微差压变送器在主通风机参数测量中的应用

摘要：文章采用微差压变送器作为压力信号的采集元件通过测量通风机的负压完成对风机风量的测量并分析了微差压变送器的测量原理正确选择了风压采集方案对通过负压求风量进行了计算完成了系统硬件和软件设计。
1引言
　　主通风机是矿井的重要设备之-,担负着向井下输送足够数量的新鲜空气，以冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘,保证给井下作业的工人-个安全、可靠、良好的工作条件,井下风量的大小与作业环境有密切的关系,因此通风机的风量是矿井通风的一个最重要的参数之-。
　　现在很多矿井还采用传统方式监测井下风量通过读取U形管中液压差判断井下风量大小[]。西安科技大学开发的基于USB总线结构的便携式通风机性能测试分析虚拟仪器采用测量风速或动压来测量风量[2]。传统方法测量精度受人为因素影响较大不能连续测量李曼等开发的测量方法能够自动测量风量但测量元件和测量方法复杂成本较高。本文采用微差压变送器作为采集元件通过自制的引压装置引压,由计算机完成对风量的采集和计算,完成对风量的正确采集和连续纪录,同时完成相关预警等保证对风量的正确监测，该方法测量手段简单结果正确可靠成本相对较低在矿井风量测量中应用前进广阔。
2微差压变送器的测量原理
　　微差压变送器是一种电容式传感器,以可变参数电容器作为传感元件将被测非电量变化转换为电容量变化再通过测量线路转换为电信号输出的非电量测量装置[3]。如图1所示平行板电容器电容量C为:

式中
ε--极板间介质的介电常数;
S--极板面积;
δ--极板间的距离。

(1)式中任意一个量的改变都将使电容C随之改变,因.此通过一定的测量电路将变化量转换为电信号输出即可确定被测量的大小。
　　微差压变送器是由压力传感元件和压力变送元件组成的,压力传感元件是将被测介质的两种压力通入高、低两压力室作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送元件是由测量膜片与两侧绝缘片，上的电极各组成-个电容器,当两侧压力不一致时致使测量膜片产生位移其位移量和压力差成正比故两侧电容量就不等通过振荡和解调环节转换成与压力成正比的信号。
3风压采集方案设计
　　要正确的测量风量,需要对风峒中的实际风流情况进行正确采集引压装置在这里就显得较为重要根据经验选择了中国矿业大学胡亚非教授发明的引压装置,引压装置包括与风道截面形状相同的均压管,通过固定架固定在风道的风峒墙上均压管上安置有若干个测压头测压头垂直于风道截面且端头平行于来流方向均压管内的压力信号通过测压引出导管引出。
确定了引压装置,通过一定的引压管路和滤配装置即可将压力信号引入微差压变送器完成压力信号的采集和变送,如图2所示。

4风量的计算
　　由流体力学知识可知在同一管路中,由于截面的改变带来的压力不同可求得风机通过的风量。在不考虑流动损失时，由流体力学基本方程式:

　　式中p-静压,Pa;
t-时间S;
g-重力加速度,m/s2;
ρ-空气密度.kg/m2;
v-风流流动速度,m/s;
1-风流的流线长度m;
　　若视风道中的风流为定常流那么沿流线积分为常数并积分(2)式得:

　　上式表明在流动损失可以忽略的情况下,风峒中各截面上的全压相等并且截面上的静压和动压可以相互转化动能较大的截面静压较低动能较小的截面静压较高。根据这--原理选择两个截面,--个在风机入口集流器附近(定义为截面1)一个在动轮前集流罩处的环形空间上(定义为截面2)截面1、2面积的变化使流经气流产生静压差,忽略1、2截面微小的流动损失由式(4)可得,1、2截面的静压差等于两截面的动压差即:

　　式中qv-风机流量,m/s;
　　A,A2-截面1、2的面积m;
　　△P1-2-截面1、2的静压差,Pa。
　　式(6)证明了风量是可以连续监测的但在实际工况条件下存在紊流损失、测压截面形状不同等多种影响因素需要对其进行适当修正。在该方法中对长期试验得出的数据进行回归得到如下经验公式:.

　　式中C0、C1、C2、….Cn为现场标定后得到的经验系数q为传感器测得的信号根据现场具体要求取不同的n值。
5硬件及软件设计
　　计算机测试系统硬件包括传感器、AD转换器、输入/输出接口电路计算机等[5]。负压测试采用多路共享AD转换方式完成对多个负压值的测量硬件系统结构如图4所示。多个模拟量信号经过传感器接入采样1保持(S/H)器件将待采集的信号送入多路开关多路开关按照时频接通各路信号连接模/数(AD)转换元件进行相应的数据转换最终经过输入1输出(I/O)接口将数字量传入主机。
微差压变送器将传感器和采样/保持元件集成,使用方便可靠。系统选用R8017数/模转换模块它集成了模拟多路开关和A/D转换元件-一个模块能够同时采集8路模拟量信号。I/O连接设备选用RS-232/RS-485转换模块能够完成采集模块与计算机的数据连接。
　　系统采用MCGS组态软件结合VisualC++6.0和Ofice2007等软件进行设计主要完成系统界面的设计数据量的定义,设备组态通道连和调试输入信号预处理等工作。软件系统实现了负压信号的正确采集和风量的正确计算对系统数据曲线进行自动绘制数据报表的生成。同时软件系统还设置报警功能对用户要求的超限量进行报警保证足够的工作风量和风压。

6结论.
　　该系统利用微差压变送器对矿井主通风机的风量进行了正确的测量,较测量风速和动压等测量风量的方式有较大的创新。同时该系统硬件设备用量少连接方式简单节约了硬件成本。系统软件开发简单维护和使用方便具有广泛的应用前景。