王 輝

（山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司佳峰煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

煤炭開采環(huán)境極其惡劣，礦井工作面空氣中各類有毒有害氣體以及粉塵煤炭顆粒，對工作人員的生命健康安全造成了嚴(yán)重的威脅，漂浮在空氣中的煤炭粉塵有可能大量附著在機(jī)械設(shè)備上，對設(shè)備的使用造成了不利的影響，甚至有可能突然發(fā)生故障，中斷正在連續(xù)進(jìn)行的開采過程，降低煤炭的生產(chǎn)效率[1]。因此，現(xiàn)代化煤礦的發(fā)展對礦井內(nèi)通風(fēng)設(shè)備的工作性能要求更高，要求通風(fēng)機(jī)在適當(dāng)?shù)臅r間和地點(diǎn)對礦井內(nèi)有毒有害氣體和粉塵進(jìn)行有效驅(qū)散。風(fēng)量作為通風(fēng)機(jī)工作參數(shù)的關(guān)鍵，是體現(xiàn)通風(fēng)機(jī)通風(fēng)效果的關(guān)鍵工作指標(biāo)。目前針對工作面風(fēng)速測試的系統(tǒng)具有片面性，只能針對工作面某一點(diǎn)進(jìn)行局部風(fēng)量測試，如何從全局測試有助于提高礦井工作面通風(fēng)效果的研究水平[2]。通過LabVIEW 軟件設(shè)計出礦井工作面通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試系統(tǒng)的硬件及軟件相結(jié)合的整體結(jié)構(gòu)，采用適宜的設(shè)計方法提高風(fēng)量測試系統(tǒng)精度和計算效率。設(shè)計出的風(fēng)量測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可為煤礦行業(yè)研發(fā)風(fēng)量測試設(shè)備提供依據(jù)[3]。

1 風(fēng)量測試方法

根據(jù)通風(fēng)機(jī)安裝的工況條件分析，工作面出入口位置的風(fēng)速分布呈非規(guī)律性分布狀態(tài)，目前常采用的風(fēng)速法測量風(fēng)量不太適用該類測試情形。

空氣風(fēng)流作為流體的一種運(yùn)動形式，符合空氣流體研究領(lǐng)域的相關(guān)理論?？諝饬黧w主要分為層流與紊流，這是兩種不同的流體形式。其中層流是流體之間呈層狀分布，中間有明顯的交界面，兩個交界面之間有滑動摩擦力，層與層之間的空氣流動互不干擾和混合；而紊流是一種氣體呈現(xiàn)漩渦狀態(tài)的流體形式，流體與流體之間的摩擦作用力較大并且影響較深[4]。

在礦井工作面斷面正常生產(chǎn)時需不斷輸送新鮮空氣，使原有正常的空氣狀態(tài)出現(xiàn)擾動，能夠有效降低有毒有害氣體濃度和粉塵濃度。根據(jù)現(xiàn)場測試，正常工作時，空氣內(nèi)雷諾數(shù)Re=2 560，大于煤礦安全規(guī)程中規(guī)定的2 320 的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值[5]。因此，可以視為工作面斷面內(nèi)空氣的流動形式為紊流狀態(tài)。紊流流動狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 紊流流動內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

通過相關(guān)理論可以得出，進(jìn)入到礦井工作面內(nèi)的風(fēng)速在受到工作面內(nèi)相關(guān)阻力后，風(fēng)速會逐步下降。風(fēng)速大小數(shù)值沿工作面斷面呈對稱分布形式，工作面中心的風(fēng)速最大，風(fēng)速向工作面四周逐步減小。因此，在接近煤礦附近存在層流現(xiàn)象，其余大部分區(qū)域都是呈紊流狀態(tài)。

2 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件方案設(shè)計

正確的硬件選型是測試系統(tǒng)計算結(jié)果精確性的關(guān)鍵，在選擇硬件的時候應(yīng)從功能需求方向考慮。完成硬件的選型可使整個測試系統(tǒng)的硬件安全平穩(wěn)性好、可靠性高、使用壽命更長并且具有很好的經(jīng)濟(jì)性能。硬件主要由傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)這四部分組成[6]，可收集風(fēng)量的模擬信號，通過計算轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的一個過程，可以實(shí)現(xiàn)將濕度、溫度、速度等模擬物理量轉(zhuǎn)化為電信號的數(shù)字信息。綜合以上功能考慮，設(shè)計整體硬件框架如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

通過整體框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以對輸入信號進(jìn)行放大并開展濾波處理工作。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的信號轉(zhuǎn)化為±10 V 的電壓信號，最終統(tǒng)一儲存至采集卡內(nèi)存中，通過A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過后臺輸入計算機(jī)，對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 測試位置方案

為了能夠使測試順利進(jìn)行，在實(shí)際測定中，就必須根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件以及所選風(fēng)量測試方法合理制訂相應(yīng)的風(fēng)量測試方案。因此，在制訂測試方案時，應(yīng)參照通風(fēng)機(jī)設(shè)備技術(shù)測試的有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及要求，同時根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，確定出合理的測試方法和測試方案（測風(fēng)斷面的選取、測試點(diǎn)的布置方案等），來獲得相對比較準(zhǔn)確、可靠的測試數(shù)據(jù)。所選傳感器按照測試任務(wù)分別被安裝在相應(yīng)的位置上來進(jìn)行信號的獲取。由于溫濕度傳感器是用來對環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行測試的，所以一般將其安裝在風(fēng)機(jī)的外壁上；在進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速測定時，一般需要在風(fēng)機(jī)入口處或風(fēng)機(jī)出口處較平滑的直線段選擇測風(fēng)斷面，本文將測風(fēng)斷面選在風(fēng)機(jī)入口段，并在測風(fēng)斷面處搭架對風(fēng)速傳感器進(jìn)行固定，來獲得相應(yīng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)。風(fēng)速傳感器以及溫濕度傳感器在通風(fēng)機(jī)上的安裝位置如圖3 所示。

2.3 軟件方案設(shè)計

圖3 傳感器布置方案示意圖

通過LabVIEW 軟件對測試系統(tǒng)整體進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計原則為軟件與硬件相匹配。軟件的功能包括對計算參數(shù)結(jié)果進(jìn)行獲取、分析、研判、決策等。整體的軟件設(shè)計應(yīng)由多種類型的功能模塊組成，軟件監(jiān)測顯示結(jié)果應(yīng)清晰明了簡潔，能夠使后臺專業(yè)技術(shù)人員及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測試系統(tǒng)的整體軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

在整體的軟件算法中加入補(bǔ)償算法，對輸入的風(fēng)量數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行結(jié)果優(yōu)化分析，同時結(jié)合環(huán)境氣壓、濕度等因素對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。在軟件系統(tǒng)采集到多個傳感器數(shù)據(jù)后，對每一個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，再用補(bǔ)償后的風(fēng)量數(shù)據(jù)測試結(jié)果綜合分析出實(shí)際的風(fēng)量數(shù)據(jù)。

3 風(fēng)量測試系統(tǒng)驗(yàn)證

在工作面礦井入口布置的補(bǔ)償器測試的風(fēng)速為9 m/s。由圖5 可知，在經(jīng)過動態(tài)風(fēng)速數(shù)值補(bǔ)償過后，誤差值降至0.11 m/s。兩者之間的絕對誤差偏差率僅為0.69%，在測試風(fēng)量的每一個測試點(diǎn)的誤差偏差均沒有超過1.12%，并且在越靠近測試點(diǎn)洞口入口的誤差數(shù)值越小。通過相關(guān)理論計算公式，結(jié)合測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，誤差補(bǔ)償后的風(fēng)速值更接近理論值。通過對整體24 個測試點(diǎn)的風(fēng)速傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出了改變電機(jī)驅(qū)動功率在電機(jī)工作頻率不變的情況下也會對輸出的風(fēng)速值產(chǎn)生影響。

風(fēng)量測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)果說明系統(tǒng)研制對通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的測試性能良好，可有效對風(fēng)量的大小進(jìn)行精確計算，24 個測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析偏差計算結(jié)果均小于國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值。

圖5 測試系統(tǒng)風(fēng)速對比分析圖

4 結(jié)語

隨著煤炭開采量的日益增加，所產(chǎn)生的煤炭顆粒粉塵濃度在上升。通風(fēng)機(jī)是礦井的安全生產(chǎn)設(shè)備，風(fēng)量是通風(fēng)機(jī)是否能夠滿足工作要求的重要參數(shù)，也是評價通風(fēng)機(jī)性能好壞的指標(biāo)，同時也影響通風(fēng)機(jī)在正常過程中的狀態(tài)。風(fēng)量測試系統(tǒng)的方案設(shè)計可為煤礦行業(yè)研發(fā)風(fēng)量測試的大型裝備提供依據(jù)。