基于多參數(shù)的煤礦井下避難硐室傳感器設(shè)計

莫志剛,李 軍，梁光清，張遠(yuǎn)征

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037)

0 引言

近年來，國家對煤礦井下避難場所(如井下移動式救生艙、避難硐室)越來越重視。在狹小空間及配電條件有限的情況下，實時監(jiān)測各環(huán)境參數(shù)對煤礦的安全生產(chǎn)與保障礦工的生命安全尤為重要。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局下發(fā)了《煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》：“作為緊急避險設(shè)施的避難硐室應(yīng)具備環(huán)境監(jiān)測、通信等基本功能，在無任何外界支持的情況下，額定防護(hù)時間不低于96 h。配備獨(dú)立的內(nèi)外環(huán)境參數(shù)檢測或監(jiān)測儀器，在突發(fā)緊急情況下人員避險時，能夠?qū)Ρ茈U設(shè)施過渡室(艙)內(nèi)的氧氣、一氧化碳，生存室(艙)內(nèi)的氧氣、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、溫度、濕度和避險設(shè)施外的氧氣、甲烷、二氧化碳、一氧化碳進(jìn)行檢測或監(jiān)測?！?011年，中國礦業(yè)大學(xué)孫繼平[1]教授論述了煤礦井下避難硐室與救生艙關(guān)鍵技術(shù)，避難硐室與救生艙宜配備便攜式氧氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、溫度、濕度等檢測儀。2015年，張建中[2]等介紹了一種煤礦井下避難硐室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法,從總體上對監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理進(jìn)行了闡述。

目前，可用于煤礦井下環(huán)境檢測的傳感器種類繁多，但大都為單一參數(shù)檢測傳感器。這類傳感器由于監(jiān)測參數(shù)多而存在安裝數(shù)量多、鋪設(shè)電纜多、安裝維護(hù)不便等問題?？紤]到硐室供電備用電源容量限制，硐室空間有限，設(shè)備應(yīng)具有低功耗、低復(fù)雜度和小體積的特點[3]。針對以上特殊需求，有必要設(shè)計一種實用的避難硐室多種環(huán)境檢測參數(shù)礦用傳感器。

1 避難硐室傳感器設(shè)計要求

1.1 設(shè)計目標(biāo)

避難硐室用多參數(shù)傳感器(以下簡稱傳感器)主要用于監(jiān)測煤礦井下人員活動區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，包括氧氣濃度、大氣壓力、環(huán)境溫度、相對濕度、瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的顯示、預(yù)警。通過RS-485轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)上傳功能。設(shè)備應(yīng)具有體積小、鋪設(shè)電纜少、安裝維護(hù)方便等特征[4]。

傳感器主要應(yīng)用場所包括避難硐室、井下人員休息室以及井下應(yīng)急避難場所等特定區(qū)域。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

傳感器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下。

①工作電壓：9～25 VDC。

②測量范圍指標(biāo)：甲烷體積分?jǐn)?shù)為0～100%；一氧化碳體積分?jǐn)?shù)為0～0.1%；二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為0～5%[5]；氧氣體積分?jǐn)?shù)為0～25%；溫度測量范圍為0～50 ℃；壓力測量范圍為-5～0 kPa；濕度測量范圍為0～100%RH。

③輸出信號：信號制式為RS-485；波特率為2 400 bit/s。

2 避難硐室多參數(shù)傳感器設(shè)計

傳感器主要負(fù)責(zé)監(jiān)測避難硐室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地顯示、報警功能，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控分站[6-7]；用戶瀏覽從機(jī)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。多參數(shù)傳感器包括傳感探頭、信號輸出電路、液晶顯示模塊以及聲光報警及遙控單元[8]。

①傳感探頭。7個參數(shù)監(jiān)測傳感探頭(含元件處理電路)，用于監(jiān)測各環(huán)境參數(shù)。

②信號輸出電路。傳感器主機(jī)配有1路RS-485通信接口，負(fù)責(zé)與監(jiān)控系統(tǒng)分站(或者信號轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)顯示屏通信；擴(kuò)展1路通用數(shù)據(jù)接口，備用于外接其他類型傳感模塊，如氣體、溫度、壓力、流量等標(biāo)準(zhǔn)傳感模塊；也可輸出控制信號，連接聲光報警類設(shè)備[9]。

③液晶顯示模塊。采用OLED顯示屏，顯示所有測量參數(shù)、實時時鐘及電池電量，工作溫度范圍為-40～+70 ℃。

④聲光報警及遙控單元。該單元用于參數(shù)超過設(shè)定界限時發(fā)出報警信息，負(fù)責(zé)傳感器非開蓋參數(shù)的設(shè)置及操作。 避難硐室多參數(shù)傳感器原理圖如圖1所示。

圖1 多參數(shù)傳感器原理圖 Fig.1 Schematic diagram of multi-parameter sensor

微處理器擬選用TI公司的Cortex-M4F系列ARM處理器，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可同時實現(xiàn)2路通道A/D采樣，分辨率為12位；具備8個UART、6個I2C、4個SPI，能滿足本項目對微處理器的需要。開關(guān)電源擬選用TI公司的LM25010，工作穩(wěn)定性好、效率較高。

傳感探頭采用模塊化設(shè)計。各元件模塊獨(dú)立工作、自帶元件性能參數(shù)，采用電磁等外界干擾處理，避免由外界因素導(dǎo)致的誤報。

甲烷、二氧化碳探頭采用E2V的紅外甲烷元件和紅外二氧化碳元件[5]。一氧化碳元件采用CITY公司的4CM系列。氧元件采用阿爾法公司的O2-A2系列。溫度元件采用瑞士盛思銳公司的SHT75系列，可滿足溫度、濕度測量，精度均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。壓力元件采用飛思卡爾的MPX2200A元件。硫化氫采用CITY公司的4H系列元件。避難硐室多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Schematic diagram of multi-parameter sensor structure

3 避難硐室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)檢測應(yīng)用

現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)備主要由避難硐室多參數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)內(nèi)外顯示屏、信號轉(zhuǎn)換器等組成。

避難硐室多參數(shù)傳感器主要用于監(jiān)測避難硐室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，并向監(jiān)控分站、顯示屏、信號轉(zhuǎn)換器發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]。

數(shù)據(jù)顯示內(nèi)外屏主要用于接收、顯示傳感器主機(jī)發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)。室外顯示屏置于避難硐室外，可顯示硐室內(nèi)部各環(huán)境參數(shù)情況；室內(nèi)顯示屏置于避難硐室內(nèi)，可顯示硐室外部各環(huán)境參數(shù)情況。數(shù)據(jù)顯示屏采用點陣LED模塊組成漢字點陣顯示屏，參數(shù)信息采用單行滾動顯示方式，以減少點陣數(shù)量、減低系統(tǒng)功耗。

信號轉(zhuǎn)換器主要用于將傳感器主機(jī)發(fā)出的RS-485信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率信號或電流信號，以接入不同廠家生產(chǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)[10]。轉(zhuǎn)換器收到避難硐室多參數(shù)傳感器發(fā)送的RS-485數(shù)字信號，將信號解析為不同環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)多參數(shù)量程的頻率(200～1 000 Hz)或電流(4～20 mA)模擬信號，傳輸至上位機(jī)監(jiān)控分站。應(yīng)用框圖如圖3所示。

圖3 多參數(shù)傳感器應(yīng)用框圖 Fig.3 Application block diagram of multi-parameter sensor

4 結(jié)束語

硐室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)較多，采用傳統(tǒng)單參數(shù)傳感器監(jiān)測的方式存在安裝傳感器多、鋪設(shè)電纜多、安裝維護(hù)不便等問題。對此，提出了一種針對避難硐室多參數(shù)傳感器的設(shè)計方案。該傳感器具備高精度、多參數(shù)、小體積、低復(fù)雜度和低能耗的特點。與以往單參數(shù)傳感器組成的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相比，該傳感器完善了礦井應(yīng)急救生系統(tǒng)，并使其與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)融為一體。自該多參數(shù)傳感器推向市場以來，受到了煤礦用戶的廣泛關(guān)注。目前，該傳感器已在山西朔州、烏海新街、山東淄博等地的煤礦逐步推廣使用，應(yīng)用效果良好。

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