基于差壓原理的風(fēng)速風(fēng)向傳感器設(shè)計

豐 穎，苗可彬

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

目前，國內(nèi)煤礦井下用風(fēng)速傳感器多以超聲波渦街原理為主[1]，當(dāng)傳感器在高濕、高粉塵環(huán)境下使用時，超聲波探頭被水汽、粉塵覆蓋，測量數(shù)值下降；同時，超聲波風(fēng)速傳感器對微小風(fēng)不敏感[2]，其在低風(fēng)速段測量性能不理想；此外，單臺超聲波渦街原理的風(fēng)速傳感器無法實現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向的同時測量[3]。該設(shè)計中的風(fēng)速風(fēng)向傳感器基于差壓原理，利用皮托管與高精度差壓傳感器作為取壓裝置，單臺傳感器可同時測得風(fēng)速和風(fēng)向兩個參數(shù)[4-5]，并且硬件電路及軟件算法簡單、可靠，有較強的抗電磁干擾能力。此外，傳感器內(nèi)置角度傳感器，對風(fēng)速測量值進行角度補償，使得測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1 差壓式風(fēng)速傳感器測量原理

1.1 取壓裝置工作原理

該設(shè)計中的取壓裝置為S型皮托管，如圖1所示[6]。圖中A 管與B 管為對稱結(jié)構(gòu)，A 管與高精度微差壓傳感器的正壓口相連，B 管與高精度微差壓傳感器的負壓口相連。當(dāng)風(fēng)流方向為正風(fēng)時，差壓傳感器測得的值為正壓力值；當(dāng)風(fēng)流方向為反風(fēng)時，差壓傳感器測得的值為負壓力值。因此，可以根據(jù)微差壓傳感器輸出值的正負判斷當(dāng)前所測試的的風(fēng)流方向[7]。

圖1 取壓裝置

根據(jù)伯努利方程式，如果被測介質(zhì)的密度為ρ，則存在下列關(guān)系式：

式中，v為被測介質(zhì)流速，單位為m/s；P為流體靜壓，單位為Pa；P0為流體總壓，單位為Pa；ρ為流體密度，單位為kg/m3。

式（1）可以變形為：

所以v如式（3）所示：

式中，ΔP可由測得正負壓的微壓差傳感器結(jié)合信號處理電路獲得，單位為Pa；ρ為空氣密度，單位為kg/m3，在溫度T與壓力p狀態(tài)下空氣密度（kg/m3）為[8]：

式中，p為絕對壓力，單位為MPa；T為熱力學(xué)溫度，單位為K，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣密度，單位為kg/m3。

1.2 差壓信號采集電路

在常溫常壓下，根據(jù)式（4）可得空氣密度為：

風(fēng)速與差壓的關(guān)系為：

式中，v為風(fēng)速，單位為m/s；ΔP為差壓，單位為Pa。為了滿足MT448-2008《礦用風(fēng)速傳感器》中差壓式風(fēng)速傳感器量程15 m/s、基本誤差±0.2 m/s 的要求[9]，該設(shè)計選用霍尼韋爾生產(chǎn)的型號為SSCDDRN 250LD2A3 的高精度微差壓傳感器采集差壓信號，該傳感器測量范圍為±250 Pa，輸出信號為I2C 數(shù)字信號。該傳感器具有CRC 校驗功能，通過校驗可直接濾除采集到的受干擾的數(shù)據(jù)。

1.3 角度補償

由于安裝環(huán)境及固定位置的局限性，風(fēng)速傳感器的進風(fēng)口很難與風(fēng)流方向始終保持一致，從而導(dǎo)致風(fēng)速值測量的不準(zhǔn)確。該設(shè)計在風(fēng)速測量時加入了角度補償算法，在傳感器進風(fēng)口與風(fēng)流方向存在角度偏差的情況下，仍可準(zhǔn)確測量風(fēng)速值的大小。

該設(shè)計采用GY-25 角度傳感器測量傳感器進風(fēng)口與風(fēng)流方向之間的夾角。該傳感器是一款低成本傾斜度模塊，測量范圍為-180°～180°，測量精度為1°，分辨率為0.01°。其工作原理是將加速度傳感器測得的角度與陀螺儀測得的角度進行數(shù)據(jù)融合，最后得到最優(yōu)的角度數(shù)據(jù)[10]。GY-25 角度傳感器可同時測出航向角、俯仰角和橫滾角，如圖2所示，其中沿x軸旋轉(zhuǎn)的叫橫滾角，沿y軸旋轉(zhuǎn)的叫航向角，沿z軸旋轉(zhuǎn)的叫俯仰角。該模塊以串口TTL 電平全雙工方式與控制器或上位機進行通信，輸出波特率為9 600 bps 與115 200 bps，具有連續(xù)輸出與詢問輸出兩種方式[11]。該設(shè)計中采用9 600 bps，輸出方式選用連續(xù)輸出。

圖2 GY-25角度傳感器檢測軸

角度補償示意圖如圖3 所示，使用時，傳感器通常圍繞z軸旋轉(zhuǎn)，假設(shè)傳感器圍繞z軸旋轉(zhuǎn)θ，那么根據(jù)式（7），補償后的風(fēng)速值為：

圖3 角度補償示意圖

2 風(fēng)速測量的實現(xiàn)方案

2.1 硬件部分設(shè)計

該設(shè)計中的風(fēng)速傳感器由取壓裝置、微控制器、差壓傳感器、角度傳感器、顯示與聲光報警模塊、485 及CAN 總線信號輸出模塊等組成。其中微控制器使用STM32F103 系列單片機，差壓傳感器使用霍尼韋爾生產(chǎn)的SSCDDRN250LD2A3，其與微控制器通過I2C 進行通信，角度傳感器采用GY-25，其與微控制器通過串口通信[12]，硬件原理框圖如圖4所示。

圖4 硬件原理框圖

主控制器采用STM32F103C8T6 系列微控制器。該微控制器是基于ARM Cortex-M3 的CPU，硬件電路設(shè)計如圖5 所示[13]。

圖5 硬件電路設(shè)計

電源模塊的抗電磁干擾設(shè)計電路主要由防浪涌電路實現(xiàn)。防浪涌電路主要包括保險絲、放電管及TVS 管，當(dāng)電源輸入端出現(xiàn)過壓時，TVS 能以納秒級的響應(yīng)速度快速吸收電源進線上的尖峰脈沖，從而防止內(nèi)部元器件的損壞[14]。

數(shù)據(jù)采集電路的抗電磁干擾設(shè)計為在數(shù)據(jù)線SDA、時鐘線SCL 線上分別串聯(lián)電阻Rs2和Rs1，如圖5所示。該電阻可有效抑制總線上的干擾脈沖進入從設(shè)備[15]。另外，在布線上將I2C 通信線（SCL、SDA）走線遠離電流較大的驅(qū)動電路，I2C 兩條信號線（SDA、SCL）等長度地平行走線，兩邊加地線進行保護，避免臨近層出現(xiàn)高速信號線[15]。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，①STM32F103單片機對自身及角度傳感器GY-25的波特率和采集模式進行配置，完成初始化設(shè)置；②開始測量時，微控制器采集差壓信號；③SSCDDRN250LD2A3 高精度微差壓傳感器具有CRC校驗功能，通過校驗直接濾除采集到的錯誤數(shù)據(jù)；④雖然有效信號的提取在硬件電路部分進行了處理，但也不可避免地引入一定的采集誤差，采用中值濾波、均值濾波等多種軟件濾波相結(jié)合的手段，濾去周期性干擾，在保證測量數(shù)據(jù)實時性的同時提高了測量的穩(wěn)定性[16-18]；⑤根據(jù)步驟④得到的計算值和式（7），計算出風(fēng)速值；⑥微控制器采集角度信號，并根據(jù)式（8）計算出補償后的風(fēng)速值；⑦判斷風(fēng)速值是否超過報警閾值，如果是，則驅(qū)動報警燈及蜂鳴器進行聲光報警；⑧顯示并將風(fēng)速值上傳至監(jiān)控分站。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3 實驗驗證

3.1 基本誤差實驗

實驗一：

為了對該設(shè)計中的風(fēng)速風(fēng)向傳感器進行基本誤差驗證，采用三臺樣機，選取0.4～15 m/s 段進行實驗，記錄傳感器進風(fēng)口與風(fēng)流方向一致的情況下傳感器的測量數(shù)據(jù)。表1 給出了基本誤差實驗結(jié)果。

表1 基本誤差實驗

實驗二：

為驗證加入角度補償有助于提高風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性，采用兩組傳感器進行實驗。第一組傳感器進行角度補償，第二組傳感器未進行角度補償。仍選取0.4～15 m/s 段進行對比實驗，放置傳感器時，傳感器的進風(fēng)口與風(fēng)流風(fēng)向存在一定夾角，分別記錄兩組傳感器的測量數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 角度補償后測量結(jié)果

通過實驗一和實驗二可以看出，1）基于差壓原理的風(fēng)速風(fēng)向傳感器在監(jiān)測風(fēng)速過程中，當(dāng)進行角度補償時，無論傳感器的進風(fēng)口與風(fēng)流方向是否一致，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差均不大于±0.2 m/s；2）該傳感器能夠準(zhǔn)確判斷出當(dāng)前的風(fēng)流方向。

3.2 抗電磁干擾實驗

為驗證該設(shè)計的抗電磁干能力，對傳感器進行了擾射頻電磁場輻射抗擾度實驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度實驗和浪涌（沖擊）抗擾度實驗。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計中的傳感器以判據(jù)A 通過了輻射4 級、脈沖群4 級、浪涌3 級的EMC 測試。

4 結(jié)論

通過實驗驗證可知，基于差壓原理的風(fēng)速傳感器測量范圍、基本誤差完全滿足行標(biāo)《MT448-2008礦用風(fēng)速傳感器》中對基于差壓原理的風(fēng)速傳感器的要求[5]；該設(shè)計加入角度補償后，在傳感器進風(fēng)口與風(fēng)流方向不一致的情況下，測量結(jié)果仍滿足行標(biāo)要求；該設(shè)計中的抗電磁干擾設(shè)計效果良好，傳感器具有較強的抗電磁干擾能力。目前，該設(shè)計中的風(fēng)速風(fēng)向傳感器已在多個煤礦投入使用，效果良好。