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矿用风速传感器设计方案第1章 矿用风速传感器概述1.1矿用风速传感器的作用矿用风速传感器用于检测煤矿井下各坑道、风口、主风扇等处的风速在煤炭开采的过程中,总有瓦斯涌出为稀释矿井空气中的瓦斯,需不断地向井下输送新鲜空气风量是通风系统的重要参数之一因此,对矿井风速的监测是矿井监控的主要容之一1.2矿用风速传感器的安装位置安装：风速传感器可安装在主要测风站和进回风巷等地安装地应在距顶板较好无明显淋水,不妨碍运输和行人安全的地方,传感头指向应与风流方向一致安装前应首先测量通道平均风速,任选一点安装,遥控器对准传感器按动上、下键,使就地显示为平均风速即可注意：传感器安装一定要牢固,不得摆动,传感器测风面一定要垂直风流方向1.3矿用风速传感器的技术指标测量围：0.4 ～15m/s测量误差：≤±0.3m/s输出信号：频率型200Hz~1000Hz或电流型1mA~5mA工作电压：12V～21V工作电流：≤90 mA传输距离：≤2Km1.4矿用风速传感器的分类〔1按传感器用途可分为环境参数传感器与生产参数传感器〔2按供电方式可分为自带电源式传感器与外接电源式传感器两种〔3按其输出信号形式可分为模拟量、开关量、累计脉冲量等。

模拟信号应符合下列信号制式：电流模拟信号为1～5mA或4～20mA,频率模拟信号为200～1000Hz或5～15Hz〔4按作用原理不同可分为：机械翼式风速传感器、电子翼式风速传感器、热效应式风速传感器超声波风速传感器〔5按风速的测量围可分为高速风速传感器〔V>10m/s、中速风速传感器〔V=0.5m/s～10m/s、低速风速传感器1.5测风方法测量井巷的风量一般要在测风站进行,在没有测风站的巷道中测风时,要选一段巷道没有漏风、支架齐全、断面规整的直线段进行测风空气在井巷中流动时,由于受到外摩擦的影响,风速在巷道断面的分布是不均匀的,如图1-1所示在巷道轴心部分风速最大,而靠近巷道周壁风速最小,通常所说的风速是指平均风速而言,故用风速传感器测风必须测出平均风速为了测得巷道断面上的平均风速,测风时可采用路线法,即将风速传感器按图1-2所示的路线均匀移动测出断面上的风速；或者采用分格定点法,如图1-3所示,即将巷道断面分为若干方格,使风表在每格停留相等的时问,进行移动测定,然后计算出平均风速根据断面大小,常用的有9点法、12点法等图1-1 风速流动状态图1-2 线路法测风 图1-3 定点法测风测风时,根据测风员的站立姿势不同又分为迎面法和侧身法两种。

迎面法是测风员面向风流方向,手持风速传感器,将手臂向正前方伸直进行测风此时因测风人员立于巷道中间,阻挡了风流前进,降低了风速传感器测得的风速为了消除测风时人体对风流的影响,须将测算的真实风速乘以校正系数<1.14>才能得出实际风速侧身法是测风人员背向巷道壁站立,手持风速传感器,将手臂向风流垂直方向伸直,然后测风用侧身法测风时,测风人员立于巷道减少了通风断面,从而增大了风速,需对测风结果进行校正,其校正系数按下式计算：式中K—--测风校正系数,S——测风站的断面积〔m2, 0.4--- 测风人员阻挡风流的断面积〔m2 1.6测风注意事项<1> 风速传感器度盘一侧背向风流,即测风员能看到度盘；否则,风速传感器指针会发生倒转<2> 风速传感器不能距人体太近,否则会引起较大的误差<3> 风速传感器在测量路线上移动时,速度一定要均匀在实际工作中,这点常不被重视,由此引起的误差是很大的如果风速传感器在巷道中心部分停留的时间长,则测量结果较实际风速偏高；反之,测量结果较实际值偏低<4>叶轮式风速传感器一定要与风流方向垂直,在倾斜巷道测风时,更应注意如表1-1传感器偏角对测量结果的影响由表1-1可知偏角10°以时所产生的误差可忽略不计。

表1-1传感器偏角对测量结果的影响风度偏角/<°>风表平均读数误差/%O141．OO．355140.51.4210139．O2.5015137.56.5020132．O<5> 在同一断面测风次数不应小于3,三次测量结果的最大误差不应超过5%<6>传感器的量程应和测定的风速相适应,否则将造成风速传感器损坏或量程不准确<7>为了减小测量误差,一般要求在1min时间,使传感器从移动路线的起点到达终点<8>使用前还应注意传感器的校正有效期1.7 各类传感器性能比较表1-2各类传感器性能的比较矿用风速传感器的种类优点缺点机械翼式风速传感器体积小,质量轻,可测平均速度精度低,不能直接指示风速,不能自动遥测,不能测微风电子翼式风速传感器接近开关式〔感应式电容式光电式能发展遥测,精确度比机械翼式高,能直接指示瞬时风速叶片有惯性运动,所以测量值偏大,体积和质量比机械翼式大,构造复杂,风速过高不能测、风速过低也不能测热效应式风速传感器热线式热球式热敏电阻式没有惯性影响,高低风速均可测,能发展遥测热敏电阻和热球的测值呈非线性,受湿度和气体成份的影响超声波风速传感器结构简单,寿命长,性能稳定,不受风流的影响,精度高,风速测量围大。

通过表中的比较,可以明显的看到,设计传感器最好的选择就是超声波风速传感器不仅结构简单,性能稳定,不受风流影响而且精度高,测量围大1.8超声波风速传感器的主要特点矿井的风速传感器主要有超声波时差式和超声波旋涡式两种1. 超声波时差式风速传感器：它是应用超声波的时差来测定风速的,当超声波以速度v从甲地传到距离L的乙地时,所需的时间为t.如图1-4；vV乙甲图 1-4 顺风的条件下如果空气以速度V运动时,超声波从甲地到乙地所需时间为：是V在v方向的分量在顺风和逆风的条件下,如果超声波传播距离相同,如图1-5 所示图1-5 顺风和逆风的条件下所需的传播时间分列为．和,即：顺风时：逆风时:不难看出,通过测量顺风逆风超声波时差关系, 就可以测定风速大小2.超声波旋涡式风速传感器具有如下特点<1>采用超声波涡街原理具有可动部件,可靠性高介质适应性强等特点 <2>采用高集成数字化电路,电路结构简单,性能可靠,便于维修与调试<3>外壳采用全不锈钢材料-设计,增强了传感器的抗冲击和抗腐蚀能力,通过两者的比较最终选择超声波旋涡式风速传感器电路进行设计3.超声波旋涡式风速传感器具有如下优点：〔1无可动部件,无机械磨损,性能稳定,使用寿命长；〔2输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号,没有零点漂移,且敏感元件灵敏度变化不会直接影响输出,测量精度高；〔3输出信号不受流体特性〔温度、湿度、压力、成份、密度、粘度、矿尘等影响；〔4响应迅速。

第2章工作原理及设计方案2.1工作原理矿用风速传感器是利用卡曼涡街原理和超声波旋涡式风速传感器工作原理,下面分别介绍卡曼涡街效应和旋涡式风速传感器工作原理卡曼涡街原理超声波旋涡式风速传感器是利用卡曼涡街效应设计的在流体中设置旋涡发生体〔阻流体,从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡,这种旋涡称为卡曼涡街,如图2-1所示旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列图2-1卡曼涡街效应式中：f-漩涡频率；s-常数；圆柱形挡体的s值为0.21；v-未扰动流体的速度；d-阻挡体宽度〔或直径首先将风速转换成与风速成正比的旋涡频率,然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲,后将超声波脉冲转换成电脉冲,从而测得风速由于超声波旋涡式风速传感器具有寿命长,易维护,成本低等优点因此,在矿井监控系统中获得了广泛应用我们知道,在流动的水中,垂直于流向插人一阻挡体,在阻挡体的下游会产生两列旋的互相交替的旋涡可以证明：在无限界流场中,垂直流向插入一根无限长非流线形阻挡体,阻挡体的下游将产生两列旋、互相交替的旋涡,若对流速、阻挡体截面面积和形状作适当的限制,则旋涡频率与流速成正比：其旋涡的发生频率为 f,被测介质来流的平均速度为V ,旋涡发生体迎面宽度为d ,交替产生的漩涡数通过压电元件检测出频率 f,经电子线路检测后送给定时控制器、锁定寄存器进行运算处理给显示电路进行显示。

超声波旋涡式风速传感器工作原理：如图2-2 所示在风洞中设置确定旋涡发生杆〔即阻挡体,在阻挡体下方安装一对超声波发射器和接收器,当流动空气经过旋涡发生杆时,在其下方产生两列旋相互交替的旋涡由于旋涡对超声波的阻挡作用,超声波接收器将会收到强度随旋涡频率变化的超声波,即旋涡没有阻挡超声波时,接收到的超声波强度最大,旋涡正好阻挡超声波时,接收到的超声波强度最小超声波接收器将接收到的幅度变化的超声波转换成电信号,所经过放大、解调、整形等就可获得与风速成正比的脉冲频率图2-2 超声波旋涡式风速传感器工作原理当发生杆一定时,风速越大,形成的卡曼旋涡就越强,对超声波束调制度越大当风速很低时,会形不成旋涡为检测较低的风速,可以增大发生杆直径或提高超声波接收器的灵敏度能产生旋涡的发生杆直径与风速关系如图2-3 所示图2-3 产生旋涡的发生杆直径与风速关系为了解决低风速的测量问题,首先要设法提高调制度,方法一是选择合理的漩涡发生体；方法二是用灵敏度高的超声波换能器,超声波发射与接收器的形状、断面尺寸、相对位置及安装紧固程度和偏移角等都会影响灵敏度超声波发射与接收器应设置在其轴线距发生杆的距离为发生杆直径6 倍的地方,以保证线性度。

超声波的工作频率应为140～150kHz,即高于风速旋涡频率两个数量级,但不要过高,过高会造成超声波在空气中传播时的严重衰减2.2设计方案矿用风速传感器主要由：电源电路,发射电路,接收电路,整形电路,频流转换,就地显示组成超声波旋涡风速传感器是利用卡曼涡街对超声波调制原理来实现对风速的测量的传感器输出1~5mA的直流模拟信号,其值对应0.4~15m/s的风速值并有就地数字显示功能,直读风速值可对煤矿井下的风速进行遥测其测量围0.4~15m/s1.电源电路：由三端固定集成稳压器W和由闸流管SCR、稳压管D4组成的保护电路构成由电源箱供给21V450mA直流电源,经本电路稳压后输出12V直流电压作为传感器的工作电路,当W由于某种原因损坏,使输出电压大于13V时,稳压管D4被击穿,闸流管SCR导通电流经SCR流入地,从而实现就地保护2.发射电路：该电路由电感三点式振荡器〔哈特莱电路和乙类推挽功率放大器组成振荡器产生145KHz的连续等幅正弦波,由变压器输入端,经功率放大后施加到发射换能器F上发射电压约11V,发射功率约200mW3.接收电路：由中频放大器、检波器、低频放大器组成发射换能器发出的超声波,经空气衰减后,被接收换能器接收,转换能量损失很大,接收换能器输出的信号很微弱,一般只有几毫伏,为了满足检波器的需要,实现大信号检波而采用了中频放大器专门对接收换能器输出的信号进行放大。

中频放大器由两级LC选频放大器组成,放大器的中心频率为145KHz,频带宽度为3 KHz,电压放大倍数为600~800倍,输出电压有效值为1V检波器将中频放大器输出的调幅信号中的低频漩涡信号检出送给低频放大器,检波器输出电压幅值为5~10 mV,其值随风速增加而增大低频放大器采用8FC7型单电源运放构成两级放大器,每级放大约20倍,频率围在20~1200Hz,当输入端短路时,输出端噪声电压不大于1 mV.4.整形电路：由BG6、BG7两只硅晶体管构成,把低频放大器输出的近似正弦波信号转换成矩。