一种基于s型皮托管的风向风速测量装置及方法
【专利摘要】本发明属于电器控制与煤矿安全【技术领域】，涉及一种在具有煤尘、瓦斯等爆炸性气体的煤矿井环境中，对瓦斯逆流情况进行监测的一种基于S型皮托管的风向风速测量装置及方法。测量装置包括S型皮托管、变径直通、差压传感器、微控制器。本发明解决了目前在煤矿安全监控领域广泛使用的风速传感器仅能测量单方向的风速，无法判断风向的情况，采用差压原理进行设计，既可准确判断当前风流是来风还是去风，同时又能精确测量出风速。并且，本发明不仅局限于煤矿安全监控领域，对于管道形式内双向风速的测量均适用。无可动部件，结构简单可靠，测量准确，且长期稳定性好、抗电磁干扰能力强，防尘防堵，适应高湿高粉尘的井下环境。
【专利说明】—种基于S型皮托管的风向风速测量装置及方法【技术领域】
[0001]本发明属于电器控制与煤矿安全【技术领域】，涉及一种在具有煤尘、瓦斯等爆炸性气体的煤矿井下环境中，对瓦斯逆流情况进行监测的一种基于S型皮托管的风向风速测量装置及方法。
【背景技术】[0002]煤与瓦斯突出事故会导致瓦斯逆流，通过监测风向和风速可以准确判断瓦斯逆流情况。因此风向和风速的监测是预测和监控煤与瓦斯突出的重要手段。
[0003]目前在煤矿安全监控领域广泛使用的风速传感器仅能测量单方向的风速，无法判断风向，且抗电磁干扰能力较差。并且，尚无基于差压原理的S型皮托管设计的风向风速测
量装置。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对以上技术的缺陷，提供一种风向风速测量装置及方法。本发明的技术解决方案是，测量装置包括S型皮托管、变径直通、差压传感器、微控制器，变径直通(3)的一端通过硅胶管(2)连接S型皮托管(I)，变径直通(3)的另一端通过另一段硅胶管(5)与侧躺的差压传感器(4)进气口连接，差压传感器(4)与微控制器电气连接，微控制
器根据伯努利方程V = I#计算得到风速值，其中，K为皮托管系数，P为差压值，P为空
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[0005]所述差压传感器采用双向精密数字式微差压传感器，测量下限低于0.4m/s，精度高于0.1%。。差压值为正值时，判断测量的是来风方向的风速，差压值为负值时，判断测量的是去风方向的风速。
[0006]所述S型皮托管为对称结构，正对气流来向的一端测量的是相当总压，背向气流来向的另一端测量的是相当静压。
[0007]所述微控制器连接大气压传感器、温度传感器，大气压传感器、温度传感器采样实时气压和温度值，根据P = 3.483χ 10-3〖得出空气密度，对环境影响的风速误差进行精度补偿，其中，P为大气压值，T为温度值。
[0008]本发明采用的技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果:
[0009]一种基于差压原理可同时测风向和风速的测量装置，弥补了目前在煤矿安全监控领域广泛使用的风速传感器仅能测量单方向的风速，无法判断风向，且抗电磁干扰能力较差的缺陷。其次，采用的差压传感器测量下限低于0.4m/s，解决了风场在低风速时无法测量和误差较大的问题。再次，采用特定规格尺寸的S型皮托管设计，成功滤除矿井下的各类粉尘，防尘防堵，适应高湿高粉尘的井下环境。采用了大气压传感器、温度传感器采样实时气压和温度值，即使在复杂恶劣的环境下，也能够降低气压和温度对实际环境的影响，使得所测的数据更加接近实际情况。
[0010]本发明完全满足强制性行标《MT448-2008矿用风速传感器》对差压原理风速传感器基本误差±0.2m/s的要求。此外在测试和用户实际使用过程中，基于S型皮托管的风向风速测量装置还具有反应速度快、长期稳定性好、抗电磁干扰能力强等优点，是涡街原理风速传感器的理想更新换代产品，具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的结构示意图。
[0012]图2是本发明的系统工作原理框图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明作详细说明。
[0014]风向风速测量装置，基于差压原理，测量装置包括S型皮托管(I)、变径直通(3)、差压传感器(4)、微控制器，变径直通(3)的一端通过硅胶管(2)连接S型皮托管(1)，变径直通(3)的另一端通过另一段硅胶管(5)与差压传感器(4)进气口连接，差压传感器(4)与微控制器电气连接。S型皮托管的塔式管接头朝上，穿过外壳底座固定安装在底座上。S型皮托管(I)产生当前风场内的全压和静压值通过上述连接方式送至差压传感器
(4)，同时，安装在电路板上的大气压传感器和温度传感器采集当前环境的气压值和温度
值，根据ρ = 3.483χ10 得出空气密度，经过内部电路处理后，微控制器根据伯努利方程
[0015]风向判断是利用S型皮托管的对称结构和可测量正负压力的高精度差压传感器实现的。差压传感器测量的压力差为A管压力与B管压力的差。当风流方向为正向时皮托管的A管为总压管、B管为静压管，差压传感器测得的压力为正值；当风流方向为反向时皮托管的B管为总压管、A管为静压管，差压传感器测得的压力为负值。利用伯努利方程计算时，根据差压值的正负即可得到风速值的正负，从而准确判断当前的风向状态。计算的风速值为正值时，表示测量的是来风方向的风速，计算的风速值为负值时，表示测量的是去风方向的风速。
[0016]所述差压传感器采用双向精密数字式微差压传感器，测量下限低于0.4m/s，精度高于0.1%。，当差压值为0.1Pa时也能精确的测量出来，这解决了风场在低风速时无法测量和误差较大的问题。
[0017]S型皮托管是由两根外形相同的金属管定向焊接而成。使用时，环境中的粉尘会在压力的作用下进入皮托管，在粉尘的上升过程中，随着压力的减小粉尘会逐渐下沉，不会进入皮托管根部和差压传感器内部。正是这种特殊的结构使S型皮托管具有“本质防堵”的特点。S型皮托管的侧头距洞壁的距离应大于125mm，否则所测的风速值与风场当中的实际值不相符。因此我们考虑装置的外观外形设计，优选了长度为120mm的S型皮托管，这样能够很好的降低装置外观的长、宽、高对当前风场的影响。同时，考虑防堵和风向测量的要求，我们采用了直径为10_的S型皮托管，这样既便于加工，又能防止S型皮托管在直接接触煤矿等其他恶劣环境时，易遇粉尘堵塞，影响装置测量精度。
[0018]本发明利用变径直通(3)和两种不同参数的硅胶管(2)和(5)，连接S型皮托管
(I)和差压传感器(4)。综合考虑上述S型皮托管所选取的直径与差压传感器进气口的直径差异，以及煤矿井下空气不洁净的情况，2个变径直通的一端通过硅胶管(2)连接IOmm的皮托管(I)的塔式管接头，另一端通过硅胶管(5)连接差压传感器(4)，并且用绑扎带固定在电路板上。由于煤矿井下粉尘较多，湿度较大，环境恶劣，进入S型皮托管(I)根部的脏空气如果不经处理容易直接进入到差压传感器(4)的内部，经过一段时间后，粉尘堆积，破坏敏感元件，最终导致无法正常测量风向风速。即使因为环境十分恶劣，粉尘进入了皮托管根部，通过上述连接方式，也能够较好的解决粉尘堆积问题。定期清理S型皮托管，更换硅胶管与变径直通，如此，输送给差压传感器的空气就比较干净，成功滤除矿井下的各类粉尘，适应高湿高粉尘的井下环境。同时，如果粉尘过多，堆积在变径直通和硅胶管，更换起来相对方便很多，而且节省了成本。
[0019]本风向风速测量装置采用了微控制器连接大气压传感器、温度传感器采样实时气
压和温度值，根据/> = 3.483x10 纟得出空气密度，对环境影响的风速误差进行精度补偿，
其中，P为大气压值，T为温度值。即使在复杂恶劣的环境下，也能够降低气压和温度随环境的改变对测量造成的影响，使所测的数据更加接近实际情况。
[0020]本发明既可准确判断煤矿当前风流是来风还是去风，同时又能精确测量出风速。该原理风向风速测量装置无可动部件，结构简单可靠，测量准确，且长期稳定性好、适应高湿高粉尘的井下环境、抗电磁干扰能力强。
[0021]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于S型皮托管的风向风速测量装置，其特征是，测量装置包括S型皮托管(I)、变径直通(3)、差压传感器(4)、微控制器，变径直通(3)的一端通过硅胶管(2)连接S型皮托管(I)，变径直通(3)的另一端通过另一段硅胶管(5)与差压传感器(4)进气口连接，差压传感器(4)与微控制器电气连接，微控制器根据伯努利方程ν =计算得到风速值，其中，K为皮托管系数，P为差压值，P为空气密度。
2.根据权利要求1所述的基于S型皮托管的风向风速测量装置，其特征在于:所述差压传感器采用双向精密数字式微差压传感器，测量下限低于0.4m/s，精度高达0.1%。。差压值为正值时，判断测量的是来风方向的风速，差压值为负值时，判断测量的是去风方向的风速。
3.根据权利要求1所述的基于S型皮托管的风向风速测量装置，其特征在于:所述S型皮托管为对称结构，正对气流来向的一端测量的是相当总压，背向气流来向的另一端测量的是相当静压。
4.根据权利要求1所述的基于S型皮托管的风向风速测量装置，其特征在于:所述微控制器连接大气压传感器、温度传感器，大气压传感器、温度传感器采样实时气压和温度值，根据p = 3.483'xi0 得出空气密度，对环境影响的风速误差进行精度补偿，其中，P为大气压值，T为温度值。
【文档编号】G01P13/02GK103543288SQ201310493340
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】苗丙, 徐松涛, 彭铃舒, 李晓波, 张学明, 王国权 申请人:北京瑞赛长城航空测控技术有限公司, 中航高科智能测控有限公司