通風機風量風壓測定系統(tǒng)的研發(fā)

曹旭光

（山西陽城陽泰集團西溝煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

引言

一直以來，煤礦安全生產(chǎn)備受企業(yè)和作業(yè)人員的關注。通風系統(tǒng)為煤礦的“肺”，其可降低工作面的瓦斯、粉塵濃度，以保證相關指標滿足《煤炭安全規(guī)程》的標準值。瓦斯治理為煤礦通風機的主要治理威脅源，近年來雖然在開采前采取的瓦斯的預抽采措施可有效降低瓦斯?jié)舛?，但是，還需要通風機時刻降低工作面的瓦斯?jié)舛萚1]。目前，通風機未配置對工作面風量、風壓監(jiān)測的功能，使得其無法實現(xiàn)對通風的系統(tǒng)化管理。本文將根據(jù)實際工況設計通風機風量風壓的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 通風機風量風壓監(jiān)測原理

結合理論基礎，本文所設計的風量風壓測定系統(tǒng)基于靜壓落差法的基本原理實現(xiàn)，其主要功能為對通風機的風量和風壓進行監(jiān)測。該系統(tǒng)的核心原理為對通風機擴散筒的靜壓信號進行測量，通過對靜壓值的換算得出通風機的實時風速和動壓，從而實現(xiàn)對通風機全壓和風量的測定[2]。具體實施路線：在通風機的擴散筒處的兩端安裝靜壓環(huán)，通過靜壓環(huán)對兩端的靜壓進行測定，如圖1 所示。

通風機的風量和風壓為圖1 中截面的風量和風壓，基于靜壓差換算風量和風壓的計算公式如式（1）和式（2）所示。

式中：v2為橫截面2 處的風速；f 為橫截面2 處的風量；?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，實現(xiàn)對通風機風壓和風量測定的核心在于基于靜壓環(huán)對兩個截面靜壓的測定，故為通風機設計合理、有效的靜壓環(huán)十分重要。為了保證最終風量、風壓測定結果的準確性，設計多孔靜壓環(huán)對通風機擴散筒前后的靜壓進行測定，靜壓環(huán)與通風機擴散筒的連接示意如圖2 所示。

圖2 多孔靜壓環(huán)與通風機擴散筒連接示意圖

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

2 通風機風量風壓測定系統(tǒng)的設計

靜壓環(huán)為實現(xiàn)風量風壓測定功能的核心。對于風量風壓測定系統(tǒng)而言，還需具備數(shù)據(jù)處理、實時顯示以及報警等功能[3]。因此，本節(jié)基于“1”靜壓落差法從硬件和軟件兩個層面完成風量風壓測定系統(tǒng)的設計。

2.1 硬件設計

結合測定系統(tǒng)的功能需求，其硬件結構如下頁圖3 所示。

由圖3 可知，該測定系統(tǒng)以單片機為核心處理器，并為其配置的信號放大器、模數(shù)轉換器、上位機顯示器和報警器等。

圖3 風量風壓測定系統(tǒng)硬件結構

結合該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理需求和單片機的參數(shù)指標，綜合低功耗、多接口等要求，確定選用MSP430 型號的單片機。該型單片機的驅動電壓為3.3 V，屬于低電壓，其功耗超低；該型單片機為16 位，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力；該型單片機集成了高性能模擬技術，具備豐富的接口。根據(jù)風量風壓測定系統(tǒng)的功能要求，為單片機端口配置不同功能[4]。其中，P1.2 接口為風量信號輸出端口；P4.1 接口為風壓信號輸出端口；P3.3 接口為報警信號輸出端口；P6.0 和P6.1 接口為靜壓信號采集端口；P3.0～P3.2 和P5.0～P5.7 接口為LCD 控制端口。

根據(jù)測定系統(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，一組為對壓力變送器進行供電，鑒于工作面特殊的工作環(huán)境，為其配置MKD 輸出本質安全型電源；另外一組對單片機系統(tǒng)進行供電，該電源選用LJAS 型AC 轉DC 模塊電源，該電源模塊需要配置AS1117 芯片，實現(xiàn)電壓從5 V 到3.3 V的轉換。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)。所配置的關鍵硬件如表1 所示。

表1 風量風壓測定系統(tǒng)硬件配置情況

2.2 軟件設計

單片機為該測定系統(tǒng)的核心控制器[5]。因此，需基于單片機的運行環(huán)境并結合測定系統(tǒng)的功能要求設計相關的軟件流程。所設計的風量風壓測定系統(tǒng)的軟件總流程如圖4 所示。

圖4 風量風壓測定系統(tǒng)軟件總流程

3 風量風壓測定系統(tǒng)的調試與現(xiàn)場試驗

本節(jié)重點對所設計的風量風壓測定系統(tǒng)進行調試，并對調試完成后系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗，驗證該系統(tǒng)對風量、風壓的測定的準確性。

3.1 調試

針對風量風壓測定系統(tǒng)的調試，分為硬件調試和軟件調試。其中，軟件調試采用單片機仿真器進行；硬件采用數(shù)字萬用表、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字示波器等進行。經(jīng)調試，該系統(tǒng)的硬件和軟件均達到了設計要求，可加裝于實際應用中對其測量準確性進行進一步的驗證。

3.2 現(xiàn)場試驗

本次現(xiàn)場試驗的載體為型號FBDY-2×30 的局部通風機，將所設計的靜壓環(huán)根據(jù)通風機的結構安裝于擴散筒的兩端，并為其連接所設計的風量風壓測定系統(tǒng)，對該型通風機的風量和風壓進行測定。所搭建的試驗模擬示意圖如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場試驗系統(tǒng)組成圖

由圖5 可知，檢測平臺所測定的為通風機的理論風量和風壓；測量系統(tǒng)所測定的為實際風量和風壓。測量結果如下頁表2 所示。

由表2 可知，對通風機兩種工況下的風量和風壓測定結果進行驗證得出：所設計風量風壓測定系統(tǒng)所測定的風量和風壓兩類參數(shù)的相對誤差均在允許范圍之內(nèi)，其精度和穩(wěn)定性達到設計要求。

表2 風量風壓測定系統(tǒng)現(xiàn)場試驗結果

4 結語

通風系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)必不可少的分系統(tǒng)，掌握通風機的實際風量和風壓并對通風機工況進行實時控制，保證通風機運行工況與工作面的實際通風需求相匹配是十分重要的。因此，需要設計一套系統(tǒng)實現(xiàn)對通風機風量和風壓的精準測定。本文基于MSP430 單片機設計一套風量風壓測定系統(tǒng)，并經(jīng)過試驗可知：基于該系統(tǒng)對風壓的測定結果相對誤差可控制在±1.2%之內(nèi)；對風量的測定結果相對誤差可控制在±0.5%之內(nèi)。