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凤机风量的测量，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一，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一个安全、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一。
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。传统方法测量准确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，完成对风量的准确采集和连续纪录，同时完成相关预警等，保证对风量的准确监测，该方法测量手段简单，结果准确可靠，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。如图1所示，平行板电容器电容量C为：C=εS/δ
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一个电容器，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
要准确的测量风量，需要对风峒中的实际风流情况进行准确采集，引压装置在这里就显得较为重要，笔者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仕乐克微差压变送器，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/s；
ρ-空气密度，kg/m；
v-风流流动速度，m/s；
l-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：
式中：z-标高，m；
对矿井通风系统来说，在风峒中标高z不变，Zgρ项可以省略，则有：
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。根据这一原理，选择两个截面，一个在风机人口集流器附近(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，m3/s；
A1，A2——截面1、2的面积，m1；
△P——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：
qv=c0+c1q+c2q+...cnq
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、A/D转换器、输入/输出接口电路、计算机等。负压测试采用多路共享A/D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/保持(S/H)器件，将待采集的信号送人多路开关，多路开关按照时频接通各路信号，连接模/数(A/D)转换元件进行相应的数据转换，最终经过输入/输出(I/O)接口将数字量传入主机。
仕乐克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一232/RS一485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Office2007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准确采集和风量的准确计算，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准确的测量，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。
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