礦用瓦斯智能檢測(cè)技術(shù)研究

梁曉哲，王立濤，楊延波

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

近些年經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，各行業(yè)對(duì)煤炭的用量增加，而國(guó)內(nèi)煤炭開采一直是一個(gè)需要重視的問題，近些年煤炭開采事故發(fā)生較多，其中發(fā)生的原因有多種，其中瓦斯爆炸是一個(gè)很重大的問題，因瓦斯爆炸造成的傷亡大，一般都是較大以上事故，造成的影響往往不可估量，針對(duì)這一現(xiàn)象，如何在保證正常作業(yè)條件下保證采礦人員的人身安全是一個(gè)急需解決的問題，制作一個(gè)性能穩(wěn)定的瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)很重要[1]。

根據(jù)資料及實(shí)際環(huán)境得出，礦井瓦斯的主要成分為甲烷，瓦斯的爆炸極限為5%～16%[2]，在爆炸三要素齊全的條件下會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸，礦井瓦斯檢測(cè)技術(shù)最早起源于英國(guó)，即為瓦斯檢測(cè)燈，后來日本又發(fā)明了瓦斯鑒定器，再后來美國(guó)在研制成功甲烷檢測(cè)探頭—鉑絲催化元件，近些年美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等都有了相應(yīng)的系統(tǒng)，在實(shí)際礦井檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)礦井檢測(cè)技術(shù)也在不斷升級(jí)中，發(fā)展水平持續(xù)提高，在我國(guó)煤礦開采初期主要以風(fēng)表等便攜儀器為主，在1960—1969年我國(guó)開始在瓦斯檢測(cè)探頭方面投入研制，伴隨著經(jīng)濟(jì)和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是近些年集成電路系統(tǒng)的發(fā)展，我國(guó)瓦斯檢測(cè)有了突破性的發(fā)展，在1973年左右，瓦斯斷電系統(tǒng)研制成功并投入使用，可實(shí)現(xiàn)瓦斯自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)并定點(diǎn)斷電等功能，之后陸續(xù)研制成功了大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)礦井安全等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在目前大數(shù)據(jù)時(shí)代下，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在不斷升級(jí)改進(jìn)中。為保證工作人員的安全，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或者瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行處理，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诳煽胤秶鷥?nèi)。

在國(guó)內(nèi)通過查閱數(shù)據(jù)可得，2010—2020年，陜西省政府對(duì)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)尤為重視，對(duì)礦井安全作業(yè)提出信息實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，目前已經(jīng)運(yùn)行58 960套，目前我國(guó)重要煤礦系統(tǒng)全部安裝先進(jìn)瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)，隨著近些年物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大大降低瓦斯事故的發(fā)生[3]。因此，為了進(jìn)一步將煤礦瓦斯事故遏制于起始階段，除了管理提升外，設(shè)備也需要完善，瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)必不可少，針對(duì)這種現(xiàn)象，筆者設(shè)計(jì)了基于STC的瓦斯檢測(cè)儀器。

1 檢測(cè)原理

1.1 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)方法

檢測(cè)時(shí)模擬瓦斯環(huán)境，瓦斯中成分多數(shù)是甲烷，通過普通橋路和恒溫橋路在甲烷環(huán)境下的溫度特性(圖1)，設(shè)計(jì)瓦斯檢測(cè)探頭。

圖1 橋路元件特性對(duì)比Fig.1 Comparison of characteristics with bridge elements

如圖1所示，設(shè)計(jì)閉合回路，測(cè)試普通橋路與恒溫橋路在隨著甲烷濃度增加情況下T元件溫度特性的影響，通過對(duì)元件的閉合回路脈沖信號(hào)，繪制圖1，通過對(duì)恒溫和普通橋路元件的溫度特性對(duì)比得出，普通橋路隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾覶元件溫度變化較明顯，這樣由于要做探頭，經(jīng)常性的明顯變化會(huì)導(dǎo)致元件的性能下降，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致元件失效，而且為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性需要做好溫度補(bǔ)償，這樣就會(huì)存在誤差，雖然價(jià)格便宜但是使用壽命較短。恒溫橋路隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾訙囟茸兓淮螅@樣測(cè)量時(shí)避免了溫度的影響而且壽命延長(zhǎng)很多，可保證儀器的長(zhǎng)時(shí)間正常使用，準(zhǔn)確性也會(huì)提高[4]。

1.2 檢測(cè)原理

設(shè)計(jì)閉合回路，同時(shí)具有反饋信號(hào)功能，工作電流逐步降低，選定特定溫度，根據(jù)瓦斯?jié)舛群碗娏髦g的特性聯(lián)系，完成檢測(cè)。

靜態(tài)熱平衡方程—載體元件：

(1)

元件選用恒溫元件，處于恒溫狀態(tài)下，隨著瓦斯?jié)舛仍黾与娏鳒p小，選定恒定條件，阻值和溫度一定，得出：

(2)

元件溫度恒定條件下，在瓦斯?jié)舛葹?時(shí)，得出：

(3)

在瓦斯?jié)舛炔粸?時(shí)：

(4)

其中，I0為氣體中無瓦斯情況下的工作電流；I為氣體中有瓦斯情況下的工作電流：

(5)

由式(5)得出，瓦斯?jié)舛群碗娏鞔笮榉蔷€性關(guān)系，為達(dá)到測(cè)量的準(zhǔn)確性需要對(duì)檢測(cè)電源控制，不可使用直流源，為此選用脈沖直流源，根據(jù)反饋脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過脈沖的變化情況計(jì)算平均電流。得出瓦斯的體積計(jì)算公式：

(6)

進(jìn)一步計(jì)算得出，脈沖電流為：

(7)

式(1)—式(7)中，I為載體催化元件的工作電流；r為載體催化元件的電阻；μ為瓦斯氧化反應(yīng)燃燒熱系數(shù)；φCH4為空氣中瓦斯體積分?jǐn)?shù)；t1為載體催化元件溫度；t0為環(huán)境溫度；α為熱傳導(dǎo)系數(shù)；B為元件面積；A為輻射系數(shù)；σ為角系數(shù)。

2 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)探頭設(shè)計(jì)

2.1 探頭固定設(shè)置

探頭固定設(shè)置如圖2所示。

圖2 探頭固定設(shè)置Fig.2 Probe fixation settin

考慮使用環(huán)境復(fù)雜，為防止一些雜物進(jìn)入探頭中，設(shè)置過濾網(wǎng)，探管與探頭固定牢固[5]。

2.2 傳感器元件靈敏度測(cè)試

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀Fig.3 Signal tester of dynamic

2.3 信號(hào)采集放大電路

瓦斯信號(hào)采集部分如圖4所示。

圖4 瓦斯信號(hào)采集部分Fig.4 Gas signal acquisition of section

根據(jù)元件特性，對(duì)信號(hào)采集部分進(jìn)行放大，放大后進(jìn)行信號(hào)輸出，通過放大器的正反饋實(shí)現(xiàn)比較器的功能，檢測(cè)信號(hào)與調(diào)壓器(Rp)調(diào)整后的電壓值進(jìn)行比較，如果大于調(diào)整后的電壓，則輸出0 V，且LED燈“點(diǎn)亮”，如果小于，則輸出VCC，且LED燈“熄滅”，因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境中會(huì)涉及到溫度濕度等都會(huì)對(duì)靈敏度有影響，設(shè)計(jì)一級(jí)放大電路，然后進(jìn)行輸出，探頭校準(zhǔn)用1 000×10-6丁烷或者1 000×10-6氫氣校準(zhǔn)[6]。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

2.4.1 A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖5 AD轉(zhuǎn)換電路Fig.5 AD conversion circuit

為了提高轉(zhuǎn)換的精度，對(duì)ADC0804的參考電壓進(jìn)行外部接入，不采用系統(tǒng)的2.5 V參考電壓，通過LM317調(diào)節(jié)參考電壓為3 V，來對(duì)輸入模擬信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，LM317為可調(diào)節(jié)的三端穩(wěn)壓芯片，其調(diào)節(jié)范圍寬可以實(shí)現(xiàn)在1.5 A電流輸出條件下達(dá)到37 V的輸出電壓，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)1.25～37 V的連續(xù)調(diào)節(jié)[7-8]。穩(wěn)壓性能好，其輸入線性穩(wěn)壓，系統(tǒng)調(diào)節(jié)相應(yīng)帶寬高，因此噪聲低、紋波抑制比高。

輸出參考電壓：

(8)

R2為可以調(diào)節(jié)阻值的電阻，當(dāng)輸出電壓也就是參考電壓為3 V時(shí)調(diào)節(jié)R2為1.4 kΩ就可以實(shí)現(xiàn)3 V的輸出，然后經(jīng)過C02以及C03電容的濾波處理來提供給ADC0804作為參考電壓。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路整體布局

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)原理如圖7所示?；赟TC的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)裝置原理，下位機(jī)部分為瓦斯?jié)舛忍筋^檢測(cè)到瓦斯信號(hào)，內(nèi)部阻抗會(huì)有相應(yīng)的變化，根據(jù)微弱的阻抗變化信號(hào)，通過AD620信號(hào)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，同時(shí)通過內(nèi)部電容搭建的濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行有源濾波。經(jīng)過有源濾波后的信號(hào)分為2部分：一部分通過電壓比較器進(jìn)行反饋比較后將信號(hào)輸送給單片機(jī)STC12C5A60S2[9]，另一部分通過ADC080模擬信號(hào)采集轉(zhuǎn)換后將信號(hào)輸送給單片機(jī)STC12C5A60S2，顯示電路選用的是低功耗液晶顯示LCD1602，實(shí)時(shí)顯示信號(hào)指示狀態(tài)，主控部分MCU為單片機(jī)STC12C5A60S2，根據(jù)設(shè)定濃度閾值，控制風(fēng)扇啟停，下位機(jī)SCT12C5A60S2將處理后的信號(hào)通過無線傳輸模塊傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)軟件通過串口通信把命令傳送給下位機(jī)。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 System structure

圖7 系統(tǒng)原理Fig.7 Schematic diagram of system

從圖7看出，原理框圖主要包括電路電源部分、顯示部分、無線傳輸部分、主控部分、瓦斯信號(hào)采集部分、AD模數(shù)采集部分[10]。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)定預(yù)警值，通過對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)施檢測(cè)，判斷是否達(dá)到或者超過預(yù)警范圍，如果達(dá)到裝置報(bào)警范圍則發(fā)送報(bào)警信息給監(jiān)控平臺(tái)，同時(shí)處理信息發(fā)送至各科室終端或者手機(jī)端，科室終端或者手機(jī)端根據(jù)信息將控制風(fēng)扇等運(yùn)行，對(duì)濃度進(jìn)行調(diào)控。如果未達(dá)到裝置報(bào)警范圍則發(fā)送報(bào)警信息給監(jiān)控平臺(tái)，同時(shí)處理信息發(fā)送至各科室終端或者手機(jī)端，對(duì)濃度進(jìn)行調(diào)控[11]。

程序流程如圖8所示。程序流程主要分為程序運(yùn)行、初始化、瓦斯?jié)舛刃盘?hào)檢測(cè)、AD數(shù)據(jù)測(cè)量及轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、濃度控制等，程序通過模塊化將各子函數(shù)進(jìn)行模塊化包裝，然后通過預(yù)留口進(jìn)行調(diào)用，可移植性高。

圖8 程序流程Fig.8 Flow chart of program

4 結(jié)論

本文根據(jù)目前的礦難發(fā)生情況，對(duì)礦井瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法及原理進(jìn)行分析，同時(shí)設(shè)計(jì)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)探頭，并對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行放大，并設(shè)計(jì)放大電路，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮上位機(jī)監(jiān)控、下位機(jī)報(bào)警功能。下位機(jī)部分設(shè)計(jì)多節(jié)點(diǎn)和瓦斯排風(fēng)設(shè)備，對(duì)礦井瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)通過無線傳輸給上位機(jī)接收部分，一旦發(fā)生瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)情況，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，提醒人員撤離，同時(shí)啟動(dòng)通排風(fēng)系統(tǒng)，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃谠S可范圍。