一種基于s型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電器控制與煤礦安全【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種在具有煤塵、瓦斯等爆炸性氣體的煤礦井環(huán)境中，對瓦斯逆流情況進(jìn)行監(jiān)測的一種基于S型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置及方法。測量裝置包括S型皮托管、變徑直通、差壓傳感器、微控制器。本發(fā)明解決了目前在煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域廣泛使用的風(fēng)速傳感器僅能測量單方向的風(fēng)速，無法判斷風(fēng)向的情況，采用差壓原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可準(zhǔn)確判斷當(dāng)前風(fēng)流是來風(fēng)還是去風(fēng)，同時(shí)又能精確測量出風(fēng)速。并且，本發(fā)明不僅局限于煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域，對于管道形式內(nèi)雙向風(fēng)速的測量均適用。無可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單可靠，測量準(zhǔn)確，且長期穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)，防塵防堵，適應(yīng)高濕高粉塵的井下環(huán)境。
【專利說明】—種基于S型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置及方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電器控制與煤礦安全【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種在具有煤塵、瓦斯等爆炸性氣體的煤礦井下環(huán)境中，對瓦斯逆流情況進(jìn)行監(jiān)測的一種基于S型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】[0002]煤與瓦斯突出事故會(huì)導(dǎo)致瓦斯逆流，通過監(jiān)測風(fēng)向和風(fēng)速可以準(zhǔn)確判斷瓦斯逆流情況。因此風(fēng)向和風(fēng)速的監(jiān)測是預(yù)測和監(jiān)控煤與瓦斯突出的重要手段。
[0003]目前在煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域廣泛使用的風(fēng)速傳感器僅能測量單方向的風(fēng)速，無法判斷風(fēng)向，且抗電磁干擾能力較差。并且，尚無基于差壓原理的S型皮托管設(shè)計(jì)的風(fēng)向風(fēng)速測
量裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對以上技術(shù)的缺陷，提供一種風(fēng)向風(fēng)速測量裝置及方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，測量裝置包括S型皮托管、變徑直通、差壓傳感器、微控制器，變徑直通(3)的一端通過硅膠管(2)連接S型皮托管(I)，變徑直通(3)的另一端通過另一段硅膠管(5)與側(cè)躺的差壓傳感器(4)進(jìn)氣口連接，差壓傳感器(4)與微控制器電氣連接，微控制
器根據(jù)伯努利方程V = I#計(jì)算得到風(fēng)速值，其中，K為皮托管系數(shù)，P為差壓值，P為空
\ii±i /又 ο
[0005]所述差壓傳感器采用雙向精密數(shù)字式微差壓傳感器，測量下限低于0.4m/s，精度高于0.1%。。差壓值為正值時(shí)，判斷測量的是來風(fēng)方向的風(fēng)速，差壓值為負(fù)值時(shí)，判斷測量的是去風(fēng)方向的風(fēng)速。
[0006]所述S型皮托管為對稱結(jié)構(gòu)，正對氣流來向的一端測量的是相當(dāng)總壓，背向氣流來向的另一端測量的是相當(dāng)靜壓。
[0007]所述微控制器連接大氣壓傳感器、溫度傳感器，大氣壓傳感器、溫度傳感器采樣實(shí)時(shí)氣壓和溫度值，根據(jù)P = 3.483χ 10-3〖得出空氣密度，對環(huán)境影響的風(fēng)速誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，其中，P為大氣壓值，T為溫度值。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0009]一種基于差壓原理可同時(shí)測風(fēng)向和風(fēng)速的測量裝置，彌補(bǔ)了目前在煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域廣泛使用的風(fēng)速傳感器僅能測量單方向的風(fēng)速，無法判斷風(fēng)向，且抗電磁干擾能力較差的缺陷。其次，采用的差壓傳感器測量下限低于0.4m/s，解決了風(fēng)場在低風(fēng)速時(shí)無法測量和誤差較大的問題。再次，采用特定規(guī)格尺寸的S型皮托管設(shè)計(jì)，成功濾除礦井下的各類粉塵，防塵防堵，適應(yīng)高濕高粉塵的井下環(huán)境。采用了大氣壓傳感器、溫度傳感器采樣實(shí)時(shí)氣壓和溫度值，即使在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下，也能夠降低氣壓和溫度對實(shí)際環(huán)境的影響，使得所測的數(shù)據(jù)更加接近實(shí)際情況。
[0010]本發(fā)明完全滿足強(qiáng)制性行標(biāo)《MT448-2008礦用風(fēng)速傳感器》對差壓原理風(fēng)速傳感器基本誤差±0.2m/s的要求。此外在測試和用戶實(shí)際使用過程中，基于S型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置還具有反應(yīng)速度快、長期穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是渦街原理風(fēng)速傳感器的理想更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)工作原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0014]風(fēng)向風(fēng)速測量裝置，基于差壓原理，測量裝置包括S型皮托管(I)、變徑直通(3)、差壓傳感器(4)、微控制器，變徑直通(3)的一端通過硅膠管(2)連接S型皮托管(1)，變徑直通(3)的另一端通過另一段硅膠管(5)與差壓傳感器(4)進(jìn)氣口連接，差壓傳感器(4)與微控制器電氣連接。S型皮托管的塔式管接頭朝上，穿過外殼底座固定安裝在底座上。S型皮托管(I)產(chǎn)生當(dāng)前風(fēng)場內(nèi)的全壓和靜壓值通過上述連接方式送至差壓傳感器
(4)，同時(shí)，安裝在電路板上的大氣壓傳感器和溫度傳感器采集當(dāng)前環(huán)境的氣壓值和溫度
值，根據(jù)ρ = 3.483χ10 得出空氣密度，經(jīng)過內(nèi)部電路處理后，微控制器根據(jù)伯努利方程
[0015]風(fēng)向判斷是利用S型皮托管的對稱結(jié)構(gòu)和可測量正負(fù)壓力的高精度差壓傳感器實(shí)現(xiàn)的。差壓傳感器測量的壓力差為A管壓力與B管壓力的差。當(dāng)風(fēng)流方向?yàn)檎驎r(shí)皮托管的A管為總壓管、B管為靜壓管，差壓傳感器測得的壓力為正值；當(dāng)風(fēng)流方向?yàn)榉聪驎r(shí)皮托管的B管為總壓管、A管為靜壓管，差壓傳感器測得的壓力為負(fù)值。利用伯努利方程計(jì)算時(shí)，根據(jù)差壓值的正負(fù)即可得到風(fēng)速值的正負(fù)，從而準(zhǔn)確判斷當(dāng)前的風(fēng)向狀態(tài)。計(jì)算的風(fēng)速值為正值時(shí)，表示測量的是來風(fēng)方向的風(fēng)速，計(jì)算的風(fēng)速值為負(fù)值時(shí)，表示測量的是去風(fēng)方向的風(fēng)速。
[0016]所述差壓傳感器采用雙向精密數(shù)字式微差壓傳感器，測量下限低于0.4m/s，精度高于0.1%。，當(dāng)差壓值為0.1Pa時(shí)也能精確的測量出來，這解決了風(fēng)場在低風(fēng)速時(shí)無法測量和誤差較大的問題。
[0017]S型皮托管是由兩根外形相同的金屬管定向焊接而成。使用時(shí)，環(huán)境中的粉塵會(huì)在壓力的作用下進(jìn)入皮托管，在粉塵的上升過程中，隨著壓力的減小粉塵會(huì)逐漸下沉，不會(huì)進(jìn)入皮托管根部和差壓傳感器內(nèi)部。正是這種特殊的結(jié)構(gòu)使S型皮托管具有“本質(zhì)防堵”的特點(diǎn)。S型皮托管的側(cè)頭距洞壁的距離應(yīng)大于125mm，否則所測的風(fēng)速值與風(fēng)場當(dāng)中的實(shí)際值不相符。因此我們考慮裝置的外觀外形設(shè)計(jì)，優(yōu)選了長度為120mm的S型皮托管，這樣能夠很好的降低裝置外觀的長、寬、高對當(dāng)前風(fēng)場的影響。同時(shí)，考慮防堵和風(fēng)向測量的要求，我們采用了直徑為10_的S型皮托管，這樣既便于加工，又能防止S型皮托管在直接接觸煤礦等其他惡劣環(huán)境時(shí)，易遇粉塵堵塞，影響裝置測量精度。
[0018]本發(fā)明利用變徑直通(3)和兩種不同參數(shù)的硅膠管(2)和(5)，連接S型皮托管
(I)和差壓傳感器(4)。綜合考慮上述S型皮托管所選取的直徑與差壓傳感器進(jìn)氣口的直徑差異，以及煤礦井下空氣不潔凈的情況，2個(gè)變徑直通的一端通過硅膠管(2)連接IOmm的皮托管(I)的塔式管接頭，另一端通過硅膠管(5)連接差壓傳感器(4)，并且用綁扎帶固定在電路板上。由于煤礦井下粉塵較多，濕度較大，環(huán)境惡劣，進(jìn)入S型皮托管(I)根部的臟空氣如果不經(jīng)處理容易直接進(jìn)入到差壓傳感器(4)的內(nèi)部，經(jīng)過一段時(shí)間后，粉塵堆積，破壞敏感元件，最終導(dǎo)致無法正常測量風(fēng)向風(fēng)速。即使因?yàn)榄h(huán)境十分惡劣，粉塵進(jìn)入了皮托管根部，通過上述連接方式，也能夠較好的解決粉塵堆積問題。定期清理S型皮托管，更換硅膠管與變徑直通，如此，輸送給差壓傳感器的空氣就比較干凈，成功濾除礦井下的各類粉塵，適應(yīng)高濕高粉塵的井下環(huán)境。同時(shí)，如果粉塵過多，堆積在變徑直通和硅膠管，更換起來相對方便很多，而且節(jié)省了成本。
[0019]本風(fēng)向風(fēng)速測量裝置采用了微控制器連接大氣壓傳感器、溫度傳感器采樣實(shí)時(shí)氣
壓和溫度值，根據(jù)/> = 3.483x10 纟得出空氣密度，對環(huán)境影響的風(fēng)速誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，
其中，P為大氣壓值，T為溫度值。即使在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下，也能夠降低氣壓和溫度隨環(huán)境的改變對測量造成的影響，使所測的數(shù)據(jù)更加接近實(shí)際情況。
[0020]本發(fā)明既可準(zhǔn)確判斷煤礦當(dāng)前風(fēng)流是來風(fēng)還是去風(fēng)，同時(shí)又能精確測量出風(fēng)速。該原理風(fēng)向風(fēng)速測量裝置無可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單可靠，測量準(zhǔn)確，且長期穩(wěn)定性好、適應(yīng)高濕高粉塵的井下環(huán)境、抗電磁干擾能力強(qiáng)。
[0021]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于S型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置，其特征是，測量裝置包括S型皮托管(I)、變徑直通(3)、差壓傳感器(4)、微控制器，變徑直通(3)的一端通過硅膠管(2)連接S型皮托管(I)，變徑直通(3)的另一端通過另一段硅膠管(5)與差壓傳感器(4)進(jìn)氣口連接，差壓傳感器(4)與微控制器電氣連接，微控制器根據(jù)伯努利方程ν =計(jì)算得到風(fēng)速值，其中，K為皮托管系數(shù)，P為差壓值，P為空氣密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于S型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置，其特征在于:所述差壓傳感器采用雙向精密數(shù)字式微差壓傳感器，測量下限低于0.4m/s，精度高達(dá)0.1%。。差壓值為正值時(shí)，判斷測量的是來風(fēng)方向的風(fēng)速，差壓值為負(fù)值時(shí)，判斷測量的是去風(fēng)方向的風(fēng)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于S型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置，其特征在于:所述S型皮托管為對稱結(jié)構(gòu)，正對氣流來向的一端測量的是相當(dāng)總壓，背向氣流來向的另一端測量的是相當(dāng)靜壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于S型皮托管的風(fēng)向風(fēng)速測量裝置，其特征在于:所述微控制器連接大氣壓傳感器、溫度傳感器，大氣壓傳感器、溫度傳感器采樣實(shí)時(shí)氣壓和溫度值，根據(jù)p = 3.483'xi0 得出空氣密度，對環(huán)境影響的風(fēng)速誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，其中，P為大氣壓值，T為溫度值。
【文檔編號(hào)】G01P13/02GK103543288SQ201310493340
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】苗丙, 徐松濤, 彭鈴舒, 李曉波, 張學(xué)明, 王國權(quán) 申請人:北京瑞賽長城航空測控技術(shù)有限公司, 中航高科智能測控有限公司