第3.5-6节 湿度、风速传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,干球温度计；,2,湿球温度计；,3,湿棉纱布；,4,、,5,双层金属保护管；,6,通风器；,7,风管,第,2.3.6,节 风速传感器,风速检测方法,风速传感器工作原理,测风方法与测风步骤,（重点掌握）,一、检测方法,矿井通风是保证煤矿安全生产的重要技术手段，及时掌握井下某些地点的风速、风量，对煤矿安全生产有着重要意义。风速传感器是实现矿井通风遥测、遥控的重要器件。,井下不同地点的风速相差很大，为了全面监测矿井通风系统，要求风速传感器有较大的测量范围（一般在,0,15m/s,之间）。此外，为了提高风速传感器的测量精度，经常将风速传感器测量范围分成几段。例如：,VA216,型超声波漩涡传感器的测量范围是,0.3,15m/s,、,0.75,50m/s,；,Wentor3U,型热线风速传感器的测量范围是,0.15,0.75m/s,、,0.5,2.5m/s,、,1.5,7.5m/s,。,一、检测方法,风速检测方法,超声波式传感器,热线式传感器,叶轮式传感器,杯式传感器,二、传感器,1,、超声波,1,）超声波的定义,超声波是,机械波,的一种。它的,特征,是：频率高（现在可以产生频率高达,10,9,Hz,的超声波）、波长短、绕射现象小、方向性好；在液体、固体中衰减小，穿透能力大；在传播途中遇有杂质时分界面有显著的反射现象。,（一）超声波风速传感器,1,）超声波的定义,介质中一切质点是依靠弹性力互相联系,。某质点在介质內振动，能激起周围质点振动。振动在弹性介质內的传播过程称为,机械波,。声波就是一种能在气体、液体、固体中传播的机械波。它可以分为,次声波,、,声波、超声波、特超声波,。,（一）超声波风速传感器,1,、,超声波,（一）超声波风速传感器,1,、超声波,1,）超声波的定义,图,1,声波频率的界限,（一）超声波风速传感器,1,、超声波,2,）超声波的波形,由于声源对介质的施力方向与声波在介质中传播方向不同，声波的波形也有不同。,(1),纵波,：质点振动方向与传播方向一致。纵波能在气体、固体、液体中传播。,(2),横波,：质点振动方向与传播方向垂直。它只能在固体中传播。,(3),表面波,：质点的振动介于纵波与横波之间。它沿表面传播，振幅随深度增加迅速衰减。它只能在固体中传播。,（一）超声波风速传感器,1,、超声波,3,）超声波的传播速度,纵波、横波、表面波的传播速度取决于介质的弹性系数与介质的密度。由于气体和液体的剪切模量为零，因而在这两种物态中,只能传播纵波,。气体的纵波声速公式：,热容比；,p,0,静态压力；,p,气体密度。,在常态下，声波在气体中的传播速度为,344m/s,，在液体中的传播速度为,900,1900m/s,。,（一）超声波风速传感器,1,、超声波,4,）超声波传播方式,扩散角越小，超声波的方向性越好。扩散角与声源直径成反比，与波长成正比。通常在实际使用时，声源的直径是一定的，因此波长越短（频率越高），则指向性越好。,超声波的波束是以某一扩散角度从声源辐射出去的。,D,是声源直径，,L,0,是干扰区，,图,2,超声波传播示意图,（一）超声波风速传感器,1,、超声波,5,）超声波的衰减,超声波在单一介质中传播，其振幅和强度将按指数规律衰减。,造成超声波衰减的,主要原因,是介质对超声波的,吸取,。此外，在流体介质中有悬浮颗粒，超声波在这些粒子上发生,散射,也是形成衰减的主要原因之一。衰减系数是吸取衰减和散射衰减的综合指标，在一般检测频率下其数值为,1,100一）超声波风速传感器,2.,涡街式风速传感器,1,）,卡曼涡街理论,15,世纪，达芬奇发现非流体型物体后面的流体具有周期振荡现象。,1911,年，匈牙利人,冯,卡曼,利用场的概念，经过严密的数学推导，提出了著名的卡曼涡街理论。,在无限流场中，垂直于流体方向插入一根无限长的非线性阻力体，则在一定雷诺数范围（,=200,5000,），阻力体下游会产生两排內旋交替的旋涡列。旋涡列的频率正比于流体的速度，如图,3,所示。,（一）超声波风速传感器,1,）卡曼涡街理论,图,3,卡曼涡旋,由于流体粘性，旋涡列逐步衰减、消失。涡街频率的计算公式如下：,式中，,f,卡曼涡街频率，,Hz,；,S,x,斯特拉哈系数，一般取,0.21,；,V,流体速度，,m/s,；,d,圆柱形阻力体直径。,2,）超声波涡街风速传感器,（一）超声波风速传感器,超声波涡街风速传感器就是利用穿过风流的超声波束被旋涡调制的原理，来测定卡曼旋涡频率，利用下式实现对风速的测量：,（,1,）,图,4,旋涡调制超声波原理图,2,）超声波涡街风速传感器,（一）超声波风速传感器,S,、,R,是频率相同的超声波发射器、接收器。,S,、,R,连线与阻力体、风速互相垂直。工作时，,S,发出连续、等幅的超声波束，超声波穿越风流被,R,接收。当超声波不被旋涡调制时（如图,4a,所示），,R,接收到的也是一束连续、等幅的超声波微弱信号。,当超声波束与旋涡相遇时，因旋涡内压力梯度、涡街旋转运动等因素影响，使通过旋涡的大部分横能被折射或反射，结果到达,R,的声能减小，使,R,输出调幅电信号，如图,4b,所示。旋涡通过后，超声波束又恢复原态。,显然，有一个旋涡通过一次声束，超声波束就被调制一次。信号处理电路对,R,输出的条幅波进行放大、检波、整形，测出卡曼漩涡列频率，利用公式（,1,）标定，可以获得风速测量值。,2,）超声波涡街风速传感器,（一）超声波风速传感器,图,4,旋涡调制超声波原理图,2,）超声波涡街风速传感器,（一）超声波风速传感器,图,5 PC-1,型超声波旋涡风速传感器的原理框图,（一）超声波风速传感器,3.,超声波时差风速传感器,原理：,利用超声波时差原理可以构成测量风速的传感器。该传感器可以测量通风巷道断面的平均风速，也可以测量点风速。所谓,时差法,，是通过测定顺流和逆流超声波传播一段距离所需时间的差值来测量风速。,适用条件,：测量巷道平均风速，因没有任何阻力体引入通风断面，因此能反应原有通风的真实情况。,若,风速为,v,，,风向,如图,6,所示，,则,超声波以速度,C,从甲地传到相距,L,的乙地，其传播时间为：,图,6,有差风速传播,风向为实线时：,风向为虚线时：,（一）超声波风速传感器,3.,超声波时差风速传感器,（一）超声波风速传感器,1,）,超声波时差风速传感器原理（平均风速）,如图所示，在巷道上安装超声波换能器，设声程,L,1,=,L,2,=,L,，则,求得风速,v,与超声波传播时间的关系：,2,）超声波时差风速传感器原理（点风速）,左图是使用超声波时差法测量点风速的检测原理示意图。将,一对超声波换能器,安装在风速传感器的探头内。由图中所示可以看出,D,探头管径；,发送（接收）换能器安装角度；,产品,1,KG3088,型风速传感器,（一）超声波风速传感器,KG3088,型风速传感器,郑州科安电控设备有限公司,工作原理,KG3088,型风速传感器是采用超声波涡街原理制成的固定式智能测风仪表。该仪器适用于煤矿井下各通风巷道中测量风流速度。仪器具有红外线遥控校正功能，可避免校正过程中对仪器周围的流场干扰，使仪器的校正更方便、准确。另外，由于仪器没有调节孔，使得密封性能更好，工作更可靠。仪器具有多种信号输出方式，可与国内各种监控系统配套使用。,产品,1,KG3088,型风速传感器,（一）超声波风速传感器,技术参数,测量范围：,0,15.0m/s,基本误差：,(0.3+1,读数,),m/s,输出信号：电流：,1,5mA.DC,频 率：,5,15Hz;5,155Hz;200,1000Hz,电 源：,12,24V.DC,显示方式：四位数码管显示校正方式：红外线遥控调校防爆标志：,ExibI,主要技术指标：,测量范围：,0.3,15m/s,基本误差：,0.3%,工作电压：,9,24V DC,工作电流：,70mA DC,显示方式：就地显示,3,位,LED,输出信号：,1,5mA DC,、,200,1000Hz,防爆型式：,Exib,矿用本安型,KGF15,型风速传感器,(,原,CW-1,型,),重庆研究院,产品,2,KGF15,型风速传感器,（一）超声波风速传感器,使用方法,首先测出被安放地点巷道断面平均风速值,;,然后将该传感器安放在断面的任意点上，这时应注意风流方向与传感器的风流指向偏差不大于,5,度,;,然后将红外线遥控器指向传感器按动上下键使传感器显示值与断面平均风速值相等即可。,产品,2,KGF15,型风速传感器,（一）超声波风速传感器,应用范围,主要用于煤矿井下风速的测量，安装在测风站、进回风巷和采区工作面等场所；,具有遥控调校功能，其主要作用是不受通风巷道断面大小影响，能很方便地进行安装调校，并且还具有更好的信号远传功能；,采用,压电超声原理,研制成功的无转动部件，结构小型化，使用方便，检出量不受环境温度气压、粉尘和电磁干扰影响，具有测量精度高、范围宽、维护方便等优点；,可与矿井环境监测系统配套使用。,产品,2,KGF15,型风速传感器,（一）超声波风速传感器,热线风速传感器属于热传感器,工作原理,：被加热了的铂丝检测元件在被测介质中的热交换主要包括有：传导、对流、辐射,3,种形式。在流动介质中，则可以认为因强迫对流造成的热损失超过其他所有散热因素。当铂丝通以恒定电流,I,时，如果忽略检测元件电阻,R,的变化，则铂丝检测元件产生的热量,Q=I,2,R,基本不变。忽略传导、辐射两种散热因素，则,铂丝检测元件的温度,T1,仅取决于流动介质的速度,v,。,当,v,发生变化时，,T,1,也相应发生变化。测出因温度,T1,变化而使铂丝检测元件电阻,R,产生的增量，就实现了对风速大小的测量。利用这一原理，可以制成灵敏度极高、反应速度极快的风速传感器，即热线风速传感器。,（二）热线风速传感器,Wentor3U,型热线风速传感器,（二）热线风速传感器,前半部分是皮托管取压。由于巷道风速动压的作用，在入口经气路导管、量程转换气室、检测气室到出口之间有检测气流流动该气流速度正比于外界风速动压。在量程转化气室内，利用调节气路使气流通过不同直径的气流导孔，改变气路阻力，从而实现量程转换的目的。,1-,检测室；,2-,量程转换；,3-,气路导管；,4-,进气管；,5-,出口；,6-,入口,优点：,热线风速传感器反应速度快、量程大。,缺点：,不能进行微风测量；大量程测量时，非线性误差较,大,。,Wentor3U,型热线风速传感器,（二）热线风速传感器,（三）叶轮风速传感器,叶轮式风表是目前常用的测风仪表。叶轮风速传感器就是利用叶轮转速的快慢取决于风速大小的这一原理，保留叶轮风表的固有特点，应用电子技术对叶轮的转动频率进行计数、转换，实现巷道风量的连续监测。,1.,光电式叶轮风速传感器,（三）叶轮风速传感器,在叶轮风表的圆柱形金属外壳上打两个圆孔，两孔的连线与风表轴心线垂直相交。一孔安装光源（如灯泡、发光二极管等），并利用聚光器发出一束连续、细小的光束；一孔没有光敏二极管。叶轮不阻挡时，光源发出的光束直射到光敏二极管上。,VT120,型叶轮式温度风速计,深圳市德威达,科技有限公司,VT-200,型分体叶轮式风速计（美国）,性能：可同时检测风速和温度范围：,0.4,30m/s,，,-10,+50,气流温度范围：,-10,50,显示：,LCD,双行显示分辨率：,0.01m/s,，,0.1,精度：风速,3%,，温度：,0.6,尺寸：,182,66,35mm,重量：,680g,VT120,型叶轮式温度风速计,风速范围：,0.3-45m/s,；,0.7-100m/h,；,0.6-88,哩,/,小时；,1-140km/h,；,60-8800 ft/min,温度范围：,0,50,供电：,内置,9V,碱性电池,风速精度：,3%,读数或,0.1(,取其大者,),温度精度：,0.8,显示：,双线，,4,位，,27.9mm,高,LCD,工作温度：,0,60,VT-200,型分体叶轮式风速计，,LCD,能同时显示风速温度，用户可选择读数单位，内置数据记录器，最多存储,1000,点，并能通过,RS232,口输出到,PC,，有数据保持及记录,/,调用最小，最大，平均值功能。广泛用于平衡空气调节，加热风道，风扇鼓风机工况监视等。,VT-200,型分体叶轮式风速计,图,7,光电叶轮风速传感器,1.,光电式叶轮风速传感器,（三）叶轮风速传感器,工作时，外界风流使叶轮转动，叶轮的旋转频率与风速成线性关系。旋转的叶片切过光源发出的连续光束时，是光敏二极管接收到的是脉动光束。光脉冲数代表了叶轮旋转频率。光敏二极管与,R,1,R,2,R,3,D,1,T,1,组成的接收电路将光脉冲转换为电脉冲。,利用其他信号处理电路对电脉冲进行计数、显示、,f-v,转换、远距离传输、监测,，,从而实现了风速遥测功能。,2.,干簧管叶轮风速传感器,（三）叶轮风速传感器,图,8,干簧管式叶轮风速传感器电原理图,-,磁铁，,-,干簧管，,-,支架，,-,叶轮,干簧管放在叶轮固定支架上。永久磁铁与叶轮同轴。,传感器工作时，外界风流使传感器叶轮转动，同时带动轴和永久磁铁一起同速旋转。当永久磁铁转到上方（如图,8,所示）时，与干簧管耦合，使干簧管吸合；永久磁铁偏高耦合位置，干簧管释放。叶轮每转动一周，干簧管吸合一次。叶轮不断的转动，干簧管不断的吸合,释放，其动作频率与巷道风速成线性关系。,利用如图,8,所示的测量电路，将干簧管的周期性吸合转换成电脉冲，在应用定宽整形电路使三极管,T2,输出脉宽为,1m/s,、频率正比于巷道风速的电脉冲波。对这个脉冲波进行计数、显示、,f-v,转换、远距离传输，就完成了风速连续测量、遥测的目的。,2.,干簧管叶轮风速传感器,（三）叶轮风速传感器,叶轮风速传感器由于叶轮转动部分易受井下水蒸气、煤尘的影响，使叶轮惯性增大，造成较大的测量误差；另外，由于机械转动存在摩擦，严重限制了这类传感器的使用寿命，因此，叶轮风速检测原理多用于便携式测风仪表上。叶轮风速传感器多安装在条件较好的入风巷道中。,（三）叶轮风速传感器,（四）杯式风速传感器,杯式风速传感,天津气象仪器厂,型号,:XE64-16025,北京中西公司,使用方法,在使用时首先测出被安放地点巷道断面平均风速值，然后将该传感器安放在断面的任意点上，这时应注意风流方向与传感器的风流指向偏差不大于,5,度，然后将红外线遥控器指向传感器按动上下键使传感器显示值与断面平均风速值相等即可。,应用范围,主要用于煤矿井下风速的测量，安装在测风站、进回风巷和采区工作面等场所，是保证煤矿安全生产的重要仪器。具有遥控调校功能，其主要作用是不受通风巷道断面大小影响，能很方便地进行安装调校，并且还具有更好的信号远传功能。同时，该传感器是用压电超声原理研制成功的无转动部件，结构小型化，使用方便，检出量不受环境温度气压、粉尘和电磁干扰影响，具有测量精度高、范围宽、维护方便等优点。可与矿井环境监测系统配套使用。,三、测风方法及步骤,1,）,矿井的、各翼的、各采区和各用风地点,的,总进风,、,总回风巷,中设置测风站但要避免重复设置。,2,）测风站应设在平直的巷道中，其前后各,10m,范围内不得有风流分叉、断面变化、障碍物和拐弯等局部阻力。,3,）若测风站位于巷道断面不规整处，其四壁应用其它材料衬壁呈固定形状断面，长度不得小于,4m,。,4,）采煤工作面不设固定的测风站，但必须随工作面的推进选择支护完好、前后无局部阻力物的断面上测风。,5,）测风站内应悬挂测风记录板（牌），记录板上写明测风站的断面积、平均风速、风量、空气温度、大气压力、瓦斯和二氧化碳浓度、测定日期以及测定人等项目。,（,1,）测风方法,三、测风方法及步骤,（,2,）测风方法,线路法,定点法,1,）,三、测风方法及步骤,（,2,）测风方法2,）,迎面法,测风员面向风流，将手臂伸向前方测风。,实际风速,=1.14,测得风速,侧身法,测风员背向巷道壁站立，手持风表将手臂向风流垂直方向伸直，然后在巷道断面内作均匀移动。,实际风速,=,k,测得风速,S,测风站的断面积，,m,2,；,0.4,测风员阻挡风流的面积，,m,2,。,三、测风方法及步骤,（,3,）机械式风表测风步骤,1,）准备,2,）真测，取多次测量平均值。,v,表,=n/t,3,）求真风速，,v,真,（根据风表校正曲线图,2-53,）,4,）实际风速，,v,均,=k,v,真,5,）计算巷道风量，,Q,=,v,均,S,三、测风方法及步骤,（,4,）测风时注意事项,1,）风表的测量范围要与所测风速相适应；,2,）风表不能距离人体和巷道壁太近，否则会引起较大误差；,3,）风表叶轮平面要与风流方向垂直，偏角不得超过,10,；,4,）按线路法测风时，路线分布要合理，风表移动速度要均匀；,5,）秒表和风表的开关要同步，,确保在,1min,内测完,；,6,）有车辆或行人时，要等其通过后风流稳定时再测；,7,）同一断面测定三次，,三次测得的计数器读数之差不应超过,5%,，然后取其平均值。,三、测风方法及步骤,实例,在某矿井井下的测风站内测风，测风站的断面积是,8.4m,2,，用侧身法测得的三次读数分别为,325,、,338,、,340,和,320,、,330,、,348,，每次测风时间均是,1min,。求算该测风站的风速和通过测风站的风量各是多少？,（,1,）检验三次测量结果的最大误差是否超过,5%,第一组：,E,=,（最大读数最小读数）,/,最小读数,100%,=,（,340,325,）,/325100%,=4.62%,5%,三次测量结果的最大误差小于,5%,，测量数据精度符合要求。,第二组：,E,=,（最大读数最小读数）,/,最小读数,100%,=,（,348,320,）,/320100%,=8.75%5%,三次测量结果的最大误差大于,5%,，测量数据精度不符合要求。,（,2,）计算风表的表速,n,=,（,n,1,+,n,2,+,n,3,）,/3=,（,325+328+340,）,/3=334m/min,v,表,=,n,/,t,=334/60=5.57m/s,（,3,）查风表校正曲线，求真风速,根据,v,表,=5.57m/s,，查图,2-53,可得真风速为,5.2m/s,。,（,4,）求平均风速,v,均,=,Kv,真,其中,K,=,（,S,0.4,）,/S=,（,8.4,0.4,）,/8.4=0.95,v,均,=0.955.2=4.94m/s,（,5,）计算通过测风站的风量,Q,=,v,均,S,=4.958.4=41.58m,3,/s,经计算得知，测风站内的风速为,4.94 m/s,，通过的风量为,41.58m,3,/s,。,