矿井多功能风速测量仪的研制

李斌等

摘 要：近年来，我国矿井灾害频发，造成了巨大的生命财产损失，统计表明大部分的灾害事故均与温度、风速等几个指标相关。我们想通过研制一种多功能的风速仪，同时对矿井中的温度、风速、烟雾、煤尘及瓦斯气，煤气等常见的可燃性气体进行预警，一旦其浓度指标发生异常就报警，从而做好相应的防灾准备，以防止和减少火灾、瓦斯突出、气体中毒等矿井事故。

关键词：风速仪；温度测量；瓦斯监测

近年来，我国矿山灾害事故频发，不仅给矿山正常生产带来了影响也造成了巨大的生命财产损失，有效减少矿井灾害是采矿工作人员的无可推卸的责任。作者通过分析数据发现，大部分的矿井灾害事故，都与矿井的温度、风速、粉尘煤尘、可燃性气体这几个因素密切相关，当这个几个因素异常时也就是灾害发生的时候。因此，作者就想通过研制一种仪器，同时对这些因素进行监测预警，从而达到减少矿井灾害的目的。

1 仪器研制背景及意义

矿井中的风速是一项重要的工作参数，风速过高会增加巷道通风阻力、使煤尘飞杨、对人体健康不利；风速太低，容易使防止巷道或工作面中的风流呈紊流状态对生产作业不利。此外，温度、烟雾浓度、瓦斯气，煤气、一氧化碳等可燃性气体也是影响矿山安全生产的重要因素，矿井安全事故中通常都会伴随着温度、烟雾深度、及一氧化碳等可燃性气体浓度的变化。因此，对这这些环境变量的监测预警可以有效防止和减少矿井火灾、透水、煤与瓦斯突出、气体中毒等安全事故的产生，对于保障矿山安全生产具有重大意义。

2 仪器基本原理

仪器主要实现的功能有风速测量、温度测量、多种可燃性气体的监测预警，为了实现这些功能，我们采用了多种多样的电子元器件主要有电阻、导线、温度传感器、一氧化碳传感器、对管，另外，还用到了码盘、焊接棒和电阻测量计等测量元件。仪器的核心模块主要有三处，传感器模块（MQ-2 和MQ-7气体传感器、温度传感器）、风速轮和码盘、K60单片机和显示屏，MQ-2 和MQ-7分别用来实现对烟雾和一氧化碳的监测，K60则对数据进行处理，并且将信号最终输出到不同显示器件上。

利用MQ-2和MQ-7传感器模块实现对矿井中的烟雾、煤尘及瓦斯气，煤气、一氧化碳、氢气、液化气等可燃性气体的监测预警

对于温度测量，采用了常见的温度传感器测量，并将测量值转换为电信号，经K60单片机处理后在显示屏上输出。温度传感器和单片机的工作原理如图3所示，温度传感器有三个管脚，分别接地、接电源正极、和K60单片机的PTC7管脚，实现对周围环境的温度监测。并且通过12864显示器输出显示温度的测量值。

风速的测量是一个比较复杂的过程 ，用到了单片机和码盘等元件，为了实现对风速的准确测量，整个系统比较复杂 ，但其具体原理却比较简单。就如常用的风扇一样，当风吹动风扇转动时，其转速与风速的大小存在一个确定的关系。我们设计一个小型的风轮，将其对着来风方向即可转动，事先用标准仪器进行校准，模拟出风轮转速与风速的关系式。由于风轮与k60单片机相连，于是就可以通过关系式就可以计算出风速了。

3 仪器性能

经过实验检验，该仪器具有以下功能：

3.1 能够准确的测试出风速值，经与标准仪器比较其误为1%。

3.2 对烟雾、煤尘及液化气、丙烷、氢气、天然气等可燃气体有很高的检测灵敏度，对丙烷、丁烷、氢气的检测灵敏度为大于30ppm，对co检测灵敏度更是低到了10ppm，一旦环境中的气体浓度超过临界值，系统即会报警，且临界值可以根据环境要求设置。

3.3 能够实时的测量出测试环境的温度，经过与标准仪器对比其误差为0，5%。

4 仪器创新点

4.1 不仅能够对风速进行测量，还同时进行了温度的测量，对矿井的生产生活有重大的意义。

4.2 利用风扇——码盘——对管输入系统，具有极大的创造性，很好的解决了转速与风速之间的关系。

4.3 利MQ-2和MQ=7传感器对多种可燃性气体进行监测警，对于防止和减少矿山灾害有重大的意义。

4.4 风速仪小巧轻便便于携带，采用包装盒设计，能够有效防止外部环境干扰内部工作电路，能够经受比较恶劣的矿井环境，且内置元件寿命比较长，耐用性好。

4.5 K60单片机的管脚具有多个功能，在测量风速的同时还能处理其他信号，扩展能力强：比如还可以对温度传感器、CO传感器、湿度传感器、烟雾传感器的物理信号进行处理，从而得到矿井的更多工作参数。

4.6 一次可以测量多个环境参数，真正实现了多功能，改变了以往测量任何一项指标均需要专门仪器的过程，也降低了成本。

5 仪器实际意义及应用前景

我们设计出的矿井多功能风速测量仪能够准确地测量矿井风速，通过测量的风速确定矿井风速是否处于安全生产范围内，以便能及时调节巷道风速，为矿山安全生产提供保障。在测量风速同时，对矿井中的温度监测，有效预知火灾等矿井灾害也可以让矿井管理者根据井下的温度情况更好的安排工人的作业，确保良好的工作环境。此外，还能对矿井中的甲烷、丙烷、一氧化碳浓度、氢气等可燃性气体及烟雾浓度作实时监测，一旦其浓度超过安全值即会报警，从而有效减少矿井灾害和安全事故的产生，减少人员伤亡和财产损失。

除了功能丰富实用外、我们将全套仪器用耐压塑盒包装，外设电源总并关，采用可充电池供电，装置小巧轻便易于携带，能够适应矿山复杂的工作环境，且与实现相同功能的传统设备比，成本大大降低，且节省能源对环境污染小，符合当前发展需要。因此，可以预见该设备将有广阔的应用前景。

总之，虽然测量风速、温度、烟雾浓度、一氧化碳浓度等均有专门的测量仪器，都各有特点，但是使用起来不方便，且成本太高，因此，我们设计的多功能风速测量仪，能够同时测风速、温度并对烟雾浓度、煤尘浓度、瓦斯气、煤气、一氧化碳等可燃性气体进行监测预警。装置测量精度高，灵敏度好，适用范围广，能够准确测定矿井环境工作参数、防止和减少火灾、瓦斯突出、气体中毒等安全事故。仪器使用方便、成本较低、功能实用非常容易在矿山推广使用。

参考文献

[1]李晓林，牛昱光，阎高伟，等.单片機原理与接口技术[M].北京：电子工业出版社.

[2]贾萍，别文群，朱云鹏，等.单片机原理与应用[M]北京：广东高等教育出版社.

[3]谢中鹏，王凯，宋晓燕，等.矿井通风与安全[M].北京：化学工业出版社.

[4]赵燕.传感器原理及应用[M].北京：北京大学出版社.