礦用甲烷傳感器標校系統(tǒng)設計

謝文強

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安，710077）

0 引言

煤礦安全生產事關人民群眾的生命財產安全，是全國安全生產的重中之重[1]。全面推行危險氣體防治和抽采利用工作，是完善煤礦企業(yè)安全生產保障體系，提升煤礦安全生產總體水平的主要任務[2]。瓦斯氣體傳感器作為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的感知器，必須在其安全可靠工作的前提下，整個煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)才可以實現(xiàn)準確的測量和檢測數據的傳輸[3]。礦用甲烷傳感器作為最關鍵的裝置，它是煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能否有效地正確反映被測環(huán)境參數的基礎[4]。

因此，針對礦用甲烷傳感器的檢測檢驗就顯得尤為重要。但是針對礦用甲烷傳感器的檢測檢驗工作勞動強度大、工作效率低、安全性差的問題，設計了一套礦用甲烷傳感器標校系統(tǒng)。該標校系統(tǒng)可實現(xiàn)檢測的自動化、精確化和安全化，能夠降低勞動強度、提高工作效率和安全性，保障煤礦的安全生產。

隨著煤礦智能化的發(fā)展，檢測控制系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地提高了產品的測試速度和精度[5]。虛擬儀器技術主要應用于儀器設備的控制、測量分析和數據采集、顯示分析，利用其進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可大大提高工作效率[6]。系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器作為開發(fā)平臺，把虛擬儀器技術與測控技術有力地結合在一起，建立礦用甲烷傳感器檢測系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、原始數據存儲與調用為一體的標校平臺。實現(xiàn)了礦用甲烷傳感器的快速、準確、穩(wěn)定檢測，提高了檢測效率。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

礦用甲烷傳感器標校系統(tǒng)主要由氣瓶、礦用甲烷傳感器、質量流量控制器、減壓閥、調壓過濾閥、氣路系統(tǒng)、上位機等組成。按照礦用甲烷傳感器的檢測檢驗要求進行系統(tǒng)設計，以礦用甲烷傳感器作為被測對象，在對標校裝置整體機構分析的基礎上，設計了礦用甲烷傳感器標校系統(tǒng)。系統(tǒng)結構設計圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構設計圖

其中，氣瓶選用騰龍公司的標準一級氣體。減壓閥選擇費斯通生產的二級減壓閥，用于瓶體的壓力控制。過濾閥門用于氣體介質過濾，為了確保進行檢測校準氣樣中的高純凈度，提高檢測檢驗的準確性。質量流量閥用于輸入被測甲烷傳感器的輸入流量控制單元，可通過軟件進行高步進精度控制，以達到準確測量。同時選用研華的數據采集卡，作為傳感器以及閥體的數據上采工作。上位機選用研華的工控機，實現(xiàn)人機交互。同時還設置硬件手動結構，當軟件系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了不影響檢測檢驗工作，還可以采用手動方式進行操作，增加礦用傳感器檢測檢驗的靈活性。

針對已有礦用甲烷傳感器的型號和種類，對應的標準氣體種類、測量的量程、檢驗所需的氣體流量各有不同，為了方便檢測檢驗人員操作，系統(tǒng)選用數據庫技術對被測傳感器類型進行系統(tǒng)維護。針對礦用甲烷傳感器檢測的整個測試過程，系統(tǒng)根據標校裝置采集上來的數據和被測礦用甲烷傳感器的量程對傳感器濃度進行換算，待采集數據穩(wěn)定之后，再進行數據存儲和報表與數據自動關聯(lián)。根據標準氣濃度進行甲烷傳感器濃度的基本誤差測定，并利用數據庫技術實現(xiàn)傳感器性能判定，以此來達到礦用甲烷傳感器的快速、準確、穩(wěn)定檢測。

2 系統(tǒng)軟件流程設計

系統(tǒng)軟件設計原則一是結構清晰，層次分明、各層內部結構簡單，易維護，易查錯；二是系統(tǒng)軟件應具有一定的靈活性，盡可能滿足不同的應用需求；三是交互界面友好，使檢驗操作人員盡可能的簡單、直觀；四是系統(tǒng)應具有一定的安全性和穩(wěn)定性。

為了使礦用甲烷傳感器檢測達到快速、高效率的測試效果，不僅要有合理設計和選用硬件電路之外，而且還要有較高質量的運行軟件來對各個硬件部分進行有效的控制和管理工作。整個檢測系統(tǒng)應用軟件及測試用例使用NI 公司的LabVIEW 2020 進行開發(fā)設計，軟件運行環(huán)境為Windows 10 操作系統(tǒng)。礦用甲烷傳感器標校系統(tǒng)軟件在設計時運用由上而下的設計思想，并采用了模塊化和層次化的設計方法。根據系統(tǒng)的總體要求和性能參數，將系統(tǒng)軟件劃分成幾個不同的功能模塊，然后再將各個功能模塊逐步分解成為單獨的模塊。標校流程圖如圖2 所示。

圖2 標校流程圖

在進行傳感器標校時，首先是登錄測試軟件，根據被測傳感器的硬件接入通道來確定選擇的通道，然后對被測傳感器以及通道參數進行設計，接下來需要確認氣路是否處于可運行狀態(tài)，開始校驗。如果校驗過程中發(fā)現(xiàn)有偏離，然后返回氣路再次確認后，重復校驗工作。校驗合格或不合格后進行數據的存儲和報告打印工作，標校流程就進行完畢了。

在檢驗的過程中，還應該注意被測傳感器的類型，在進行參數設置和通道選擇時，應設置正確。其次，配氣過程也應該確保輸入被測傳感器敏感元件，保持氣流的穩(wěn)定，可在檢測過程中設置氣流流量和時間，待數據穩(wěn)定后再進行檢測工作。

3 甲烷傳感器標校試驗方法

3.1 標校環(huán)境條件

依據礦用甲烷傳感器行業(yè)標準要求，針對傳感器檢測檢驗有著明確的環(huán)境要求，確保檢測過程和數據的可靠性和穩(wěn)定性，其檢驗環(huán)境條件如下：

(1)溫度：(15～35)℃。(2)相對濕度：45%～75%。(3)大氣壓力：(80～116)kPa。

3.2 基本誤差測定

傳感器基本誤差測定是對被測傳感器測量準確度的一個衡量，是表征其質量好壞的關鍵性參數，同時也是煤礦安全的關鍵性指標參數。其檢驗流程如下，首先要給被測甲烷傳感器進行通電，讓其穩(wěn)定工作以后，再按照標準規(guī)定的流量，用壓縮空氣的標準氣體校準傳感器3 次，等待傳感器零點在潔凈空氣中穩(wěn)定以后，按標準規(guī)定流量向傳感器分別依次通入傳感器，測量范圍為0.5%、1.5%、2.0%、3.5%的標準甲烷氣體各3 分鐘，同時記錄傳感器的顯示值。然后重復測量，取測試的算術平均值與標準氣樣的差值作為基本誤差的測量值。軟件基本誤差試驗算法如圖3 所示。

圖3 基本誤差試驗算法

3.3 響應時間測定

傳感器響應時間測定是用來表征被檢測傳感器的響應質量的參數。檢測方法如下，首先要給被測甲烷傳感器進行通電，讓其穩(wěn)定工作以后，再按照標準規(guī)定的流量，用壓縮空氣的標準氣體校準傳感器等待傳感器零點在潔凈空氣中穩(wěn)定以后，通入傳感器測量范圍的2.0%甲烷標準氣樣，記錄儀器顯示值達到標準氣體90%濃度時的時間，重復3 次，取其平均值。響應時間試驗算法如圖4 所示。

圖4 響應時間試驗算法

3.4 工作穩(wěn)定性測定

工作穩(wěn)定性是衡量傳感器的關鍵的參數之一，它是礦用傳感器穩(wěn)定可靠運行的關鍵性測試項目。具體的檢測方法如下，首先把適檢的傳感器放置在穩(wěn)定性試驗裝置中，在穩(wěn)定箱中連續(xù)通入0.5%的標準甲烷氣體運行12h，然后再按標準規(guī)定流量依次通入壓縮空氣和1.5%的標準甲烷氣體各3 min，記錄顯示值和輸出信號值，然后在空氣中連續(xù)運行12 h 后，按標準流量通入1.5%的標準甲烷氣樣3 min，記錄顯示值和輸出信號值。連續(xù)試驗15 d，試驗期間不能調整被測傳感器的狀態(tài)。工作穩(wěn)定性試驗算法如圖5 所示。

圖5 工作穩(wěn)定性試驗算法

3.5 風速影響試驗

把適檢的傳感器放置在風洞之中，在風流為零時對被測甲烷傳感器的基準進行記錄，同時記錄顯示值，啟動風機，調整風速為8m/s，人為使被測傳感器繞懸掛軸線方向移動，尋找其受風速影響的點位位置，固定此位置，每30s 記錄1 次指示值，共記錄3 次，取其算數平均值和基準點的差值作為漂移量。在這個過程中，需要注意的是，一是要確保被測傳感器的狀態(tài)，使其一直處于穩(wěn)定工作條件下進行。二是要確保環(huán)境的穩(wěn)定可靠，尤其是提供的風速場需要穩(wěn)定。

4 結論

（1）文章從礦用甲烷傳感器的檢測檢驗出發(fā)，為了提高檢測效率、降低勞動強度、提升甲烷傳感器的檢測安全性問題，設計了一套礦用甲烷傳感器標校測試系統(tǒng)。

（2）設計的礦用甲烷傳感器標校測試系統(tǒng)。硬件將氣瓶、減壓閥、過濾閥、質量流量計、采集卡以及工控機進行了電氣化改造。軟件應用虛擬儀器技術和測控技術，根據檢測檢驗要求，針對不同型號類別的甲烷傳感器進行了標校軟件設計，形成檢測檢驗的上位機人機交互系統(tǒng)。

（3）針對礦用甲烷傳感器的典型試驗，基本誤差測定、相應時間測定、工作穩(wěn)定性測定試驗以及風速影響試驗進行了詳細的描述，分步驟對檢測檢驗過程進行了分析以及檢測過程中的注意事項，并給出了軟件后臺運行程序。

（4）通過實驗驗證，設計的礦用甲烷傳感器標校測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)礦用甲烷傳感器的快速、準確、穩(wěn)定、安全檢測，提高了檢測效率。