礦用氣體傳感器自動(dòng)標(biāo)校系統(tǒng)研究

祝國(guó)源

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

礦用氣體傳感器是煤礦環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備[1-3]，其準(zhǔn)確性和可靠性是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。氣體傳感器出廠前必須進(jìn)行整機(jī)性能測(cè)試檢驗(yàn)，通氣標(biāo)校驗(yàn)證是其中重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的氣體傳感器通氣標(biāo)校工作采用人工方式逐臺(tái)完成。因通氣標(biāo)校須在傳感器所測(cè)氣體環(huán)境下進(jìn)行，礦用氣體傳感器標(biāo)校用標(biāo)準(zhǔn)氣體大多是CH4,CO等易燃易爆、有害有毒氣體，極易對(duì)人體造成傷害，同時(shí)人工標(biāo)校操作復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率低，標(biāo)校精度受人為因素影響大。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[4-6]采用單片機(jī)、組態(tài)軟件技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)校儀器，可對(duì)8臺(tái)氣體傳感器進(jìn)行標(biāo)校；文獻(xiàn)[7]采用單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了針對(duì)64臺(tái)氣體傳感器的智能調(diào)校檢定儀。該類自動(dòng)標(biāo)校儀器雖然可掛接多臺(tái)傳感器，但同一時(shí)間只能進(jìn)行單臺(tái)傳感器標(biāo)校，只適用于同類型傳感器小批量標(biāo)校。

為了滿足氣體傳感器出廠批量標(biāo)校需求，本文設(shè)計(jì)了一款礦用氣體傳感器自動(dòng)標(biāo)校系統(tǒng)。該系統(tǒng)可按預(yù)先設(shè)定的條件同時(shí)對(duì)不同類型的氣體傳感器進(jìn)行批量通氣自動(dòng)標(biāo)校驗(yàn)證，自動(dòng)采集標(biāo)校數(shù)據(jù)[8]并將其保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，可對(duì)傳感器分類標(biāo)校數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、快速的氣體傳感器出廠標(biāo)校驗(yàn)證。

1 傳感器標(biāo)校原理和方法

傳感器標(biāo)校即對(duì)傳感器特性進(jìn)行評(píng)定，判斷其能否達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，并以此為依據(jù)來(lái)科學(xué)、合理地校正傳感器，具體包含測(cè)定、校正傳感器誤差和測(cè)試響應(yīng)時(shí)間等。

礦用氣體傳感器標(biāo)校驗(yàn)證依據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)礦用氣體傳感器在標(biāo)校驗(yàn)證過(guò)程中必須遵循的方法和步驟作出了具體規(guī)定。如礦用低濃度載體催化式CH4傳感器需先在清潔空氣環(huán)境中調(diào)零，待傳感器零點(diǎn)在清潔空氣中穩(wěn)定后，以30～300 mL/min的恒定流量通入2.0%CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體，3 min后將傳感器顯示值調(diào)至與標(biāo)準(zhǔn)值一致，反復(fù)校準(zhǔn)3次后，以30～300 mL/min的恒定流量向傳感器依次通入0.5%，1.5%，3.5%CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體[9]進(jìn)行驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

礦用氣體傳感器自動(dòng)標(biāo)校系統(tǒng)主要由服務(wù)器、上位機(jī)、智能標(biāo)校柜、供排氣控制箱及供排氣管道等組成，如圖1所示。

圖1 礦用氣體傳感器自動(dòng)標(biāo)校系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of automatic calibration system for mine-used gas sensors

上位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)智能標(biāo)校柜進(jìn)行綜合標(biāo)校檢測(cè)管理:根據(jù)氣體傳感器類型選擇對(duì)應(yīng)的通氣標(biāo)校控制程序，發(fā)送進(jìn)氣、吹氣、排氣等命令;同步采集智能標(biāo)校柜反饋的各類信息，實(shí)時(shí)顯示各智能標(biāo)校柜及柜內(nèi)掛接的傳感器工作狀態(tài)信息;采用定時(shí)截尾試驗(yàn)方法，對(duì)標(biāo)校過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，形成傳感器標(biāo)校測(cè)試報(bào)告，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)管理。

服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)采集的標(biāo)校過(guò)程數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表記錄，并存檔供查閱或打印。

智能標(biāo)校柜接收上位機(jī)發(fā)送的標(biāo)校命令，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)校驗(yàn)證，并實(shí)時(shí)采集傳感器標(biāo)校過(guò)程數(shù)據(jù)。智能標(biāo)校柜投入、退出系統(tǒng)靈活方便，數(shù)量配置可擴(kuò)展，每臺(tái)智能標(biāo)校柜可掛接60臺(tái)氣體傳感器。氣體標(biāo)校房按配置10臺(tái)智能標(biāo)校柜測(cè)算，可接入600臺(tái)氣體傳感器進(jìn)行標(biāo)校驗(yàn)證。

供排氣控制箱接收上位機(jī)發(fā)送的命令，控制供氣管道上的電磁閥開(kāi)閉，提供傳感器標(biāo)校所需的標(biāo)準(zhǔn)氣體，并控制標(biāo)校后的尾氣分類排放至排氣管道，實(shí)現(xiàn)尾氣集中排放。

供排氣管道實(shí)現(xiàn)氣體輸送，將氣瓶中的標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)供氣管道輸送至各智能標(biāo)校柜，并將標(biāo)校后的尾氣經(jīng)排氣管道分類排放。

3 智能標(biāo)校柜設(shè)計(jì)

智能標(biāo)校柜由電路單元與氣路單元組成，如圖2所示。電路單元包括工業(yè)一體計(jì)算機(jī)、調(diào)校接口板、柜體管理板、電流檢測(cè)模塊、溫濕度傳感器、繼電器板、氣體監(jiān)測(cè)傳感器等，主要完成電氣性能監(jiān)測(cè)控制；氣路單元包括電磁閥、流量計(jì)、壓力傳感器、氣體測(cè)試腔、排氣泵、輸氣管等，主要完成標(biāo)校氣體輸送、尾氣排放等。

圖2 智能標(biāo)校柜組成Fig.2 Composition of intelligent calibration cabinet

工業(yè)一體計(jì)算機(jī)接收上位機(jī)命令，控制電磁閥輸出相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)采集柜體管理板、壓力傳感器、氣體監(jiān)測(cè)傳感器、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后發(fā)送至上位機(jī)。

柜體管理板接收工業(yè)一體計(jì)算機(jī)命令并發(fā)送給相應(yīng)的調(diào)校接口板，同時(shí)采集60塊調(diào)校接口板的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理后上傳至工業(yè)一體計(jì)算機(jī)。

調(diào)校接口板主要完成氣體傳感器電氣性能實(shí)時(shí)檢測(cè)，將柜體管理板發(fā)送的標(biāo)定命令通過(guò)通信接口轉(zhuǎn)發(fā)給待標(biāo)校氣體傳感器，同時(shí)采集氣體傳感器的標(biāo)校反饋信息及電流檢測(cè)模塊、傳感器在線檢測(cè)模塊信息，將信息匯總處理后發(fā)送給柜體管理板。

繼電器板通過(guò)串口與工業(yè)一體計(jì)算機(jī)連接，接收工業(yè)一體計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制命令，控制電磁閥、排氣泵開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)校氣體輸送及尾氣排放。

氣路單元的流量計(jì)實(shí)現(xiàn)每路氣體傳感器所需標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)校氣體的200 mL/min恒定流量供給。氣體測(cè)試腔為待標(biāo)校氣體傳感器提供穩(wěn)定的氣體測(cè)試空間。壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供氣管道壓力。標(biāo)校剩余尾氣由排氣泵負(fù)責(zé)排出。

4 標(biāo)校測(cè)試設(shè)計(jì)

4.1 多路自動(dòng)標(biāo)校方式

氣體標(biāo)校是對(duì)氣體傳感器通入已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，根據(jù)氣體傳感器本體測(cè)量的氣體濃度與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的誤差是否在合格范圍內(nèi)判定氣體傳感器是否合格。要實(shí)現(xiàn)多路自動(dòng)標(biāo)校需解決以下3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：自動(dòng)輸送給定標(biāo)校氣體；自動(dòng)修正氣體傳感器標(biāo)校值、自動(dòng)獲取測(cè)量結(jié)果；對(duì)多個(gè)氣體傳感器同時(shí)給定標(biāo)校氣體、獲取測(cè)量結(jié)果。

4.1.1 供氣回路設(shè)計(jì)

供氣回路包括將標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)校氣體輸送至智能標(biāo)校柜邊的集中供氣管道回路和智能標(biāo)校柜內(nèi)部對(duì)氣體傳感器進(jìn)行氣體分配的氣路單元。

礦用氣體傳感器自動(dòng)標(biāo)校系統(tǒng)用于通氣標(biāo)定的氣體大多是有毒有害、易燃易爆的危險(xiǎn)性氣體，安全保護(hù)極其重要。氣體標(biāo)校房采取集中供氣方式[10-11]，氣瓶與智能標(biāo)校柜采用分區(qū)放置方式，氣瓶中的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過(guò)供氣管道輸送至智能標(biāo)校柜，裝有易爆、有毒氣體(CH4、CO)與助燃?xì)怏w(O2)的氣瓶也采用分開(kāi)放置方式，高濃度可燃?xì)怏w另設(shè)防回火裝置。

集中供氣管道回路采用BA級(jí)SUS316L不銹鋼潔凈管，配置一級(jí)和二級(jí)減壓閥、單向閥、回火器、開(kāi)關(guān)球閥、電磁閥，如圖3所示。上位機(jī)通過(guò)供排氣控制箱控制電磁閥選擇所需的標(biāo)校氣體輸送至供氣管道，實(shí)現(xiàn)標(biāo)校氣體的自動(dòng)輸送給定。為安全考慮，不同類型的氣體通過(guò)不同供氣管道分開(kāi)輸送，同一類型不同濃度的氣體通過(guò)同一供氣管道分時(shí)輸送。

圖3 集中供氣管道回路Fig.3 Circuit of concentrative gas supply line

智能標(biāo)校柜內(nèi)部氣路單元如圖4所示。智能標(biāo)校柜通過(guò)供氣入口的電磁閥選擇所需標(biāo)校氣體[12]，再通過(guò)氣體分配器給10個(gè)氣體測(cè)試腔供氣。10個(gè)供氣回路設(shè)計(jì)獨(dú)立的流量計(jì)，保障以200 mL/min的恒定流量提供標(biāo)校氣體。1個(gè)供氣回路最多可實(shí)現(xiàn)對(duì)10個(gè)氣體傳感器同時(shí)供氣。設(shè)計(jì)單向閥以避免通氣回路之間發(fā)生串氣干擾。

圖4 智能標(biāo)校柜內(nèi)部氣路單元Fig.4 Unit of inner gas circuit of intelligent calibration cabinet

標(biāo)校開(kāi)始及結(jié)束時(shí)集中使用體積分?jǐn)?shù)為100%的N2吹掃，以清除供氣管道及氣體測(cè)試腔內(nèi)的殘留氣體。傳感器通氣標(biāo)校后，剩余的尾氣分類接入排氣管道排出[13]。對(duì)高濃度CH4傳感器進(jìn)行標(biāo)校時(shí)，吹氣管同步注入體積分?jǐn)?shù)為100%的N2，用節(jié)流閥進(jìn)行流量設(shè)定，對(duì)尾氣進(jìn)行稀釋，實(shí)現(xiàn)安全排放。

4.1.2 信息交互設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的人工標(biāo)校方式通過(guò)紅外遙控器來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體傳感器標(biāo)校值的給定與修正，相互之間易產(chǎn)生干擾，難以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)標(biāo)校。針對(duì)該問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了調(diào)校接口板。氣體傳感器與調(diào)校接口板通過(guò)通信接口進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)氣體傳感器標(biāo)校、響應(yīng)時(shí)間測(cè)試及傳感器聲光報(bào)警等功能測(cè)試。調(diào)校接口板原理如圖5所示。設(shè)計(jì)有3個(gè)RS485通信接口，分別與柜體管理板、待標(biāo)校傳感器、電流檢測(cè)模塊連接，可將柜體管理板發(fā)送的標(biāo)校等命令轉(zhuǎn)發(fā)給待標(biāo)校傳感器，同時(shí)將傳感器的濃度檢測(cè)值、工作電流及聲光報(bào)警功能檢測(cè)結(jié)果等發(fā)送給柜體管理板，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)校命令下發(fā)至標(biāo)校結(jié)果上傳全流程的閉環(huán)操作。

圖5 調(diào)校接口板原理Fig.5 Principle of calibration interface board

4.2 氣體測(cè)試腔設(shè)計(jì)

氣體傳感器標(biāo)校方式包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種[14]。靜態(tài)標(biāo)校方式需將傳感器整體放入充滿標(biāo)校氣體的氣體測(cè)試柜內(nèi)，存在氣體用量大、柜內(nèi)氣體濃度不均勻、換氣時(shí)間長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)，因此，本文采用動(dòng)態(tài)標(biāo)校方式。傳統(tǒng)的人工標(biāo)校方式中，標(biāo)校氣體通過(guò)氣嘴對(duì)氣體傳感器供氣，尾氣直接排放在標(biāo)校房?jī)?nèi)，存在極大的安全隱患，為此設(shè)計(jì)了氣體測(cè)試腔，可為待標(biāo)校傳感器提供穩(wěn)定的氣體測(cè)試空間。氣體測(cè)試腔如圖6所示。標(biāo)校氣體以200 mL/min的恒定流量從下部的進(jìn)氣口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)氣體傳感器的變送器交互反應(yīng)后，尾氣從上部的出氣口進(jìn)入排氣管道。氣體測(cè)試腔采用兩端密封形式，下端為O型密封圈，上端為硅膠密封平墊圈，采用壓緊密封方式。

圖6 氣體測(cè)試腔Fig.6 Gas test cavity

5 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

(1) 設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)。智能標(biāo)校柜形成負(fù)壓環(huán)境，防止標(biāo)校氣體泄漏到柜體外部，供氣回路及尾氣排放回路將CH4,CO等有毒有害、易燃易爆氣體與O2等助燃?xì)怏w分開(kāi)。通入高濃度CH4標(biāo)校氣體時(shí)，吹氣管同步通入N2，用于稀釋CH4尾氣濃度，確保排出的CH4尾氣濃度在安全范圍內(nèi)。

(2) 標(biāo)校房及智能標(biāo)校柜內(nèi)部設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)氣體傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到氣體泄漏并達(dá)到閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警并切斷相應(yīng)的供電供氣回路。

(3) 檢測(cè)傳感器在安裝架上安裝到位及下壓裝置下壓到位之后再通氣。

(4) 在供氣管道上設(shè)置壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，管道壓力異常時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

(5) 選用防爆型電磁閥進(jìn)行氣體管路切換控制，避免電火花引燃?xì)怏w。

(6) 調(diào)校接口板由本安電源供電，氣體傳感器供電回路設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路，電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)切斷供電回路。

6 系統(tǒng)測(cè)試

傳感器標(biāo)校效果可采用對(duì)比方法進(jìn)行驗(yàn)證。以低濃度CH4傳感器為例，隨機(jī)抽取3臺(tái)經(jīng)礦用氣體傳感器自動(dòng)標(biāo)校系統(tǒng)標(biāo)校的CH4傳感器，分別通入清潔空氣及0.5%，1.5%，3.5%CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體，記錄傳感器穩(wěn)定顯示值。在不同標(biāo)準(zhǔn)氣體下分別測(cè)量3次，取算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。可看出標(biāo)校后的CH4傳感器測(cè)量誤差均在允許范圍內(nèi)。

表1 標(biāo)校后傳感器測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of calibrated sensors %

與1次只能標(biāo)校1臺(tái)傳感器的人工方式相比，每臺(tái)智能標(biāo)校柜可同步標(biāo)校10臺(tái)同類型氣體傳感器，且接入系統(tǒng)的所有智能標(biāo)校柜可同時(shí)工作，測(cè)試結(jié)果能自動(dòng)保存，標(biāo)校氣體可自動(dòng)輸送，同時(shí)節(jié)省了人工更換氣瓶、記錄測(cè)試數(shù)據(jù)等時(shí)間，極大提升了礦用氣體傳感器的出廠標(biāo)定效率。

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦用氣體傳感器出廠標(biāo)校時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)標(biāo)校及大批量氣體傳感器同時(shí)標(biāo)校的問(wèn)題，依據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種礦用氣體傳感器自動(dòng)標(biāo)校系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求靈活布置智能標(biāo)校柜，各智能標(biāo)校柜相互獨(dú)立，采用分布式方式接入系統(tǒng)，可對(duì)不同類型氣體傳感器同時(shí)進(jìn)行標(biāo)校。智能標(biāo)校柜供氣回路采用氣路單元模塊化設(shè)計(jì)，氣路單元一次可同時(shí)完成10臺(tái)同類型氣體傳感器標(biāo)校氣體給定，柜內(nèi)最多可掛接60臺(tái)氣體傳感器(10臺(tái)為1組類型單元)，采用分批次方式完成標(biāo)校。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同標(biāo)校氣體多路自動(dòng)輸送給定、標(biāo)校參數(shù)自動(dòng)寫(xiě)入、測(cè)量結(jié)果自動(dòng)獲取、尾氣自動(dòng)分類排放等功能。測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)該系統(tǒng)標(biāo)校后的氣體傳感器測(cè)量誤差在允許范圍內(nèi)，且標(biāo)校全程無(wú)需人員參與，實(shí)現(xiàn)了礦用氣體傳感器安全、高效、快速的出廠標(biāo)校驗(yàn)證。