基于AVR的礦用風速傳感器研究

摘 要：風速的測量是監(jiān)測煤礦煤與瓦斯突出的重要手段，針對煤礦特殊環(huán)境，研究一種實用、可靠的風速傳感器顯得尤為重要。本文基于AVR單片機，提出了一種礦用皮托管風速傳感器的設計方案，詳細介紹了其原理和軟硬件設計。該傳感器利用差壓原理，無轉動部件，性能可靠，可長時間連續(xù)實現(xiàn)煤礦井下各進、回風巷的實時風速。實驗表明，風速傳感器測量范圍可達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。

關鍵詞：AVR單片機；皮托管；風速傳感器

0 背景

礦井通風是提供新鮮空氣，排除甲烷、一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體的重要途徑，通過風速傳感器測量到的數(shù)據(jù)，進而有效控制通風設備，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速傳感器的研究，基于安全可靠、實時、經(jīng)濟的原則，研究一款實用、反應迅速、性價比高的風速傳感器，實現(xiàn)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中風速的監(jiān)測和煤與瓦斯突出的預警監(jiān)測顯得尤為重要。針對煤礦井下的特殊環(huán)境常造成超聲波探頭性能減弱，不能夠準確測量井下環(huán)境中風速的真實值，因此本文基于皮托管的原理，結合AVR微控制芯片ATMEGA16L，設計了一款實用的風速傳感器，具有廣闊的應用前景。

1 皮托管風速傳感器原理

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型皮托管進行設計。皮托管的構造如圖，頭部為半球形，后為一雙層套管。

測速時頭部對準來流，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。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。對于不可壓縮流動，根據(jù)伯努利方程和能量方程可求出氣流馬赫數(shù)，進而再計算速度。

2 硬件設計

基于S型皮托管的風速傳感器硬件框圖如圖所示：

當煤礦井下有風流經(jīng)過傳感器的皮托管時，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，進而計算空氣密度，利用AVR單片機計算當前的風速值，即為傳感器測量的風速值。傳感器測量的風速值一方面通過數(shù)碼管就地顯示，另一方面使用數(shù)字信號或者頻率信號上傳至煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)需要電源模塊供電，并且當測量到的風速值超出了設定的范圍時，傳感器發(fā)出聲光報警，通知相關人員或者系統(tǒng)采取措施。

3 軟件設計

結合到本系統(tǒng)的測量原理和硬件結構，所設計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；利用相應的算法計算當前的風速值；顯示測量的風速值并上傳；判斷并執(zhí)行是否報警。軟件的主要流程圖如圖所示：

4 實驗測試及性能參數(shù)

基于本文設計的風速傳感器，按照煤礦行業(yè)標準《MT448-2008礦用風速傳感器》的要求，對皮托管式的傳感器采用了常規(guī)風洞試驗、溫度特性試驗、溫度存儲實驗等。得到了傳感器的如下性能指標：

（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

傳感器具有風速、風向檢測功能；

傳感器具有輸出狀態(tài)指示功能；

傳感器具有遙控功能；

傳感器具有聲光報警功能；

（3）主要技術指標

工作電壓、工作電流

a）工作電壓：（9～25）V DC ；

b）工作電流：≤180mA。

風速信號輸出制式（出廠時輸出信號制式為三選一）：

a）電流：DC 4 mA～20 mA（負載電阻0Ω～500Ω）；

b）頻率：200 Hz～1000 Hz（脈沖寬度大于0.3ms）；

c）數(shù)字信號： RS-485 數(shù)字通信，實現(xiàn)風速、風向、風量信號的同時輸出。

測量范圍：（0.3～15）m/s

基本誤差：±0.2m/s

5 結語

基于AVR的皮托管礦用風速傳感器很好的解決了傳統(tǒng)的風速傳感器測量不準確，反應慢，不穩(wěn)定，不能夠適應煤礦惡劣環(huán)境的使用要求。實驗結果表明，風速傳感器的測量誤差完全滿足行業(yè)標準《MT448-2008礦用風速傳感器》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

[1] 孟小紅，楊誠，朱正憲.我國礦用風速儀表概述[J].計量與測量技術，2004.02

[2] 蔣澤，郝葉軍，劉炎.一種礦用皮托管風速傳感器設計[J].工礦自動化，2012.11

作者簡介

高亮（1986-），男，重慶人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為傳感器技術。