礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)研究

王靜

山西工程職業(yè)學院計算機信息系，山西太原，030032

0 引言

氣體傳感器在煤礦環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)當中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，在所有氣體傳感器出廠之前，生產(chǎn)廠家需要對其性能指標進行測試及檢驗，確保其傳感作用在使用過程中的有效發(fā)揮。但是，傳統(tǒng)的傳感器標校很多環(huán)節(jié)都需要依靠人工方式來完成，不僅操作過程復雜，勞動強度較大，工作效率低下，所采用的標準氣體還存在易燃易爆、有害有毒等風險，標校精度極易受到各種內(nèi)外因素的影響，導致標校效果不夠理想。為了全面解決上述問題，滿足氣體傳感器出廠合格檢驗工作需求，相關(guān)技術(shù)人員推出一套更加先進科學的礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在無人值守的環(huán)境下，更加精準高效地完成傳感器標校驗證操作，值得對其進行大力推廣。

1 傳感器標校原理與方法

傳感器標校的主要目的是檢驗傳感器是否存在較大誤差、響應時間是否達標等等，通過獲取一系列性能指標判定其是否符合出廠標準，是否需要對傳感器進行校正，以此來保證傳感器的整體性能質(zhì)量符合市場需求。在針對礦用氣體傳感器進行標校驗證時，由于事關(guān)重大，所以需要嚴格執(zhí)行國家相關(guān)標準，并且嚴格按照相關(guān)驗證方法及步驟進行操作。比如在針對傳感器進行調(diào)零時，務必在清潔的空氣環(huán)境下進行；待傳感器指針達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，選擇一個科學合理的流量控制標準，注入適量濃度的標準氣體；待3 min后，需對傳感器顯示值進行校正調(diào)整，使其與標準值相一致，務必確保本次調(diào)整的精準度符合相關(guān)要求。此后，再次按照之前設定好的恒定流量，分別向傳感器內(nèi)注入不同濃度的CH4標準氣體，由此完成傳感器驗證操作[1]。

2 礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)架構(gòu)

礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)當中各個重要構(gòu)成部件的功能為：（1）上位機：負責針對智能標校柜進行綜合標校與檢測，根據(jù)氣體傳感器的類型選擇一種適合的通氣標?？刂瞥绦?，完成各項命令的發(fā)送。上位機還需要對智能標校柜反饋信息、柜內(nèi)掛接傳感器信息進行實時采集，并且依據(jù)實際需求對采集數(shù)據(jù)進行分析，并由此生成一份傳感器標校測試報告。待上位機將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器上，即可完成自身操作任務；（2）服務器：服務器支撐著整個系統(tǒng)的正常運輸，并且針對系統(tǒng)當中所有數(shù)據(jù)進行集成化管理與存儲，并且生成統(tǒng)計報表記錄，為工作人員隨時進行信息查詢或者打印提供便利條件；（3）智能標校柜：當智能標校柜接收到上位機發(fā)送過來的標校命令以后，便可以自動完成傳感器標校驗證、數(shù)據(jù)采集與整理分析等各項工作。智能標校柜不僅操作方法方便快捷，其配置數(shù)量還存在較大的擴展空間?，F(xiàn)階段，一臺智能標校柜可同時接入60臺傳感器，而且可以同步完成所有接入傳感器的標校驗證工作，無疑使相關(guān)工作效率獲得極大的提升。其工作流程為：當供排氣控制箱接收到上位機發(fā)送過來的操作命令之后，就會自動開啟加裝于供氣管道上的電磁閥，在傳感器當中注入標所需要的標準氣體。在完成標校環(huán)節(jié)以后，所形成的尾氣同樣會以自動分類的方式注入相應的排氣管道，由此實現(xiàn)尾氣的標準化排放[2]。

3 智能標校柜設計

在智能標校柜當中，包括電路單元和氣路單元兩個主要部分。電路單元主要包括工業(yè)一體計算機、調(diào)校接口板、柜體管理板、電流檢測模塊、溫濕度傳感器、繼電器板、氣體監(jiān)測傳感器等主要部件；氣路單元主要由電磁閥、流量計、壓力傳感器、氣體測試腔、排氣泵、輸氣管等部件共同構(gòu)成，主要完成標校氣體輸送、尾氣排放等。上述部件的主要功能為：（1）工業(yè)一體計算機：承擔著接收上位機發(fā)送命令這一重要職責[3]。待其接收到命令之后，便可以對電磁閥進行自動化控制，使其執(zhí)行相應的動作命令。同時，工業(yè)一體計算機還負責對柜體管理板、壓力傳感器、氣體監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器所生成的運行數(shù)據(jù)進行實時采集與整理分析，并且按照操作要求將相應的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機；（2）柜體管理板：主要負責將工業(yè)一體計算機發(fā)送過來的操作命令轉(zhuǎn)發(fā)送給調(diào)校接口板。同時，還負責針對接入的60塊調(diào)校接口板所生成的數(shù)據(jù)信息進行采集，還可以根據(jù)系統(tǒng)設置要求，對所有數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，之后將其統(tǒng)一上傳到工業(yè)一體計算機當中，由此形成一個閉環(huán)狀態(tài)；（3）調(diào)校接口板：主要負責對氣體傳感器的電氣性能情況進行動態(tài)檢測；同時，將柜體管理板發(fā)送過來的標定命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應的傳感器；還負責針對系統(tǒng)當中所有的氣體傳感器標校反饋信息、電流檢測模塊信息以及傳感器在線檢測模塊信息進行動態(tài)化采集，并且將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到柜體管理板當中；（4）繼電器板：該部件需要與工業(yè)一體計算機進地串聯(lián)，負責接收來自于工業(yè)一體計算機所發(fā)出的控制命令。并且依據(jù)各項命令對電磁閥、排氣泵開閉情況進行自動化控制，完成標校氣體的輸送以及尾氣排放；（5）流量計：負責針對標校標準氣體供給流量進行控制，使其形成一個恒定值；（6）氣體測試腔：此裝置為標校氣體傳感器提供了一個適宜、穩(wěn)定的測試空間，使標校過程中的安全系數(shù)獲得大幅提升；（7）壓力傳感器：負責針對供氣管道壓力進行常態(tài)化監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)壓力不穩(wěn)定或者超標現(xiàn)象，立即發(fā)現(xiàn)警報；（8）排氣泵：負責實現(xiàn)標校尾氣的標準化排放[4]。

4 標校測試設計

4.1 多路自動標校方式

在氣體標校的過程中，需要先在氣體傳感器內(nèi)部通入一定量標準氣體。此后，氣體傳感器測量便會測量氣體濃度，將該數(shù)據(jù)與標準氣體濃度之間進行對比，便可以通過二者之間的差值判斷氣體濃度是否超標。但是，實現(xiàn)定標校氣體的自動輸送、氣體傳感器標校值以及測量數(shù)值的自動獲取，還需要采取更加多元化措施，方可達到提高工作效率的目的。為實現(xiàn)這一目標，可采取以下幾項措施：

4.1.1 供氣回路設計

供氣回路主要包含以下兩部分：第一，集中供氣管道回路。該回路負責將標準標校氣體輸送至智能標校柜當中；第二，氣路單元。負責對氣體傳感器進行分配。對于礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)而言，所應用的標準氣體具有易燃易爆、有毒有害等特性，直接凸顯出標校過程中的安全保護工作的重要性。為了保證標校過程中的安全性，建議將氣瓶與智能標校柜之間保持足夠的安全距離，并且通過專用管道將氣瓶當中的標準氣體輸送至相應的智能標校柜當中。必要時，為了保證安全性，可以考慮加裝防回火裝置[5]。在選擇集中供氣管道回路的建造材料時，要選用耐腐蝕、耐高溫的不銹鋼管材。在管道當中，根據(jù)實際需要加裝減壓閥、單向閥、回火器、開關(guān)球閥以及電磁閥等控制部件，確保傳感器標校過程可以得到全程有效的控制。通過供排氣控制箱對電磁閥進行控制，可使上位機得到同時控制，確保不同類型的氣體通過相應的供氣管道進行輸送，以免相互之間造成干擾，引發(fā)安全事故。針對同一類型、不同濃度的氣體，可以采用同一管道，采用分時輸送的方式完成輸送。在供氣入口處安裝有電磁閥，智能標校柜可以借助電磁閥對所需要的標校氣體進行合理選擇，再通過氣體分配器將相應的標準氣體通入到對應的氣體測試腔當中，由此完成自動化控制。為了使標準氣體流量得到科學合理的控制，每一個供氣回路都要安裝流量計。操作人員根據(jù)實際需求設定一個合理的恒定值，完成標校氣體的輸送。在同一個供氣回路當中，最多可以同時接入10個氣體傳感器，并對其進行標準氣體的供應。所以，有必要設置單向閥，避免通氣回路之間發(fā)生串氣現(xiàn)象，對標校過程造成負面影響。在標校開始、結(jié)束這兩個階段，務必將殘留于供氣管道和氣體測試腔內(nèi)的氣體清除干凈。另外，如果傳感器當中裝有高濃度CH4，則需要在吹氣管內(nèi)注入一定量的N2，對尾氣起到稀釋作用，確保尾氣排放濃度符合相關(guān)要求[6]。

4.1.2 信息交互設計

在人工標校模式下，主紅外遙控器發(fā)揮著主要作用。這種方式最大的弊端問題是整個操作過程極易受到內(nèi)外環(huán)境因素的干擾，從而難以取得理想的標校質(zhì)量，工作效率不夠理想。為了解決這一問題，技術(shù)人員研發(fā)了一款較為先進的調(diào)校接口板。當調(diào)校接口板通過通信接口與氣體傳感器之間進行聯(lián)接以后，便可以自動完成氣體傳感器標校、響應時間測試以及傳感器聲光報警功能測試等一系列操作。通常情況下，每一個調(diào)校接口板都設有3個通信接口。分別用于連接柜體管理板、待標校傳感器和電流檢測模塊。當各部件全部接通后，便可以將柜體管理板所發(fā)送的標校命令轉(zhuǎn)發(fā)到相應的校傳感器當中，傳感器接收到命令之后自動執(zhí)行相關(guān)操作。同時，還可以將傳感器濃度檢測值、工作電流以及聲光報警功能檢測數(shù)據(jù)再反饋給柜體管理板，由此完成閉環(huán)操作[7]。

4.2 氣體測試腔設計

在當前的氣體傳感器標校工作中，主要存在靜態(tài)和動態(tài)兩種標校方式。在使用靜態(tài)方式進行標校時，需要將傳感器放置在一個充滿標準氣體的氣體測試柜當中。由此引發(fā)一系列弊端問題，例如氣體用量大、柜內(nèi)氣體濃度不易控制、換氣時間過長、效率低下等等，由于動態(tài)標校方式可以在很大程度上規(guī)避上述問題，動態(tài)標校的使用率較要遠遠高于靜態(tài)標校。另外，在人工標校模式下，需要采用人式方式將標校氣體注入到傳感器當中，不僅工作效率低下，存在較大安全風險，而且標校之后所形成的尾氣直接也只能直接排放在標校房內(nèi)，進一步加大了安全風險。為了提高標校過程中的安全性，技術(shù)人員研發(fā)了一款氣體測試腔，為待標校傳感器提供了一個更加安全適宜的測試空間，并且確保尾氣排放濃度符合相關(guān)要求，同時滿足了標校驗證需求和安全要求[8]。

5 礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)安全設計

為了確保礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)的安全可靠性，需融入以下安全設計思路：（1）針對排氣系統(tǒng)進行合理設計。智能標校柜在運行過程中容易形成一種負壓環(huán)境，由此加大了標校氣體泄漏風險。為了防止發(fā)生此問題，在進行系統(tǒng)設計時，要單獨設置輸送有毒有害、易燃易爆氣體的供氣回路、尾氣排放回路，確保輸送助燃氣體的回路相分離。另外，在通入高濃度CH4標校氣體時，還要同步注入N2，使高濃度尾氣得到有效稀釋，確保尾氣濃度符合國家相關(guān)要求[9]；（2）提高標校房和智能標校柜的合理性。在針對標校房和智能標校柜進行規(guī)劃設計時，有必要在其內(nèi)部加裝標準氣體傳感器，使其內(nèi)部標準氣體的狀態(tài)得到實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)氣體泄漏問題，傳感器會立即切斷其供電回路和供氣回路，以免引發(fā)安全事故；（3）合理安裝檢測傳感器。當檢測傳感器安裝完畢后，切忌立即通氣。正確的做法是先將下壓裝置下壓到位，確認無誤后，再進行通氣；（4）在供氣管道上安裝壓力傳感器。因為壓力傳感器可以對管道壓力進行動態(tài)監(jiān)測，當壓力值呈現(xiàn)出異常狀態(tài)時，系統(tǒng)將自動發(fā)出警報；（5）加裝防爆型電磁閥。當線路當中存在電火花時，防爆型電磁閥可以將氣體管路進行切換，從而避免發(fā)生危險；（6）加裝調(diào)校接口板。當電流超過設定值時，接口板會自動切斷供電回路[10]。

6 礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)測試

如果傳感器生產(chǎn)企業(yè)對于標校效果不夠滿意，建議采用以下方式對其進行驗證：首先，任意選取3臺礦用自動標校氣體傳感器用于測試；之后，分別在這3臺傳感器當中通入濃度為0.5%、1.5%、3.5%的CH4標準氣體以及潔凈空氣。在驗證的過程中，需要3種不同標準氣體下，分別測量3次，再求出平均值。將此平均值與標準值之間進行對比，即可得到驗證結(jié)果。與以往那種每次只能標校1臺傳感器的人工方式相比，智能標校柜可同時接入10臺氣體傳感器，并且針對這10臺氣體傳感器進行同步標校。另外，由于所有接入到系統(tǒng)當中的智能標校柜可以同時開展氣體標校工作，還可以針對測試結(jié)果進行實時采集與自動保存，并且完成標校氣體的自動輸送。這一系列新功能，使得傳感器出廠標定工作效率實現(xiàn)了大幅度增長，而且標定精度也更加值得依賴[11]。

7 結(jié)語

使用傳統(tǒng)的礦用氣體傳感器，無法在出廠標校時實現(xiàn)閉環(huán)標校，而且存在較大人身傷害風險。為了解決這些問題，技術(shù)人員依據(jù)國家頒布實施的相關(guān)技術(shù)標準及規(guī)范要求，研發(fā)設計了一款可脫離人式方式、自動化完成礦用氣體傳感器自動標校系統(tǒng)。在應用該系統(tǒng)時，可結(jié)合實際需求對所有智能標校柜進行科學合理的分布，并且保證所有智能標校柜的獨立性，再將其分別接入到系統(tǒng)當中。此后，便可以自動執(zhí)行系統(tǒng)命令，針對不同類型氣體傳感器進行同步標校。在智能標校柜的供氣回路設計方面，采用的是氣路單元這種非?？茖W合理的模塊化方式。在執(zhí)行標校工作時，一個氣路單元可以一次性對應10臺同類型氣體傳感器，同步完成標準氣體的輸送與標校工作，極大地提高了工作效率。另外，通過該系統(tǒng)進行標校以后，可將氣體傳感器精度誤差在最小范圍之內(nèi)，從而提高工作質(zhì)量。而且可以在無人值守的情況下自動完成標校工作，實現(xiàn)了真正意義上自動化、智能化操作。