KGF2型風(fēng)速傳感器性能的提升

劉國鋒

摘 要：礦用傳感器是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的“耳目”，它用于監(jiān)測(cè)煤礦環(huán)境參數(shù)與生產(chǎn)過程參數(shù)，將各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。礦用風(fēng)速傳感器在煤礦開采業(yè)中的作用不可小覷。在煤礦開采時(shí)風(fēng)速的大小直接影響礦工的生命安全，風(fēng)速太小，有害氣體得不到及時(shí)的稀釋，可能導(dǎo)致爆炸；如瓦斯爆炸。因此風(fēng)速傳感器在煤礦開采中至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：礦用風(fēng)速傳感器；安全；重要作用

1 KGF2型風(fēng)速傳感器簡介

KGF2型風(fēng)速傳感器是一種用于監(jiān)測(cè)煤礦井下通風(fēng)狀態(tài)的重要檢測(cè)儀器。具有檢測(cè)范圍寬、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、監(jiān)測(cè)時(shí)不受環(huán)境溫度、氣壓、粉塵影響等顯著優(yōu)點(diǎn)。能與井下各種類型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套使用。具有很強(qiáng)的遠(yuǎn)傳信號(hào)能力。在保證煤礦井下有毒有害氣體排放質(zhì)量，確保礦工人身安全和煤礦安全生產(chǎn)方面發(fā)揮著日益重要的作用。

KGF2型風(fēng)速傳感器主要用于監(jiān)測(cè)煤礦井下回風(fēng)巷、掘進(jìn)巷等工作場(chǎng)所的風(fēng)流、風(fēng)速狀況。尤其對(duì)正在進(jìn)行有毒有害氣體排放的巷道回風(fēng)狀況的監(jiān)測(cè)。它能與井下各種類型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套使用，在井下24小時(shí)晝夜連續(xù)工作。隨時(shí)將被測(cè)巷道的通風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)就地顯示出來，并輸送給與之相連的關(guān)聯(lián)設(shè)備。

特點(diǎn)：KGF2型風(fēng)速傳感器的檢測(cè)探頭為不銹鋼制成的旋渦體，它能隨時(shí)將經(jīng)過其兩側(cè)的被測(cè)風(fēng)流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。

電路上，設(shè)計(jì)了能產(chǎn)生145kHz左右連續(xù)等幅振蕩信號(hào)的超聲波發(fā)射電路。采用了能將此連續(xù)等幅振蕩的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成等幅連續(xù)的超聲波束，并通過空氣傳送到接收換能器上的發(fā)射換能器。設(shè)計(jì)了能將已被旋渦調(diào)制了的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并選頻、處理的后續(xù)電路和能提高KGF2型風(fēng)速傳感器信號(hào)傳輸能力的信號(hào)遠(yuǎn)傳電路。

2 風(fēng)速傳感器工作原理

根據(jù)卡曼渦節(jié)理論（圖1），在無限界流場(chǎng)中垂直插入一根無限長的非線性阻力體時(shí)（阻力體稱旋渦發(fā)生體），則在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)（Red=200～5*10000），阻力體下游會(huì)產(chǎn)生兩排交替的、內(nèi)旋的旋渦列，而其旋渦率正比于流速，公式表示：

因此，只要測(cè)出f，就可以知道風(fēng)速V，這樣測(cè)量的風(fēng)速就歸結(jié)為測(cè)量旋渦頻率，而超聲波風(fēng)量傳感器就是利用超聲波被旋渦調(diào)制的原理來測(cè)定旋渦頻率的。

在流體中插入一非流線體（旋渦體），當(dāng)流速大于基本值后，旋渦體的兩邊將產(chǎn)生兩列方向相反、交替出現(xiàn)的旋渦，該旋渦的頻率f與流速成線性關(guān)系。只要測(cè)到旋渦頻率即可得到流速值。在旋渦體一定距離內(nèi)垂直于旋渦體軸線方向設(shè)置一對(duì)壓電超聲換能器，發(fā)射換能器發(fā)出等幅連續(xù)的超聲波、通過空氣被接收換能器接收形成聲束，當(dāng)旋渦經(jīng)過時(shí)，使等幅連續(xù)的超聲波束發(fā)生折射、反射和偏轉(zhuǎn)，即旋渦頻率被超聲波束調(diào)制，在接收到調(diào)制聲波后，輸出已調(diào)制的電信號(hào)。這個(gè)被調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)選頻、放大、檢波、濾波整形、跟隨放大后輸出與旋渦頻率即被測(cè)流速值相對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)。該信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器處理成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，完成就地顯示和送往系統(tǒng)分站，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下巷道通風(fēng)狀況的連續(xù)監(jiān)測(cè)。圖2為超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器工作原理。

3 風(fēng)速傳感器在日常使用中存在的問題

根據(jù)KGF2型風(fēng)速傳感器風(fēng)速運(yùn)行工作原理，結(jié)合該礦工作實(shí)際，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行與觀察，KGF2型風(fēng)速傳感器在工作過程中存在很多問題，造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①新出廠風(fēng)速傳感器無法在系統(tǒng)軟件中正常添加。

由于該礦井下回風(fēng)巷、采面多，安裝風(fēng)速傳感器較多，風(fēng)速傳感器出現(xiàn)故障進(jìn)行更換時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)更換后無法在系統(tǒng)軟件中正常顯示的情況。具體表現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)更換新出廠傳感器后，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速傳感器顯示值正常，與實(shí)際風(fēng)速誤差不大，但在信號(hào)傳輸過程中，無法將數(shù)據(jù)傳輸至地面中心站，地面中心站顯示風(fēng)速傳感器為故障或風(fēng)速為0m/s。

由此可見，由于KGF2型風(fēng)速傳感器存在缺陷而不能保證風(fēng)速傳感器正常運(yùn)行。通過與廠家技術(shù)人員聯(lián)系，風(fēng)速傳感器中使用的ATmega8單片機(jī)與現(xiàn)用系統(tǒng)兼容性不強(qiáng)是影響風(fēng)速傳感器正常運(yùn)行的主要原因。針對(duì)兼容性問題，我們通過選取ATmega16型單片機(jī)替換KGF2型風(fēng)速傳感器原有的控制芯片來解決這一問題，ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。通過更換控制芯片可以達(dá)到提高KGF2型風(fēng)速傳感器靈敏度和與KJ31N（S800）系統(tǒng)兼容性的目的。

通過反復(fù)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)跟蹤驗(yàn)證后，風(fēng)速傳感器經(jīng)過改造后，可以根本上解決信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸問題。

②風(fēng)速傳感器顯示數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)速誤差增大。

風(fēng)速傳感器在風(fēng)速傳感器在安裝使用一段時(shí)間后，現(xiàn)場(chǎng)顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際風(fēng)速誤差增大。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，風(fēng)速傳感器在使用過一段時(shí)間后，傳感頭內(nèi)外和旋渦桿上會(huì)附著上一定量的積塵和水霧，這時(shí)風(fēng)速傳感器的靈敏性就會(huì)明顯的下降，導(dǎo)致傳感器顯示值與實(shí)際值產(chǎn)生誤差。

所以我們?cè)谑褂眠^程中應(yīng)兩天用軟布清掃傳感頭內(nèi)外和旋渦桿上的積塵和水霧，嚴(yán)禁用硬物刮擦傳感頭外的保護(hù)層。

③在安裝過程中安裝位置不當(dāng)也會(huì)造成數(shù)據(jù)失真。安裝時(shí)，把傳感器牢固地安裝在測(cè)量位置，不能晃動(dòng)，注意探頭進(jìn)風(fēng)口方向，有圓柱體側(cè)為進(jìn)風(fēng)口。安裝位置見風(fēng)速安裝示意圖3。

4 結(jié)束語

煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是煤炭高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的重要保證。傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能正確反映被測(cè)環(huán)境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。其中風(fēng)速傳感器能否正常穩(wěn)定的工作是衡量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否可靠的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于減少事故發(fā)生，有效地保障煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全也具有重要意義。

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