電壓值為2.5 V時(shí)，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(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表3 所示。

表3 實(shí)時(shí)風(fēng)量風(fēng)壓監(jiān)測裝置驗(yàn)證結(jié)果

如表3 所示，所設(shè)計(jì)的礦井風(fēng)壓風(fēng)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置對現(xiàn)場風(fēng)量和風(fēng)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)比不可少的分系統(tǒng)，其是預(yù)防工作面瓦斯、粉塵濃度超標(biāo)的重要系統(tǒng)。通風(fēng)機(jī)作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，其工作狀態(tài)直接反映當(dāng)前通風(fēng)方案的效果和可行性。為此，本文設(shè)計(jì)一款針對通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓風(fēng)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，重點(diǎn)對通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)下風(fēng)量和風(fēng)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(dāng)輸入電壓值為2.5 V 時(shí)，測量誤差幾乎為零，滿足要求。

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