CN103399171B - 双向风速、风向测量的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向风速、风向测量的检测装置及检测方法，装置包括微差压取样探头、自动清零组件和微压差元件；微差压取样探头包括用于取样的引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ和出气口Ⅰ以及出气口Ⅱ，微压差元件具有取样口Ⅰ和取样口Ⅱ；自动清零组件设有接口Ⅰ、接口Ⅱ和接口Ⅲ，接口Ⅰ和接口Ⅲ之间可切换的与接口Ⅱ连通或关闭，本发明使用时可双向测量，适用于煤矿等条件极其恶劣的场合测量风速和风向，抗粉尘水汽影响能力强，测量精度和稳定性较高，具有零点校准功能，结构简单，加工装配容易，且使用周期较长，消除现有压力传感器工作后迟滞非线性特性，本发明0～40℃范围内零点变化量小于0.1Pa，能实现0.1Pa的稳定测量。

Description

双向风速、风向测量的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种适用于煤矿井下的安全附属设备，特别涉及一种双向风速、风向测量的检测装置及检测方法。

背景技术

矿井通风就是把地面空气连续不断的送往井下，同时连续不断地把井下污浊空气排出井外。矿井通风是煤矿安全生产的基础，它不但具有向井下各用风地点输送新鲜风流，保障井下作业人员呼吸的重要功能，同时，还具有稀释、排除矿井瓦斯与粉尘以及作业区间的降温等功能。合理的通风是抑制煤炭自然和火灾发展的重要手段，但如果通风系统布置不合理或管理不当，将恰恰是导致瓦斯积聚和自然发火以及造成瓦斯、火灾事故进一步扩大的主要原因。因此提高矿井的通风技术与监测水平是保证矿井正常生产和安全状况的基础，而风速、风向传感器是监测井下风速大小和风向状况的主要手段，为保障煤矿安全生产提供强有力技术保障。现有技术的风速传感器大多采用超声波涡街原理，测量手段较为单一，设备使用较为约束，不够灵活，且不能实现双向风速、风向测量，长期工作易受粉尘水汽影响，影响测量精度；后出现了差压式测量原理的传感器，比如收缩管式风速传感器，依然不能够实现双向风速、风向准确测量；并且上述传感器不具有自动清零能力，但压力传感器本身固有的非常规、多值对应的迟滞非线性特性和零点温度漂移特性，限制了其测量精度。

现有技术中，出现了电控自动零点校准的压差式传感器，如专利申请201180032464.5公开的阀门组件，具有自动零点校准的功能，但其结构复杂，加工装配极其困难，并且，该产品由于各个运动副之间配合精度要求较高，因而需要极高的密封性能，否则用于煤矿等条件恶劣的场合则会失效。

因此，需要一种双向风速、风向测量的检测装置，适用于煤矿等条件极其恶劣的场合测量风速和风向，具有较高的测量精度和稳定性，具有零点校准功能，结构简单，加工装配容易，且使用周期较长，节约使用成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种双向风速、风向测量的检测装置及检测方法，适用于煤矿等条件极其恶劣的场合测量风速和风向，具有较高的测量精度和稳定性，具有零点校准功能，结构简单，加工装配容易，且使用周期较长，节约使用成本。

本发明的双向风速、风向测量的检测装置，包括微差压取样探头、自动清零组件和微压差元件；

所述微差压取样探头包括用于取样的引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ和与引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ对应连通的出气口Ⅰ以及出气口Ⅱ；所述微压差元件具有取样口Ⅰ和取样口Ⅱ；

自动清零组件设有接口Ⅰ、接口Ⅱ和接口Ⅲ，所述接口Ⅰ连通于出气口Ⅰ，接口Ⅱ连通于取样口Ⅰ，接口Ⅲ连通于取样口Ⅱ；所述出气口Ⅱ连通于取样口Ⅱ，所述接口Ⅰ和接口Ⅲ之间可切换的与接口Ⅱ连通或关闭。

进一步，还包括自动控制系统；所述自动清零组件包括具有接口Ⅰ、接口Ⅱ以及接口Ⅲ的两位三通电磁阀；

所述自动控制系统包括：

命令输入单元，用于输入外部命令；

中央处理单元，用于接收外部命令、微压差元件的压差信号和向两位三通电磁阀的控制电路输出控制命令；

数据输出单元，用于接收中央处理单元的命令信号并输出数据信息；

进一步，微差压取样探头还包括取样缓冲件，该取样缓冲件包括缓冲腔外壳和缓冲腔外壳内分隔形成的取样缓冲腔Ⅰ以及取样缓冲腔Ⅱ，引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ和出气口Ⅰ以及出气口Ⅱ通过取样缓冲腔Ⅰ以及取样缓冲腔Ⅱ对应连通；

进一步，引压管Ⅰ和引压管Ⅱ之间对称设置且流道上分别沿轴向设有导流槽，该导流槽位于引压管Ⅰ的进气端部以及引压管Ⅱ的进气端部开口；

进一步，所述引压管Ⅰ和引压管Ⅱ均采用皮托管结构，引压管Ⅰ的端部和引压管Ⅱ的端部之间相背折弯且导流槽之间沿径向相背设置；所述导流槽沿引压管径向贯穿管壁；

进一步，自动控制系统还包括用于接收中央处理单元的控制命令并发出报警信号的报警单元；所述中央处理单元、微压差元件和两位三通电磁阀及其控制电路塑封于一壳体内，所述命令输入单元和数据输出单元位于该壳体表面；

进一步，所述自动清零组件还包括连通于出气口Ⅱ、取样口Ⅱ和接口Ⅲ的三通件；

进一步，所述引压管Ⅰ和引压管Ⅱ固定连接或一体成形于同一引压管法兰，该引压管法兰以端盖的形式可拆卸式密封连接于缓冲腔外壳；

进一步，所述取样缓冲腔Ⅰ直接由缓冲腔外壳形成，取样缓冲腔Ⅱ由位于缓冲腔外壳内的短节内腔形成，该短节由引压管法兰与外界密封并沿其轴向压于缓冲腔外壳内。

本发明还公开了一种利用双向风速、风向测量的检测装置测量风速、风向的方法，包括下列步骤：

a．开启装置，确定装置是否为清零状态；否则接通自动清零组件的设有接口Ⅱ和接口Ⅲ，使差压元件的正负极处于同一压力环境中并达到设定清零时间；

b．切断接口Ⅱ和接口Ⅲ之间的接通状态并接通接口Ⅰ和接口Ⅱ，通过引压管Ⅰ和引压管Ⅱ引入高压和低压，使微压差元件检测风流引起的差压，并将差压信号转换为电信号送至中央处理单元，计算得出风速数据信号；

c．中央处理单元将步骤b中的电信号输出至数据输出单元并根据检测到的风速值低于下限值高于上限值或风向反向时，控制报警单元报警；

步骤b中，引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ可根据设定互为低压和高压取样端口。

本发明的有益效果：本发明的双向风速、风向测量的检测装置及检测方法，检测装置采用两个引压管并具有自动清零组件的结构，使用时可双向测量，灵活方便，适用于煤矿等条件极其恶劣的场合测量风速和风向，由于结构的简单性，抗粉尘水汽影响能力强，测量精度和稳定性较高，具有零点校准功能，结构简单，加工装配容易，且使用周期较长，节约使用成本。消除扩散硅压力传感器满量程工作后迟滞非线性特性；经使用，本发明0～40℃范围内零点变化量小于0.1Pa，能实现0.1Pa的稳定测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明原理框图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为微差压取样探头的结构示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为本发明的检测方法流程图。

具体实施方式

图1为本发明原理框图，图,2为本发明的结构示意图，图3为微差压取样探头的结构示意图，图4为图3的侧视图；如图所示：本发明的双向风速、风向测量的检测装置，包括微差压取样探头1、自动清零组件和微压差元件8；微压差元件8一般采用现有的压力传感器制成，在此不再赘述；

所述微差压取样探头1包括用于取样的引压管Ⅰ16以及引压管Ⅱ17和与引压管Ⅰ16以及引压管Ⅱ17对应连通的出气口Ⅰ11以及出气口Ⅱ12，即引压管Ⅰ16连通于出气口Ⅰ11，引压管Ⅱ17连通于出气口Ⅱ12；所述微压差元件8具有取样口Ⅰ81和取样口Ⅱ82；采用两个引压管结构，可实现双向采样，使用简单方便；取样时，可设定引压管Ⅰ16为高压引压管，引压管Ⅱ17为低压引压管；

自动清零组件设有接口Ⅰ61、接口Ⅱ62和接口Ⅲ63，所述接口Ⅰ61连通于出气口Ⅰ11，接口Ⅱ62连通于取样口Ⅰ81，接口Ⅲ63连通于取样口Ⅱ82；所述出气口Ⅱ12连通于取样口Ⅱ82，所述接口Ⅰ61和接口Ⅲ63之间可切换的与接口Ⅱ62连通或关闭；根据上述结构，接口Ⅰ61和接口Ⅲ63之间的切换可通过电磁阀实现，也可采用其他的电驱动结构，甚至手动也可实现；当接口Ⅰ61和接口Ⅱ62之间导通，则取样口Ⅰ81和取样口Ⅱ82分别与出气口Ⅰ11以及出气口Ⅱ12导通，属于检测工作状态；接口Ⅲ63与接口Ⅱ62之间导通，则取样口Ⅰ81和取样口Ⅱ82连通，微压差元件8的取样口Ⅰ81和取样口Ⅱ82压力相同，属于归零状态导通。

本实施例中，还包括自动控制系统；所述自动清零组件包括具有接口Ⅰ61、接口Ⅱ62以及接口Ⅲ63的两位三通电磁阀6；

所述自动控制系统包括：

命令输入单元10，用于输入外部命令；该外部命令指的是完成检测的一般指令，一般包括启动、自动清零、报警启动或停止和数据保存等等

中央处理单元3，用于接收外部命令、微压差元件8的压差信号和向两位三通电磁阀6的控制电路7输出控制命令；微压差元件8的压差信号是两位三通电磁阀6启闭的基础数据，即根据该信号决定两位三通电磁阀处于检测位还是清零位；

数据输出单元4，用于接收中央处理单元3的命令信号并输出数据信息；该数据信息一般包括显示的风速、风向信息的显示屏等等。

本实施例中，微差压取样探头1还包括取样缓冲件，该取样缓冲件包括缓冲腔外壳15和缓冲腔外壳15内分隔形成的取样缓冲腔Ⅰ13以及取样缓冲腔Ⅱ14，引压管Ⅰ16以及引压管Ⅱ17和出气口Ⅰ11以及出气口Ⅱ12通过取样缓冲腔Ⅰ13以及取样缓冲腔Ⅱ14对应连通；设有取样缓冲部件，取样过程中避免压力突变，可适当得到缓冲引压介质造成的冲击，避免冷凝水以及粉尘直接作用于压力传感器，增强抗粉尘水汽影响能力强，保证了风速、风向检测装置的测量精度和稳定性。

本实施例中，引压管Ⅰ16和引压管Ⅱ17之间对称设置且流道上分别沿轴向设有导流槽（图中所示，引压管Ⅰ16上的导流槽19和引压管Ⅱ17上的导流槽18），该导流槽（导流槽19和导流槽18）位于引压管Ⅰ16的进气端部以及引压管Ⅱ17的进气端部开口；对称设置更利于双向检测，且该导流槽使得管壁间断，冷凝水无法形成连续的表面张力，因而会随导流槽流出，避免出现冷凝水或者粉尘堵塞现象发生；轴向所指为引压管的轴向，也就是气流沿引压管的流道方向。

本实施例中，所述引压管Ⅰ16和引压管Ⅱ17均采用皮托管结构，引压管Ⅰ16的端部和引压管Ⅱ17的端部之间相背折弯且导流槽（导流槽19和导流槽18）之间沿径向相背设置；所述导流槽沿引压管径向贯穿管壁；采用该结构的引压管，使得导流槽不但具有导流防堵作用，而且还具有引压效果，进一步保证测量结果的准确性。

本实施例中，自动控制系统还包括用于接收中央处理单元3的控制命令并发出报警信号的报警单元5，报警单元一般包括声报警、光报警或者声光报警，在风速值超过上限、下线或者风向相反时会报警；所述中央处理单元、微压差元件和两位三通电磁阀及其控制电路塑封于一壳体2内，所述命令输入单元和数据输出单元4位于该壳体2表面；塑封一般采用环氧树脂或其他塑料注塑固定的方式，采用塑封的结构使该结构整体性强，具有较好的防水防尘性，且抵抗外力的能力较强。

本实施例中，所述自动清零组件还包括连通于出气口Ⅱ12、取样口Ⅱ82和接口Ⅲ63的三通件；采用三通的连接结构，使整个气路排布整齐，安装拆卸方便。

本实施例中，所述引压管Ⅰ16和引压管Ⅱ17固定连接或一体成形于同一引压管法兰20，固定连接可采用可拆卸式或者焊接等，本实施例采用一体成形结构，该引压管法兰20以端盖的形式可拆卸式密封连接于缓冲腔外壳15；密封的方式采用密封垫21的形式，结构简单，密封可靠；该可拆卸式结构使得整个缓冲件整体性强，维修方便。

本实施例中，所述取样缓冲腔Ⅰ13直接由缓冲腔外壳15形成，取样缓冲腔Ⅱ14由位于缓冲腔外壳15内的短节内腔形成，该短节由引压管法兰20与外界密封并沿其轴向压于缓冲腔外壳15内，即引压管法兰20连接于缓冲腔外壳15，对短节形成轴向压力，该轴向压力使得短接固定于缓冲腔外壳15并压紧与外界密封；该结构使得取样缓冲腔Ⅰ13和取样缓冲腔Ⅱ13由不同的部件构成，相对密封性较好，不会出现串气现象，保证结果的精确；如图所示，短接两段形成缩颈式台阶，台阶由于引压管法兰20抵紧缓冲件壳体内壁，缩颈分别对应伸出缓冲件外壳15用于连接引压管Ⅱ17和通过管道连通于三通件9；当然，取样缓冲腔Ⅰ13直接通过引压管法兰20连通于引压管Ⅰ16，且位于出气口Ⅰ11设有接头。

图5为本发明的检测方法流程图，本发明的一种利用双向风速、风向测量的检测装置测量风速、风向的方法，包括下列步骤：

a．开启装置，上电并初始化，并读取微压差元件压差数据，确定装置是否为清零状态；否则接通自动清零组件的设有接口Ⅱ和接口Ⅲ，使差压元件的正负极处于同一压力环境中并达到设定清零时间；达到清零时间或者首次启动则原件完成清零；

b．切断接口Ⅱ和接口Ⅲ之间的接通状态并接通接口Ⅰ和接口Ⅱ，通过引压管Ⅰ和引压管Ⅱ引入高压和低压，使微压差元件检测风流引起的差压，并将差压信号转换为电信号送至中央处理单元，计算得出风速数据信号；

c．中央处理单元将步骤b中的电信号输出至数据输出单元并根据检测到的风速值低于下限值高于上限值或风向反向时，控制报警单元报警；

步骤b中，引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ可根据设定互为低压和高压取样端口。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种双向风速、风向测量的检测装置，其特征在于：包括微差压取样探头、自动清零组件和微压差元件；

所述微差压取样探头包括用于取样的引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ和与引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ对应连通的出气口Ⅰ以及出气口Ⅱ；所述微压差元件具有取样口Ⅰ和取样口Ⅱ；

所述自动清零组件包括具有接口Ⅰ、接口Ⅱ以及接口Ⅲ的两位三通电磁阀，接口Ⅱ连通于取样口Ⅰ，接口Ⅲ连通于取样口Ⅱ；所述出气口Ⅱ连通于取样口Ⅱ，所述接口Ⅰ和接口Ⅲ之间可切换的与接口Ⅱ连通或关闭；

还包括自动控制系统，所述自动控制系统包括：

中央处理单元，用于接收外部命令、微压差元件的压差信号和向两位三通电磁阀的控制电路输出控制命令；所述控制命令用于控制接通自动清零组件的接口Ⅱ和接口Ⅲ，使微压差元件的正负极处于同一压力环境中并达到设定清零时间；

微差压取样探头还包括取样缓冲件，该取样缓冲件包括缓冲腔外壳和缓冲腔外壳内分隔形成的取样缓冲腔Ⅰ以及取样缓冲腔Ⅱ，引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ和出气口Ⅰ以及出气口Ⅱ通过取样缓冲腔Ⅰ以及取样缓冲腔Ⅱ对应连通；引压管Ⅰ和引压管Ⅱ之间对称设置且流道上分别沿轴向设有导流槽，该导流槽位于引压管Ⅰ的进气端部以及引压管Ⅱ的进气端部开口。

2.根据权利要求1所述的双向风速、风向测量的检测装置，其特征在于：

所述自动控制系统还包括：

命令输入单元，用于输入外部命令；

数据输出单元，用于接收中央处理单元的命令信号并输出数据信息。

3.根据权利要求1所述的双向风速、风向测量的检测装置，其特征在于：所述引压管Ⅰ和引压管Ⅱ均采用皮托管结构，引压管Ⅰ的端部和引压管Ⅱ的端部之间相背折弯且导流槽之间沿径向相背设置；所述导流槽沿引压管径向贯穿管壁。

4.根据权利要求2所述的双向风速、风向测量的检测装置，其特征在于：自动控制系统还包括用于接收中央处理单元的控制命令并发出报警信号的报警单元；所述中央处理单元、微压差元件和两位三通电磁阀及其控制电路塑封于一壳体内，所述命令输入单元和数据输出单元位于该壳体表面。

5.根据权利要求1所述的双向风速、风向测量的检测装置，其特征在于：所述自动清零组件还包括连通于出气口Ⅱ、取样口Ⅱ和接口Ⅲ的三通件。

6.根据权利要求1所述的双向风速、风向测量的检测装置，其特征在于：所述引压管Ⅰ和引压管Ⅱ固定连接或一体成形于同一引压管法兰，该引压管法兰以端盖的形式可拆卸式密封连接于缓冲腔外壳。

7.根据权利要求6所述的双向风速、风向测量的检测装置，其特征在于：所述取样缓冲腔Ⅰ直接由缓冲腔外壳形成，取样缓冲腔Ⅱ由位于缓冲腔外壳内的短节内腔形成，该短节由引压管法兰与外界密封并沿其轴向压于缓冲腔外壳内。

8.一种利用权利要求4中所述双向风速、风向测量的检测装置测量风速、风向的方法，其特征在于：包括下列步骤：

a.开启装置，确定装置是否为清零状态；否则接通自动清零组件的接口Ⅱ和接口Ⅲ，使微压差元件的正负极处于同一压力环境中并达到设定清零时间；

b.切断接口Ⅱ和接口Ⅲ之间的接通状态并接通接口Ⅰ和接口Ⅱ，通过引压管Ⅰ和引压管Ⅱ分别引入高压和低压，使微压差元件检测风流引起的差压，并将差压信号转换为电信号送至中央处理单元，计算得出风速数据信号；

c.中央处理单元将步骤b中的电信号输出至数据输出单元并根据当检测到的风速值低于下限值或高于上限值或风向反向时，控制报警单元报警；

步骤b中，引压管Ⅰ以及引压管Ⅱ根据设定互为低压和高压取样端口。