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第 41 卷 第 1 期 2024 年 2 月 杨希培 基于差压零点自校准的气体流速传感器设计 5 仪器研制与开发 基于差压零点自校准的气体流速传感器设计 杨希培1（1 国家能源集团乌海能源有限责任公司生产技术部，乌海市 016000）摘 要 煤矿用气体流速测量设备主要包含矿井风速监测和管道用气体流速测量，是煤矿安全监测系统中的重要监测设备之一，对保障煤矿安全生产有着举足轻重的作用。目前，采用常规差压式测量气体流速，存在标准取压装置易受粉尘水汽易堵塞的影响问题，并且差压元件本身固有的非常规、多值对应的迟滞非线性特性和零点温度漂移特性，也会造成测量下限精度不够、不稳定。因此，该文提出了一种差压零点自校准流速检测方法，从本质上解决了微差压元件在工矿条件下测量下限不稳定、精度不高的问题，可实现矿井风速监测和管道气体流速的高精度、准确测量。关键词 煤矿 监测系统 气体流速 差压 零点 自校准 中图分类号 TP212 文献标识码 A 文章编号 Design of gas velocity sensor based on differential pressure zero self-calibration Yang Xipei1（National Energy Group Wuhai Energy Co.,Ltd）Abstract The gas flow rate measurement equipment for coal mines mainly includes wind speed monitoring for coal mines and gas flow rate measurement for pipelines.It is one of the important monitoring parameters in the coal mine safety monitoring system and plays a pivotal role in ensuring safe production in coal mines.Currently,using conventional differential pressure methods to measure gas flow rates,there is a problem that the standard pressure measuring device is prone to clogging due to dust,water vapor,and the inherent unconventional,multivalued hysteresis nonlinear characteristics and zero point temperature drift characteristics of the differential pressure element itself also cause shortcomings such as insufficient accuracy and instability in the lower limit of measurement.Therefore,this paper proposes a differential pressure zero self calibration flow rate detection method,which essentially solves the problems of unstable measurement lower limit and low accuracy of micro differential pressure components under industrial and mining conditions,and realizes high-precision and accurate measurement of mine wind speed monitoring and pipeline gas flow rate.Key Words Coal mine;Monitoring system;Gas flow;Rate differential pressure；Zero；Self calibration 煤矿用气体流速测量设备主要包含矿井风速监测和管道用气体流速测量，是煤矿安全监测系统中的重要监测设备之一，对保障煤矿安全生产有着举足轻重的作用。目前，国内外用于煤矿气体流速测量的方法主要有风轮式、热式、差压式、超声波测速等检测手段。采用风轮机械式检测气体流速，由于自身的机械工作方式，受粉尘和湿度的影响存在测量精度不高的缺点，主要以便携式仪表为主；采用热式检测气体 收稿日期：2023-02-28 作者简介：杨希培（1985-08-），男，汉族，本科，工程师，国家能源集团乌海能源有限责任公司生产技术部，从事煤矿安全监测工作 Modern Scientific Instruments Vol.41 No.1 Feb.2024 6 流速易受粉尘、湿度的影响存在测量失效的缺点，主要以便携式仪表为主；采用常规差压式测量气体流速，存在标准取压装置易受粉尘水汽易堵塞的影响问题，并且微差压元件本身固有的非常规、多值对应的迟滞非线性特性和零点温度漂移特性，也会造成测量下限精度不够、不稳定等1；超声波测速由于结构设计复杂，易受粉尘、水汽、温度等因素的叠加影响产生测量误差2。激光多普勒法为解决下限精度不够、不稳定等缺点已开展了相关研究，但是受限于工矿条件和工艺技术水平的影响，且制造成本较高，未有大量推广应用案例。目前应用较为成熟的技术依旧是差压式流速检测技术，并具备完善成熟的国内外技术标准支撑3，如标准皮托管，孔板流量计等。针对传统的基于皮托管、孔板流量计等差压原理的煤矿气体流速测量设备存在的测量下限精度不够、稳定性受粉尘湿度影响等问题，该文提出了一种基于差压零点自校准流速检测技术，从本质上解决了煤矿气体流速测量设备在高粉尘高湿度的恶劣工矿条件下，特别是由温度变化等引起的零点漂移造成的测量下限不稳定、精度不高的问题，在（040）范围内零点变化量小于 0.1Pa，可实现矿井风速监测和管道气体流速的高精度、准确测量，测量下限可达0.2m/s，误差达到0.2m/s。1 微差压流速测量原理 煤矿用气体流速测量设备一般由标准 S 型皮托管、微差压元件、AD 采样电路、单片机数据处理、显示电路、通讯电路等组成，其中标准 S 型皮托管和微差压元件是气体流速测量设备将风速物理量转换为电信号的重要环节4。常用的标准 S 型皮托管是由两根外型相同的金属管经过一定角度弯曲后背靠背焊接而成的，侧头处有两个方向相反的平行切口。其中，迎着气流方向的切口为全压口，背着气流方向的切口为静压口，全压与静压的差值即为动压力，如下图 1 所示。图 1 微差压测量示意图 Figure 1 Schematic diagram of differential pressure measurement 标准 S 型皮托管实现了风速大小与差压值的线性转换，然后用微差压元件与标准 S 型皮托管两导管相连，可将差压值转换为标准的电信号5。根据伯努利方程可知，动压力与流速的平方成正比6，因此，可用 S 型皮托管和微差压元件组合获取气体的流速大小，其数学表达式如下：2=（1）式中：P全压与静压的压差值,Pa；放大系数，K 值一般为（23）之间；测点处气流的速度，m/s；气体密度，kg/m3。最后，根据采样得到的微差压值依据式（1）计算出实时气体流速值。气体流速测量流程图如下图 2所示。S型皮托管微差压元件单片机运算显示与数据传输风流测量 图 2 流速测量流程图 Figure 2 Flow chart of wind speed measurement 第 41 卷 第 1 期 2024 年 2 月 杨希培 基于差压零点自校准的气体流速传感器设计 7通过测量流程图可知，S 型标准皮托管的工作稳定性、环境适应性，以及微差压元件的性能是决定气体流速测量性能的关键。但是，微差压元件由于自身的工作特性，具有温漂、时漂等不可修正的无规律数据波动7，导致流速测量下限值不稳定；标准 S 型皮托管管口小，在高粉尘高湿度环境易堵塞，导致测量失效8。因此，为了提高气体流速的测量精度，该文将对微差压元件在宽温度范围内的工作稳定性，提高皮托管的环境适应性进行研究。2 零点自校准流速检测技术研究 2.1 零点自动校准模块及自校准算法的研究 微差压元件基于 MEMS 加工工艺制作而成，虽然元件的线性一致性不错，但气体流速测量设备长期工作于煤矿井下，环境温度常常上下波动，易造成微差压元件产生温度漂移，同时微差压元件在长时间不间断工作中会产生无规律的零点时漂。在温漂和时漂的影响下会导致测量精度超出误差范围或流速下限值无法测量的情况910，因此，该文设计了一种含有微压差元件、电磁阀、单片机组成的自动清零模块，该模块与控制电路塑封于电磁屏蔽壳体内。通过控制命令智能切换微差压元件压力采样管路，达到微差压元件零点的自动校准。差压元件电磁阀负压口正压口 图 3 零点自动校准模块示意图 Figure 3 Schematic diagram of zero point automatic calibration module 采用零点自动校准模块是提高微差压元件在宽温度范围内的工作稳定性的硬件基础，还需要采用更精细化的软件算法控制，才能实现更高的气体流速测量精度和更低的测量下限值11。因此，该文还在零点自校准模块内整合了基于时序及分支预判断的零点自动校准算法，为微差压元件在工作状态与校准状态之间实现无缝切换，使微差压元件时刻保持准确的零点值，为气体流速的测量提供高精度的参考基准值，其自校准算法的流程如下：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，使微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，然后读取微差压元件的真实零点值并更新系统内的差压零点值；b）断开自动清零组件，通过引压管分别引入全压和静压，使微差压元件检测风流速引起的差压，并将差压信号转换为电信号送至中央处理单元，计算得出气体流速数据值；c）中央处理单元根据气体流速值进行下限报警或上限报警，并实时显示和信号输出。d）工作中，中央处理单元根据温度变化幅值，气体流速值工作区间，智能判断是否进行微差压元件零点校准，并实时更新微差压零点值。流程图如下图4 所示。程序运行首次上电YN清零组件得电零点校正模式压差变化值大于A正常测量模式复位计数器计算风速值风速值小于B计数值大于CNNYYYN更新零点值 图 4 自校准技术工作流程图 Figure 4 Self-calibration technology work flow chart Modern Scientific Instruments Vol.41 No.1 Feb.2024 8 零点自动校准模块及自校准算法的融合运行，适用于煤矿井下、抽放管路、供风风筒等条件极其恶劣的场合测量气体流速，能够解决微差压元件由于时漂、温漂等特性引起的气体流速测量精度低，低流速无法测量的问题12。气体流速测量设备采用零点自动校准模块及自校准算法后能够解决温漂、时漂对气体流速测量值的影响，保证设备在工作过程中差压零点值的准确性，提升了气体流速的测量精度，提高了低下限值测量的可能性和精度，实现气体流速最低0.2m/s 的测量范围13，测量误差不大于0.2m/s。2.2 自导流防堵引压探头研究 煤矿井下的工作环境恶劣，气体流速测量设备长期处于高粉尘高湿度环境中运行，标准 S 型皮托管由于管口小，管径较细14，因此，易出现粉尘或煤泥堆积堵塞管口的现象，造成气体流速测量失效的情况。因此，该文设计了一种缓冲腔并结合防堵导流槽的微差压取样探头结构，采用两根管径相同的金属管背靠背焊接而成，并在两根金属管上设计了两条具有导流功能的取压槽，在金属管的根部设计了一个金属缓冲腔，使湿气在金属缓冲腔中缓冲冷凝。该结构消除冷凝水形成完整的表面张力，使其顺导流槽流出；煤泥粉尘在自身重力的作用下，能顺着导流槽往下流动，使取压管不会出现煤泥堵塞的现象15，因此，具有较好的防冷凝水和粉尘堵塞的效果，适用于煤矿等条件极其恶劣的场合测量气体流速大小，保证了流速检测装置的长期工作稳定性和测量精度。探头外型结构如下图 5 所示。1-正向口 2-反向口 3-缓冲腔 4-连接管 5-正向导压管 6-反向导压管 7-正向导流槽 8-反向导流槽 1-Forward port 2-Reverse port 3-Buffer chamber 4-Connection pipe 5-Forward pressure pipe 6-Reverse pressure pipe 7-Forward flow channel 8-Reverse flow channel 图 5 自导流防堵引压探头示意图 Figure 5 Schematic diagram of self-direction anti-blocking pressure probe 3 试验 该文通过以自主研发的矿用风速传感器作为验证平台，该传感器由防堵引压探头、零点自动校准模块、微差压信号采样电路、ARM 处理器、显示电路、RS485 通讯电路、遥控电路、报警电路等构成。其中，防堵引压探头和零点自动校准模块实现风速物理量与电信号之间的转换，ARM 处理器用于微差压电信读取、计算、自动校准功能的实时判断和运行、风速值的实时显示、数据传输等复杂任务，风速传感器的系统结构如下图 6 所示。图 6 传感器系统架构 Figure 6:Sensor system architecture 为了验证具有零点自校准流速检测技术的风速传感器在（0.215.0）m/s 风速范围的测量误差，将风速传感器放置于环形风洞中进行了 0.2m/s、0.4m/s、3.0m/s、6.0m/s、9.0m/s、12.0m/s、15.0m/s 风速条件下的精度测量，分别计算得出测量误差，结果如表 1所示，其中，条件 1 为常规风速传感器，条件 2 为新型风速传感器。表 1.风洞内模拟风速测量表 Table 1.Simulated wind speed measurement table in the wind tunnel 风速值(m/s)条件 1 条件 2 显示值 误差 显示值 误差 0.2 0.02 0.18 0.22 0.02 0.4 0.57 0.17 0.45 0.05 3.00 3.14 0.14 3.02 0.02 6.00 6.08 0.08 5.99-0.01 9.00 9.06 0.06 9.00 0.00 12.0（调校）12.0/12.0/14.0 14.1 0.10 14.0 0.00 根据表 1 可以看出，基于零点自校准流速检测技术的风速传感器解决了（0.20.4）m/s 风速量程范围 第 41 卷 第 1 期 2024 年 2 月 杨希培 基于差压零点自校准的气体流速传感器设计 9无法准确测量的难题，使风速的测量下限量程达到0.2m/s，且测量精度优于0.2m/s。4 结论 该文介绍了差压式流速测量设备的测量原理，阐述了基于微差压原理的零点自校准流速检测技术及实现方案，设计了一种基于微差压原理的高精度风速传感器，并在环形风洞中完成了（0.215.0）m/s 的基本误差试验，试验结果表明，新型风速传感器能够实现（0.215.0）m/s 范围内高精度测量，且测量精度优于0.2m/s，满足了煤矿井下不同巷道对风速测量的需求，为煤矿智能通风系统的构建提供基础保障，该技术实现检测过程的自动校正，减少了工作人员下井维护频次，还为今后实现无人化开采奠定传感技术基础。参考文献 1 黄斌,崔学林,匡昌武,井高飞,高涛.减小低风速不确定度的研究J.国外电子测量技术,2019,38(08):1-5.1 Huang Bin,Cui Xuelin,Kuang Changwu,Jing Gaofei,Gao Tao.Research on reducing the uncertainty of low wind speedJ.Foreign Electronic Measurement Technology,2019,38(08):1-5.2 卫克晶,孙学金,杜利东.差压式测风微传感器敏感元件的设计J.装备环境工程,2019,16(06):1-4.2 Wei Kejing,Sun Xuejin,Du Lidong.The design of the sensitive element of the differential pressure wind measurement micro sensorJ.Equipment Environmental Engineering,2019,16(06):1-4.3 魏明明.风速测量结果中关于水汽修正项的影响分析J.电子测量与仪器学报,2019,33(06):103-111.3 Wei Mingming.Analysis of the influence of water vapor correction items in wind speed measurement resultsJ.Journal of Electronic Measurement and Instrument,2019,33(06):103-111.4 魏明明.皮托管测量风速时 GUM 评定不确定度的偏差修正J.仪器仪表学报,2019,40(06):146-154.4 Wei Mingming.Deviation correction of GUM evaluation uncertainty when measuring wind speed with pitot tube J.Journal of 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