一种皮托管风速传感器设计

GFY15X皮托管式煤矿用 双向风速传感器项目开发方案稿

项目编号：RD2014A05 起止年月： 起草人员：

上海坤嘉自动化科技有限公司

一、 皮托管原理风速传感器开发需求

针对传统风速传感器因井下特殊环境常造成超声波探头性能减弱，不能正确反映环境风速值的问题，提出一种矿用皮托管式风速传感器设计方案，详细介绍了其原理及软硬件设计。该传感器采用S型皮托管测量风的压力,利用差压芯片计算差压信号值,并根据电信号、差压信号、风速之间的对应关系求取风速信息。

二、 产品基本要求

名称：煤矿用双向风速传感器

型号：GFY15X

工作电压范围（9～24）V

工作电流（45±5）mA，在额定工作电压22V时。 1、测量范围

a、风速：正或反向（0.4～15 ）m/s； b、风量：巷道直径（20～100）cm2 c、风向：1无风，2正风，3反风。 2、基本误差

a、风速：±0.2 m/s； b、风量：±16 m3/s。 3、显示方式

4位数码管显示； 4、输出信号 a、 风速

1） 频率信号：(1)正向（200～1000）Hz，反向（200～1000）Hz;

(2)正向（200～1000）Hz，反向（1200～2000）Hz（脉冲宽度不小于0.3ms，当用2000Hz时，超出行 标规定，分站采样率必须是最高频率2倍即4kHz）

2） 电流信号: (4～20)mA 3） RS485：4800bps b、风向

1）（0～1～5）mA；（无风～正风～反风） 1）（-5～0～+5）mA；（正风～无风～反风） c、风量

需要传感器和监控系统同时设置巷道面积。 5、分辨率

风速：0.1m/s； 风量：0.1m3/s；

三、 皮托管选型

皮托管是一种是市面上常用于检测管道内气体（液体）的压力、风速、风量的检测仪器。具有可靠的理论依据，使用方便。皮托管根据流体流动引起的压差进行风速检测。

皮托管按形状可分为L型皮托管（标准型）和S型皮托管（背靠背管）。

L型皮托管是由两根不同内径304不锈钢圆管子同心套接而成，内管通直

端尾接头是全压管，外管通侧接头是静压管，广泛应用于洁净室管道、空调管道、矿井通风管道、风机管道等机械设备管道的压力（正压、负压、差压）测量；S型皮托管由两根外形相同的金属管定向焊接而成，在它的测试端制成方向相反的两个互相平行的开口。两个开口截面互相平行。测量时，面对气流为全压端，背对气流为静压端，具有防尘防堵、耐温耐压不易被高浓度的粉尘堵塞等特点，广泛应用于电厂烟道、化工厂、水泥厂、锅炉厂等环境复杂的大型管道中测量使用。但由于侧头气流的影响，S型皮托管测的静压值与实际值相比，有较大误差。

皮托管的选型：一般情况情况下L 型皮托管比S 型皮托管更具有测量静压的效果，如果介质中含有渣质，则选择背靠背防堵的S型皮托管。

本次产品开发，由于使用在煤矿井下等含有粉尘环境中，并且需要测量风向，所以S型皮托管符合本次开发需要。

四、 S型皮托管机械结构 4.1结构要求

1、皮托管的直径D一般为4～15mm之间，两根金属管上应分别有永久性“A”、“B”符号标志；

2、整个金属管应粗细均匀，表明光滑，不得扭曲、变形； 3、支管基线到两端开口端面的距离相等，即Pa=Pb,为皮托管外径的1.05～1.5倍，材质一般采用304不锈钢；

4、感压孔周围不应有毛刺、缺口、裂痕、凹凸不平等现象；

5、皮托管的总压孔与总压接头、静压管与静压接头之间各焊缝处应气密，不得漏气；

6、皮托管的总压孔与总压接头、静压管与静压接头均应畅通，不得赌塞； 7、皮托管系数K应在0.81～0.86之内，在5～25m/s的流速范围内，其系数误差不大于0.05。

4.2长度要求

根据风筒管道的直径不同，皮托管的长度设计为可伸缩的机械结构，现场根据安装管道直径的大小，调节伸入管道内皮托管的长度，使皮托管风压采样头刚好处于管道的中心位置。从而避免由于管道壁对测量结果产生影响，使测量结果不准确。

4.3连接方式

由于本传感器用于风筒风量的测量，

所以采样头与传感器主体采用分离设计，

两者之间利用（3～5）m电缆进行连接；电缆与主体机械结构之间采用5芯航空插件连接；电缆与采样头之间采用紧固件连接，图样见机械总装图。

五、皮托管式风速传感器的工作原理

皮托管测得的动压通过压力传感器转换为电信号，转换后的电压信号经过放大和模数转换得到数字信号，再经过单片机处理后分配给各个单元。

1、通过显示电路显示测量的风速值（风量值）；2、将风速（风量）以电流或者频率信号输出到分站；3、当风速（风量）超过规定值，可进行声光报警； 原理框图如图2。

图2 原理框图

六、 S型皮托管差压测风速的检测原理

S型皮托管由两根结构相同的金属管背向制成，在它的测端制成方向相反的两个互相平行的开口。测定时，迎风方为全压端，背风向为静压端。进入皮托管迎风端的气流压力(称为全压) ,除了流体本身的静压,还含有流体滞止后由动能转变来的那部分压力,而进入皮托管背风面小孔的气流压力仅仅是流体的静压,根据全压和静压即可求出动压,从而求出风速。 6.1风速计算公式：

通过皮托管测量出动压值（动压为全压减去静压，即P=Pt-Ps），通过伯努利方程，可算出管道内流量和流速。

f

2 p

(1)

式中：

f—真实风速，单位为米每秒（m/s）；

ρ—风流空气密度，单位为千克每立方米（kg/m3） p—动压值，单位为帕（Pa）；

6.2测取试验环境参数，并按下式计算空气密度：

3.483 10-3

p

T (2)

式中：

ρ—空气密度，单位为千克每立方米（kg/m3）； P—大气压力，单位为帕（Pa）；

T—干空气温度，单位为开（K），T=（t+273）K。

6.3由式（1）和式（2）得，在15℃一个标准大气压的环境下，风速与差压的关系：

F2≈1.6p (3)

式中：

F为风速，单位，m/s； p为差压，单位Pa。

七、差压信号采集电路设计

矿用风速传感器行业标准MT448-2008要求差压风速传感器测量范围为

（0.4～15）m/s，基本误差不超过±0.2m/s。由式（3）可得，风速0.2m/s，对应的差压为0.025 Pa，0.4m/s对应的差压0.1 Pa，15m/s对应的差压为140.625 Pa。为了满足行标MT448-200要求，差压范围需要满足如下条件： （1） 差压芯片的输入范围应该为（0.1～140.625）Pa； （2） 为了保证在测量范围内均满足基本误差要求，必须保证在风速为0.4m/s

时，误差不超过±0.2m/s。风速为0.4m/s与0.2m/s时的差压相差0.109Pa,因此差压波动的最大范围为±0.075 Pa。

根据以上分析，本次设计选用高性价比，高精度的SDC001ND型芯片，芯片主要参数如表1。

表1 SDC001ND芯片主要性能

SDC2.5ND芯片输出电信号与输入差压信号的对应关系：

V=2*p /254+2.25 (4) 式中：V为差压信号对应的输出电压值，单位V； P为输入差压，单位为pa。

该型号芯片还可以用来判断风速的流向，当测量的压力是负压时，表示是反

方向的风；当测量的压力是正压时，表示是正方向的风；当无压力输出时，表 …… 此处隐藏：1658字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……