摘 要：風(fēng)速的測量是監(jiān)測煤礦煤與瓦斯突出的重要手段，針對(duì)煤礦特殊環(huán)境，研究一種實(shí)用、可靠的風(fēng)速傳感器顯得尤為重要。本文基于AVR單片機(jī)，提出了一種礦用皮托管風(fēng)速傳感器的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了其原理和軟硬件設(shè)計(jì)。該傳感器利用差壓原理，無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，性能可靠，可長時(shí)間連續(xù)實(shí)現(xiàn)煤礦井下各進(jìn)、回風(fēng)巷的實(shí)時(shí)風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)速傳感器測量范圍可達(dá)0.4～15m/s，且在測量范圍內(nèi)誤差低于±0.2 m/s，具有良好的溫度穩(wěn)定性和防潮防堵功能。

關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；皮托管；風(fēng)速傳感器

0 背景

礦井通風(fēng)是提供新鮮空氣，排除甲烷、一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體的重要途徑，通過風(fēng)速傳感器測量到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而有效控制通風(fēng)設(shè)備，一方面能夠做到節(jié)能減排、提高工作效率，另一方面，為煤礦的安全生產(chǎn)提供基本的保障。因此，包括國家安監(jiān)總局、煤礦生產(chǎn)單位、科研單位都非常重視風(fēng)速傳感器的研究，基于安全可靠、實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)的原則，研究一款實(shí)用、反應(yīng)迅速、性價(jià)比高的風(fēng)速傳感器，實(shí)現(xiàn)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中風(fēng)速的監(jiān)測和煤與瓦斯突出的預(yù)警監(jiān)測顯得尤為重要。針對(duì)煤礦井下的特殊環(huán)境常造成超聲波探頭性能減弱，不能夠準(zhǔn)確測量井下環(huán)境中風(fēng)速的真實(shí)值，因此本文基于皮托管的原理，結(jié)合AVR微控制芯片ATMEGA16L，設(shè)計(jì)了一款實(shí)用的風(fēng)速傳感器，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 皮托管風(fēng)速傳感器原理

皮托管，英文是Pitot tube，由法國H.皮托發(fā)明而得名。皮托管是測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置，常見的有L型和S型2種，與L型相比，S型具有防堵防潮的性能，因此本文選用S型皮托管進(jìn)行設(shè)計(jì)。皮托管的構(gòu)造如圖，頭部為半球形，后為一雙層套管。

測速時(shí)頭部對(duì)準(zhǔn)來流，頭部中心處小孔（總壓孔）感受來流總壓p0，經(jīng)內(nèi)管傳送至壓力計(jì)。頭部后約3～8D處的外套管壁上均勻地開有一排孔（靜壓孔），感受來流靜壓p，經(jīng)外套管也傳至壓力計(jì)。對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，根據(jù)伯努利方程和能量方程可求出氣流馬赫數(shù)，進(jìn)而再計(jì)算速度。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于S型皮托管的風(fēng)速傳感器硬件框圖如圖所示：

當(dāng)煤礦井下有風(fēng)流經(jīng)過傳感器的皮托管時(shí)，在皮托管的總壓端和靜壓端產(chǎn)生壓力差，通過差壓傳感器模塊測量具體的壓差值。溫度傳感器和大氣壓力傳感器主要用于測量環(huán)境溫度和大氣壓，進(jìn)而計(jì)算空氣密度，利用AVR單片機(jī)計(jì)算當(dāng)前的風(fēng)速值，即為傳感器測量的風(fēng)速值。傳感器測量的風(fēng)速值一方面通過數(shù)碼管就地顯示，另一方面使用數(shù)字信號(hào)或者頻率信號(hào)上傳至煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)需要電源模塊供電，并且當(dāng)測量到的風(fēng)速值超出了設(shè)定的范圍時(shí)，傳感器發(fā)出聲光報(bào)警，通知相關(guān)人員或者系統(tǒng)采取措施。

3 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合到本系統(tǒng)的測量原理和硬件結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的軟件需要完成三方面功能：包括溫度、大氣壓和差壓傳感器的采集；利用相應(yīng)的算法計(jì)算當(dāng)前的風(fēng)速值；顯示測量的風(fēng)速值并上傳；判斷并執(zhí)行是否報(bào)警。軟件的主要流程圖如圖所示：

4 實(shí)驗(yàn)測試及性能參數(shù)

基于本文設(shè)計(jì)的風(fēng)速傳感器，按照煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《MT448-2008礦用風(fēng)速傳感器》的要求，對(duì)皮托管式的傳感器采用了常規(guī)風(fēng)洞試驗(yàn)、溫度特性試驗(yàn)、溫度存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)等。得到了傳感器的如下性能指標(biāo)：

（1）工作環(huán)境條件

溫度：0～40度

濕度：≤96%

大氣壓力：（80～120）kpa

（2）主要特征

傳感器具有風(fēng)速、風(fēng)向檢測功能；

傳感器具有輸出狀態(tài)指示功能；

傳感器具有遙控功能；

傳感器具有聲光報(bào)警功能；

（3）主要技術(shù)指標(biāo)

工作電壓、工作電流

a）工作電壓：（9～25）V DC ；

b）工作電流：≤180mA。

風(fēng)速信號(hào)輸出制式（出廠時(shí)輸出信號(hào)制式為三選一）：

a）電流：DC 4 mA～20 mA（負(fù)載電阻0Ω～500Ω）；

b）頻率：200 Hz～1000 Hz（脈沖寬度大于0.3ms）；

c）數(shù)字信號(hào)： RS-485 數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)量信號(hào)的同時(shí)輸出。

測量范圍：（0.3～15）m/s

基本誤差：±0.2m/s

5 結(jié)語

基于AVR的皮托管礦用風(fēng)速傳感器很好的解決了傳統(tǒng)的風(fēng)速傳感器測量不準(zhǔn)確，反應(yīng)慢，不穩(wěn)定，不能夠適應(yīng)煤礦惡劣環(huán)境的使用要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)速傳感器的測量誤差完全滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《MT448-2008礦用風(fēng)速傳感器》的要求，具有溫度穩(wěn)定的特定，適合大規(guī)模生產(chǎn)和使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟小紅，楊誠，朱正憲.我國礦用風(fēng)速儀表概述[J].計(jì)量與測量技術(shù)，2004.02

[2] 蔣澤，郝葉軍，劉炎.一種礦用皮托管風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2012.11

作者簡介

高亮（1986-），男，重慶人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。