KGF2型风速传感器性能的提升

刘国锋

摘 要：矿用传感器是煤矿监控系统的“耳目”，它用于监测煤矿环境参数与生产过程参数，将各种物理量转换为电信号。矿用风速传感器在煤矿开采业中的作用不可小觑。在煤矿开采时风速的大小直接影响矿工的生命安全，风速太小，有害气体得不到及时的稀释，可能导致爆炸；如瓦斯爆炸。因此风速传感器在煤矿开采中至关重要。

关键词：矿用风速传感器；安全；重要作用

1 KGF2型风速传感器简介

KGF2型风速传感器是一种用于监测煤矿井下通风状态的重要检测仪器。具有检测范围宽、测量精度高、抗干扰能力强、监测时不受环境温度、气压、粉尘影响等显著优点。能与井下各种类型的监测系统配套使用。具有很强的远传信号能力。在保证煤矿井下有毒有害气体排放质量，确保矿工人身安全和煤矿安全生产方面发挥着日益重要的作用。

KGF2型风速传感器主要用于监测煤矿井下回风巷、掘进巷等工作场所的风流、风速状况。尤其对正在进行有毒有害气体排放的巷道回风状况的监测。它能与井下各种类型的监测系统配套使用，在井下24小时昼夜连续工作。随时将被测巷道的通风状态转换成标准电信号就地显示出来，并输送给与之相连的关联设备。

特点：KGF2型风速传感器的检测探头为不锈钢制成的旋涡体，它能随时将经过其两侧的被测风流转换成相应的电信号。

电路上，设计了能产生145kHz左右连续等幅振荡信号的超声波发射电路。采用了能将此连续等幅振荡的电信号转变成等幅连续的超声波束，并通过空气传送到接收换能器上的发射换能器。设计了能将已被旋涡调制了的信号转变成电信号并选频、处理的后续电路和能提高KGF2型风速传感器信号传输能力的信号远传电路。

2 风速传感器工作原理

根据卡曼涡节理论（图1），在无限界流场中垂直插入一根无限长的非线性阻力体时（阻力体称旋涡发生体），则在一定的雷诺数范围内（Red=200～5*10000），阻力体下游会产生两排交替的、内旋的旋涡列，而其旋涡率正比于流速，公式表示：

因此，只要测出f，就可以知道风速V，这样测量的风速就归结为测量旋涡频率，而超声波风量传感器就是利用超声波被旋涡调制的原理来测定旋涡频率的。

在流体中插入一非流线体（旋涡体），当流速大于基本值后，旋涡体的两边将产生两列方向相反、交替出现的旋涡，该旋涡的频率f与流速成线性关系。只要测到旋涡频率即可得到流速值。在旋涡体一定距离内垂直于旋涡体轴线方向设置一对压电超声换能器，发射换能器发出等幅连续的超声波、通过空气被接收换能器接收形成声束，当旋涡经过时，使等幅连续的超声波束发生折射、反射和偏转，即旋涡频率被超声波束调制，在接收到调制声波后，输出已调制的电信号。这个被调制后的信号经选频、放大、检波、滤波整形、跟随放大后输出与旋涡频率即被测流速值相对应的直流信号。该信号通过A/D转换器处理成标准电信号，完成就地显示和送往系统分站，实现对煤矿井下巷道通风状况的连续监测。图2为超声波旋涡式风速传感器工作原理。

3 风速传感器在日常使用中存在的问题

根据KGF2型风速传感器风速运行工作原理，结合该矿工作实际，经过长时间的运行与观察，KGF2型风速传感器在工作过程中存在很多问题，造成系统运行不稳定、传输数据出现问题。主要表现在以下几个方面：

①新出厂风速传感器无法在系统软件中正常添加。

由于该矿井下回风巷、采面多，安装风速传感器较多，风速传感器出现故障进行更换时，经常出现更换后无法在系统软件中正常显示的情况。具体表现为现场更换新出厂传感器后，现场风速传感器显示值正常，与实际风速误差不大，但在信号传输过程中，无法将数据传输至地面中心站，地面中心站显示风速传感器为故障或风速为0m/s。

由此可见，由于KGF2型风速传感器存在缺陷而不能保证风速传感器正常运行。通过与厂家技术人员联系，风速传感器中使用的ATmega8单片机与现用系统兼容性不强是影响风速传感器正常运行的主要原因。针对兼容性问题，我们通过选取ATmega16型单片机替换KGF2型风速传感器原有的控制芯片来解决这一问题，ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。通过更换控制芯片可以达到提高KGF2型风速传感器灵敏度和与KJ31N（S800）系统兼容性的目的。

通过反复试验及现场跟踪验证后，风速传感器经过改造后，可以根本上解决信号数据传输问题。

②风速传感器显示数据与现场实际风速误差增大。

风速传感器在风速传感器在安装使用一段时间后，现场显示数据与实际风速误差增大。由于井下环境的复杂性和特殊性，风速传感器在使用过一段时间后，传感头内外和旋涡杆上会附着上一定量的积尘和水雾，这时风速传感器的灵敏性就会明显的下降，导致传感器显示值与实际值产生误差。

所以我们在使用过程中应两天用软布清扫传感头内外和旋涡杆上的积尘和水雾，严禁用硬物刮擦传感头外的保护层。

③在安装过程中安装位置不当也会造成数据失真。安装时，把传感器牢固地安装在测量位置，不能晃动，注意探头进风口方向，有圆柱体侧为进风口。安装位置见风速安装示意图3。

4 结束语

煤矿安全监测系统是煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术。其中风速传感器能否正常稳定的工作是衡量监测系统是否可靠的一个重要标准，对于减少事故发生，有效地保障煤矿安全生产和矿工生命安全也具有重要意义。

参考文献：

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