曹旭光

（山西阳城阳泰集团西沟煤业有限公司，山西 晋城 048100）

引言

一直以来，煤矿安全生产备受企业和作业人员的关注。通风系统为煤矿的“肺”，其可降低工作面的瓦斯、粉尘浓度，以保证相关指标满足《煤炭安全规程》的标准值。瓦斯治理为煤矿通风机的主要治理威胁源，近年来虽然在开采前采取的瓦斯的预抽采措施可有效降低瓦斯浓度，但是，还需要通风机时刻降低工作面的瓦斯浓度[1]。目前，通风机未配置对工作面风量、风压监测的功能，使得其无法实现对通风的系统化管理。本文将根据实际工况设计通风机风量风压的监测系统。

1 通风机风量风压监测原理

结合理论基础，本文所设计的风量风压测定系统基于静压落差法的基本原理实现，其主要功能为对通风机的风量和风压进行监测。该系统的核心原理为对通风机扩散筒的静压信号进行测量，通过对静压值的换算得出通风机的实时风速和动压，从而实现对通风机全压和风量的测定[2]。具体实施路线：在通风机的扩散筒处的两端安装静压环，通过静压环对两端的静压进行测定，如图1 所示。

通风机的风量和风压为图1 中截面的风量和风压，基于静压差换算风量和风压的计算公式如式（1）和式（2）所示。

式中：v2为横截面2 处的风速；f 为横截面2 处的风量；∆p 为横截面1 和横截面2 的静压差值；μ 为能量损失系数；A2为横截面2 处的面积；ρ 为空气密度。

因此，实现对通风机风压和风量测定的核心在于基于静压环对两个截面静压的测定，故为通风机设计合理、有效的静压环十分重要。为了保证最终风量、风压测定结果的准确性，设计多孔静压环对通风机扩散筒前后的静压进行测定，静压环与通风机扩散筒的连接示意如图2 所示。

图2 多孔静压环与通风机扩散筒连接示意图

由图2 可知，静压环的直径为300 mm，短支管长度为10 cm，短支管直径为75 mm。

2 通风机风量风压测定系统的设计

静压环为实现风量风压测定功能的核心。对于风量风压测定系统而言，还需具备数据处理、实时显示以及报警等功能[3]。因此，本节基于“1”静压落差法从硬件和软件两个层面完成风量风压测定系统的设计。

2.1 硬件设计

结合测定系统的功能需求，其硬件结构如下页图3 所示。

由图3 可知，该测定系统以单片机为核心处理器，并为其配置的信号放大器、模数转换器、上位机显示器和报警器等。

图3 风量风压测定系统硬件结构

结合该系统的数据处理需求和单片机的参数指标，综合低功耗、多接口等要求，确定选用MSP430 型号的单片机。该型单片机的驱动电压为3.3 V，属于低电压，其功耗超低；该型单片机为16 位，具有较强的数据处理能力；该型单片机集成了高性能模拟技术，具备丰富的接口。根据风量风压测定系统的功能要求，为单片机端口配置不同功能[4]。其中，P1.2 接口为风量信号输出端口；P4.1 接口为风压信号输出端口；P3.3 接口为报警信号输出端口；P6.0 和P6.1 接口为静压信号采集端口；P3.0～P3.2 和P5.0～P5.7 接口为LCD 控制端口。

根据测定系统各部件的用电需求，需要为该系统配置两套供电电源。其中，一组为对压力变送器进行供电，鉴于工作面特殊的工作环境，为其配置MKD 输出本质安全型电源；另外一组对单片机系统进行供电，该电源选用LJAS 型AC 转DC 模块电源，该电源模块需要配置AS1117 芯片，实现电压从5 V 到3.3 V的转换。为保证系统的安全性，将图3 中的各硬件组成均置于隔爆腔体内。所配置的关键硬件如表1 所示。

表1 风量风压测定系统硬件配置情况

2.2 软件设计

单片机为该测定系统的核心控制器[5]。因此，需基于单片机的运行环境并结合测定系统的功能要求设计相关的软件流程。所设计的风量风压测定系统的软件总流程如图4 所示。

图4 风量风压测定系统软件总流程

3 风量风压测定系统的调试与现场试验

本节重点对所设计的风量风压测定系统进行调试，并对调试完成后系统进行现场试验，验证该系统对风量、风压的测定的准确性。

3.1 调试

针对风量风压测定系统的调试，分为硬件调试和软件调试。其中，软件调试采用单片机仿真器进行；硬件采用数字万用表、直流稳压电源、数字示波器等进行。经调试，该系统的硬件和软件均达到了设计要求，可加装于实际应用中对其测量准确性进行进一步的验证。

3.2 现场试验

本次现场试验的载体为型号FBDY-2×30 的局部通风机，将所设计的静压环根据通风机的结构安装于扩散筒的两端，并为其连接所设计的风量风压测定系统，对该型通风机的风量和风压进行测定。所搭建的试验模拟示意图如图5 所示。

图5 现场试验系统组成图

由图5 可知，检测平台所测定的为通风机的理论风量和风压；测量系统所测定的为实际风量和风压。测量结果如下页表2 所示。

由表2 可知，对通风机两种工况下的风量和风压测定结果进行验证得出：所设计风量风压测定系统所测定的风量和风压两类参数的相对误差均在允许范围之内，其精度和稳定性达到设计要求。

表2 风量风压测定系统现场试验结果

4 结语

通风系统为煤矿安全生产必不可少的分系统，掌握通风机的实际风量和风压并对通风机工况进行实时控制，保证通风机运行工况与工作面的实际通风需求相匹配是十分重要的。因此，需要设计一套系统实现对通风机风量和风压的精准测定。本文基于MSP430 单片机设计一套风量风压测定系统，并经过试验可知：基于该系统对风压的测定结果相对误差可控制在±1.2%之内；对风量的测定结果相对误差可控制在±0.5%之内。