井下爆炸性氣體檢測系統(tǒng)與爆炸預測的研究*

彭繼慎，孫樂，宋紹樓，宋立業(yè)，徐維澤，柯宇

(遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島125105)

煤炭開采過程中產(chǎn)生的CH4、CO、CO2、SO2等有害氣體是礦井安全的極大隱患。其中CH4、CO含量多，幾乎不溶于水，屬于易燃易爆氣體[1]。CH4俗稱瓦斯，是在煤的形成過程中產(chǎn)生并大量儲存于煤層之中的氣體，達到一定濃度時便會引起爆炸，是煤礦井下危害性最大的氣體。這些危害性氣體的濃度及其他爆炸參數(shù)能否得到精確檢測，直接關系到井下人員的生命安全，因此，對檢測設備性能要求較高。

針對國內(nèi)現(xiàn)有便攜式測爆儀的缺陷，研制了一種新型便攜式爆炸氣體檢測儀。該裝置利用氣相色譜法提高CH4氣體濃度檢測精度，能根據(jù)環(huán)境溫度對氣體濃度自動修正，而且采用新的火區(qū)多組分氣體爆炸性區(qū)域劃分方法，徹底避免火區(qū)封閉及啟封情況下出現(xiàn)的爆炸危險，能根據(jù)封閉區(qū)體積和當前氣體濃度，直接給出漏風條件下消除火區(qū)爆炸危險的惰化參數(shù)，而且可以根據(jù)氣體濃度采樣值的變化趨勢，預測下段時間的氣體濃度。它還具有完備的自檢功能，對故障能及時報警，具有低功耗、高性能的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)原理

利用空氣泵將待測氣體抽入傳感器所在腔體，待測氣體數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為模擬電信號后由TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換單元將該信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時溫度傳感器對溫度進行測量，DSP根據(jù)溫度值對各傳感器所測值進行溫度補償、修正，DSP依據(jù)各傳感器濃度計算公式算出所測氣體濃度，判斷采樣氣體有無爆炸危險，并在液晶顯示面板上顯示當前氣體濃度與爆炸三角形的關系，若達到報警值則通過聲光報警單元報警。DSP也可將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-232接口電路送至PC機進行數(shù)據(jù)處理。

2 硬件電路

2.1 放大濾波電路

僅以甲烷檢測部分為例，甲烷紅外傳感器IR12BD包括氣體檢測信號及參考信號兩個正弦脈動信號，輸出信號小，且夾雜干擾信號，所以需要對該信號進行處理，以得到精確的檢測信號。甲烷紅外傳感器放大濾波電路如圖1所示[2]。

2.2 溫度傳感器接口

溫度會影響爆炸三角形的確定，且各傳感器測量結(jié)果都要根據(jù)溫度進行補償，因此要求準確測量礦井溫度。傳統(tǒng)溫度測量方法是采用熱電耦測量，此方法反映慢、測量誤差大、安裝調(diào)試復雜，且不便于遠距離傳輸。

本設計采用DSP控制DS18B20完成溫度測量。DS18B20是單總線溫度傳感器,能通過通信接口直接輸出被測溫度值，輸出為9～12 bit的二進制數(shù)據(jù)，溫度分辨率達0.062 5℃，體積小、功能強、使用方法簡單,適用于便攜式裝置。DS18B20測量范圍是-55℃～+125℃，數(shù)字溫度輸出可進行9～12 bit的編程，有3個引腳，分別為+5 V電壓端、數(shù)據(jù)傳輸端和地端。本裝置將數(shù)據(jù)輸出端與DSP的GPIOB10引腳直接相連。

2.3 鐵電存儲電路

鐵電存儲器用來存儲每次氣體濃度測量結(jié)果、監(jiān)視電池電壓、產(chǎn)生硬件看門狗并提供系統(tǒng)時鐘。其擴展電路如圖2所示。

2.4 鍵盤電路

利用鍵盤按鍵控制是實現(xiàn)現(xiàn)場實時調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)整和各種參數(shù)設置最常用的方法。本裝置機殼上配有5個按鍵，分別為電源、菜單、整定、移位和調(diào)整數(shù)據(jù)鍵，可對測爆儀實時控制。其中電源鍵實現(xiàn)了裝置的一鍵開/關機并具有短路保護功能。

2.5 系統(tǒng)電源

本系統(tǒng)著眼于便攜式測爆儀，故采用電池供電，用6塊+1.2 V礦用可充電鎳氫電池串聯(lián)組成+7.2 V電池組作為電源。裝置各部分分別需要±5 V、6 V、3.3 V、1.8 V的電壓為運放、紅外甲烷傳感器、二氧化碳傳感器及DSP供電。圖3為以+5 V、+6 V電壓供電的電路圖。

通過公式VOUT=VREF(R1+R2)/R1計算輸出電壓，其中VREF為1.2 V，R1為MAX603的輸出端和可調(diào)端間加的電阻，R2為可調(diào)端和地間的電阻。通過合理配置R32、R31阻值即可得到+6 V電壓。另外，利用ICL7660S和AMS1117產(chǎn)生-5 V、3.3 V電壓。

2.6 聲光報警電路

若測爆裝置測出混合氣體有爆炸危險，則蜂鳴器鳴叫，同時紅色指示燈閃爍報警。DSP的GPIOB09輸出端控制Alarm，當有爆炸危險時，輸出低電平，三極管Q5導通，蜂鳴器報警，同時AlarmLight控制的報警指示燈點亮。其電路如圖4所示。

3 軟件設計

3.1 軟件設計流程

軟件設計包括:初始化程序設計、儀表調(diào)試模塊、人機交互模塊軟件實現(xiàn)、傳感器采集模塊、爆炸三角形判斷、惰性參數(shù)計算、氣體濃度預測。圖5為流程圖。

3.2 爆炸趨勢預測算法

爆炸趨勢預測要求根據(jù)氣體濃度變化趨勢預測下一段時間的氣體濃度，判斷氣體爆炸的可能性，及時提醒井下人員做好預防措施[3]。下面介紹用正交多項式最小二乘法曲線擬合的方法實現(xiàn)爆炸趨勢預測，并對預測數(shù)據(jù)進行爆炸危險性判斷。

測爆裝置記錄測量的氧氣濃度Y、爆炸氣體濃度X和測量時間t。當需要進行爆炸預測時，經(jīng)過2次以上測量，分別將Y與t、X與t做曲線擬合，然后將式(1)分別代入所求出的2條擬合曲線，求出預測數(shù)據(jù)Yn+1和Xn+1，在液晶顯示屏上顯示預測點。

其中，T1為第一次測量時間，Tn為第n次測量時間，n為測量次數(shù)。

4 爆炸危險性判定

新的爆炸三角形分區(qū)圖(圖6)中，B為爆炸下限，C為爆炸上限，ECO2為摻入CO2時失爆臨界點，EN2為摻入N2時失爆臨界點，BE為爆炸下限界線，CE為爆炸上限界線，F(xiàn)E為失爆氧濃度線，ED為失爆瓦斯?jié)舛染€。

根據(jù)圖6，可按新的方法把混合氣體濃度范圍劃分成4個區(qū)，2區(qū)與4區(qū)的劃分與傳統(tǒng)的分區(qū)有所區(qū)別。不同區(qū)域可采用與其相應的防爆措施[4]。

1區(qū):△BCE—可爆區(qū)(即爆炸三角形)，可注入惰性氣體或新鮮空氣，使其狀態(tài)點進入2區(qū)或4區(qū)，失去爆炸性。

2區(qū):△BEF—甲烷濃度過低不爆區(qū)，但摻入甲烷可進入爆炸區(qū)(如封閉火區(qū)時)，可向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，使其狀態(tài)點進入4區(qū)后再封閉，以防止瓦斯爆炸。

3區(qū):甲烷濃度過高不爆區(qū)，但摻入空氣可進入爆炸區(qū)(如火區(qū)啟封時)，可先向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，使其狀態(tài)點進入4區(qū)后再啟封通風，可防止瓦斯爆炸。

4區(qū):失爆區(qū)(氧氣和甲烷濃度都過低不爆區(qū))，摻入空氣可進入2區(qū)不爆，摻入甲烷可進入3區(qū)不爆。

這種劃分方法對火區(qū)的密閉與啟封有重要意義。如正?；饏^(qū)的氣體位于2區(qū)，封閉火區(qū)時，由于切斷供風，火區(qū)內(nèi)可爆氣體濃度逐漸增加，氧濃度減小，當甲烷濃度與氧濃度的坐標點落入△BCE區(qū)時，可能會發(fā)生瓦斯爆炸。因此，可先向火區(qū)注入惰性氣體，使火區(qū)氣體狀態(tài)點由2區(qū)移到4區(qū)失去爆炸性，然后再封閉，可進入3區(qū)，并可根據(jù)火區(qū)的范圍計算出需要注入惰氣的體積。還應判斷預測點是否在爆炸三角形內(nèi)。如在三角形內(nèi)，則進行聲光報警，警示井下操作人員，提前做好防爆。

5 抗干擾措施

本裝置在設計時采取了很多措施以提高硬件的抗干擾性能。例如:印刷電路板采用四層板結(jié)構，分別為器件布線層、底層、電源層、布線層；有完整的地層，信號回路阻抗很小，差模干擾較低；元件電源管腳就近對地加去耦電容，該電容能提高數(shù)字信號突變時的電流，對模擬信號起濾波作用[5]；布線時在重要的高速信號線周圍鋪設地線，減少信號間的互相干擾。

6 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

本裝置功能包括:測量氣體濃度及環(huán)境溫度、判斷爆炸可能性、聲光報警、記錄10次測試結(jié)果且掉電不丟失、校正傳感器、設定時鐘和人機界面顯示。據(jù)此設計出如下試驗[6]:

(1)測試時鐘功能試驗。給傳感器設定當前時間，在測爆儀關機的情況下，測試72 h時鐘誤差。測試結(jié)果表明，誤差小于1 s，說明裝置中使用FM31256內(nèi)嵌時鐘滿足要求。

(2)人機界面顯示測試試驗。找非設計人員操作此裝置，觀察人機界面顯示情況，多人操作后未見異常。

(3)傳感器校正試驗。本安型便攜式測爆儀用于井下氣體濃度的檢測，使用前需校正。校正方法為:在氣體濃度為零(純氮氣)、環(huán)境溫度為25℃時，記錄各種氣體A/D采樣值。4種氣體中CH4輸出的信號為4 Hz的正弦脈動信號，其他氣體輸出信號為直流信號。對于直流脈動信號采用傅氏級數(shù)算法計算其峰—峰值，對其他直流信號采用去極值取平均數(shù)的濾波算法計算采樣值。將這些值作為定值存儲在定值器件中。當氣體濃度達到測量范圍的滿刻度(CH4:20%，CO:0.05%，CO2:1%，O2:21%)且環(huán)境溫度為25℃時，記錄各種氣體A/D采樣值，并存儲到定值器件中。

測量范圍內(nèi)的其他氣體濃度時，可根據(jù)上述存儲值，在對A/D采樣值進行溫度補償后，計算相應的氣體濃度。

在氣體濃度為0%及滿刻度時測試采樣值8次，結(jié)果如表1和表2。

試驗結(jié)果中，雖然每次測試結(jié)果都有誤差，但誤差＜1%，可以滿足要求。誤差為電氣元件及地與電源平面有雜波所致。

(4)測量氣體濃度、環(huán)境溫度試驗和判斷爆炸可能性及聲光報警試驗。根據(jù)實際應用情況設計了常溫下，氣體濃度分別處于1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)時的試驗條件。

表1 氣體濃度為0%時傳感器校正結(jié)果

表2 氣體濃度為滿刻度時傳感器校正結(jié)果

從結(jié)果可知，紅外線甲烷傳感器有穩(wěn)定的單向誤差，可通過軟件使之縮小，精度較理想，這與甲烷4 Hz的正弦輸出信號、軟件采用本身具有濾波功能的傅氏算法計算峰—峰值有關。氧氣、一氧化碳、二氧化碳傳感器輸出信號受溫度影響，有非線性和誤差，但總體測量精度較高，判斷區(qū)間準確，達到了預期的目標。當氣體濃度處于1區(qū)時，裝置發(fā)出聲光報警。

(5)測試記錄掉電不丟失試驗。測爆儀開機時，檢查測試記錄是否正確；關機后再開機檢查記錄是否正確；關機并將電池拆除一段時間后，再供電開機，檢查記錄是否正確；測試結(jié)果均正確。

本設計的本安型便攜式測爆儀的主板、傳感器、液晶顯示均能可靠工作，性能參數(shù)也達到設計要求，軟硬件都具備一定的抗干擾能力。

[1]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2006.

[2]張燕美，李維堅.本質(zhì)安全電路設計[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1992.

[3]童敬明.新型瓦斯傳感器關鍵技術的研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2003.

[4]周利華.礦井火區(qū)可燃性混合氣體爆炸三角形判斷法及其爆炸危險性分析[J].中國安全科學學報，2001，11(2):47-51.

[5][美]Clayton R.Paul著.電磁兼容導論[M].聞映紅譯.北京:人民郵電出版社，2007

[6]李昌.便攜式可燃氣體測爆儀的應用實驗[J].吉林石油化工，1991(2).