一種便攜式瓦斯抽采管道多參數(shù)測(cè)定儀研制

丁 遠(yuǎn)

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

在煤礦災(zāi)害中，礦井瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出最為嚴(yán)重，因此，礦井瓦斯災(zāi)害治理在煤礦安全生產(chǎn)中尤為重要[1-4]。《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第四十七條規(guī)定了預(yù)抽煤層瓦斯時(shí)應(yīng)當(dāng)記錄每個(gè)鉆孔的接抽時(shí)間，定期測(cè)定鉆孔的瓦斯?jié)舛?、抽采?fù)壓；分單元安裝抽采自動(dòng)計(jì)量裝置，按措施效果檢驗(yàn)單元分別監(jiān)測(cè)或者檢測(cè)管道瓦斯的濃度、抽采負(fù)壓、抽采流量、溫度、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)等，自動(dòng)計(jì)量或者統(tǒng)計(jì)計(jì)算單元的瓦斯抽采量，抽采自動(dòng)計(jì)量數(shù)據(jù)或者統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)作為預(yù)抽效果檢驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定時(shí)，抽采鉆孔瓦斯?jié)舛取⒊椴韶?fù)壓存在“測(cè)不快、測(cè)不準(zhǔn)、儀器重”的困擾[5-6]。針對(duì)此問(wèn)題，中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司研制了一款便攜式瓦斯抽采管道（鉆孔）多參數(shù)測(cè)定儀（簡(jiǎn)稱測(cè)定儀）。該儀器操作簡(jiǎn)單、使用方便，是煤礦現(xiàn)場(chǎng)管道多參數(shù)測(cè)量、驗(yàn)證、校對(duì)的有效工具。

測(cè)定儀是一種以ARM-crotex m3 微處理器為處理器，內(nèi)置4.3 V 、3 A 鋰電池，搭配多種氣體采集探頭，支持藍(lán)牙通信的智能化、數(shù)字化礦用便攜式儀表[7]。主要用于煤礦管道、單鉆孔等瓦斯流量、甲烷體積分?jǐn)?shù)、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)、溫度、壓力等參數(shù)的測(cè)量。該儀器能夠同時(shí)測(cè)量顯示管道氣體流量、甲烷體積分?jǐn)?shù)、壓力、溫度、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)，其中流量與甲烷體積分?jǐn)?shù)測(cè)量方式是本機(jī)特點(diǎn)。

測(cè)定儀整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Instrument structure diagram

1 測(cè)定儀整體方案與指標(biāo)特性

測(cè)定儀通過(guò)孔板、皮托管、導(dǎo)流管等不同方式測(cè)量單孔流量、主管道流量，采用可調(diào)諧激光光源的激光甲烷探頭進(jìn)行管道瓦斯體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量，相較于泵吸式紅外原理測(cè)量甲烷，激光甲烷具有單色性好，不受其他氣體成分和水汽的干擾等優(yōu)點(diǎn)。

測(cè)定儀性能指標(biāo)如下：甲烷測(cè)量范圍為0～100.00%；當(dāng)量程在0～10%時(shí)，基本誤差為±0.5%；當(dāng)量程在10%～40%時(shí)，基本誤差為±1.0%；當(dāng)量程在40%～100%時(shí)，誤差為±3.0%。一氧化碳量程（0～2 000）×10-6，量程在（0～100）×10-6時(shí)誤差為±4×10-6，量程在（100～2 000）×10-6時(shí)，誤差為測(cè)量值±6%。壓強(qiáng)范圍為-90～30 kPa，誤差為全量程1%；壓差范圍為-250～250 Pa，誤差±1.5%FS。溫度范圍為0～50 ℃，基本誤差±2%FS。

另外，測(cè)定儀具有實(shí)時(shí)時(shí)間顯示、電池電量顯示、測(cè)量參數(shù)存儲(chǔ)與查詢的功能，而且還具有故障自診斷及自動(dòng)關(guān)機(jī)功能?？赏ㄟ^(guò)藍(lán)牙，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到上位機(jī)、移動(dòng)端設(shè)備，配合出廠提供的應(yīng)用端軟件，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)回訪、實(shí)時(shí)顯示曲線、生成報(bào)表、打印等功能。

2 測(cè)定儀的硬件

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

測(cè)定儀硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 測(cè)定儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram

測(cè)定儀整機(jī)硬件由低功耗STM32F103RCT6 MCU 核心處理單元、防水薄膜按鍵、JTAG 調(diào)試口、航空插頭充電口、藍(lán)牙、本質(zhì)安全型鋰離子電池、激光甲烷探頭、電化學(xué)式CO 探頭、高精度氣體壓差傳感器（流量通過(guò)壓差進(jìn)行計(jì)算）、PT100、蜂鳴器、指示燈、鐵電存儲(chǔ)器、TFT 液晶與顯示屏等部分組成。

儀表的氣體多參數(shù)是關(guān)鍵。其中，測(cè)定儀甲烷檢測(cè)部分是基于光譜吸收原理（TDLAS），通過(guò)單片機(jī)控制電路對(duì)激光器進(jìn)行電流調(diào)制，使激光器發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光穿過(guò)氣室后到達(dá)激光探測(cè)器，若氣室中存在被檢測(cè)的特征氣體，激光將與被該氣體吸收，特征氣體濃度越高，吸收量越大，激光探測(cè)器將監(jiān)測(cè)到激光強(qiáng)度的變化并反饋至單片機(jī)控制電路進(jìn)行處理，最終由信號(hào)輸出電路將濃度結(jié)果顯示出來(lái)。測(cè)定儀一氧化碳檢測(cè)部分采用高性能電化學(xué)式檢測(cè)元件，以定電位電解為基本原理，當(dāng)一氧化碳擴(kuò)散到檢測(cè)元件時(shí)，其輸出端產(chǎn)生電流輸出，提供給測(cè)定儀中的采樣電路，起著將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的作用。當(dāng)氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，檢測(cè)元件的輸出電流也隨之成正比變化，經(jīng)測(cè)定儀的中間電路轉(zhuǎn)換放大輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理并顯示輸出至液晶顯示屏。測(cè)定儀溫度、壓強(qiáng)、壓強(qiáng)差采用內(nèi)置傳感器，通過(guò)單片機(jī)反饋處理，顯示測(cè)量結(jié)果。由于測(cè)定儀的采集部分使用的是串口與ADC 模塊，只需要與單片機(jī)的串口直連可以通信或者典型ADC 電路，對(duì)數(shù)值的處理關(guān)鍵在于軟件，所以不針對(duì)這部分進(jìn)行硬件說(shuō)明；將著重進(jìn)行電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等2 個(gè)關(guān)鍵部分的電路設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娫搓P(guān)系到測(cè)定儀是否可以穩(wěn)定運(yùn)行，存儲(chǔ)部分關(guān)系到后續(xù)分析數(shù)據(jù)時(shí)是否有數(shù)據(jù)可用，這2 部分是相對(duì)關(guān)鍵的。

2.2 電源設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，不但需要考慮電源本身的基本電氣參數(shù)，還要考慮電源的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，如電磁兼容、溫度范圍、安全設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等因素，任何一個(gè)疏忽的因素都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。測(cè)定儀額定工作電流400 mA，采用1 節(jié)PL115565本安型鋰離子電池供電，電池額定電壓為3.7 V，額定容量3 Ah,可連續(xù)工作8 h，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試需求。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Voltage conversion circuit

考慮到測(cè)定儀除氣體壓差傳感器外各模塊均為3 V 供電要求，選擇TPS6300DRCR 高效率降壓升壓電源管理芯片，該芯片是基于1 個(gè)固定頻率、PWM 控制器，使用同步整流以獲得最大效率，在低負(fù)載電流下，該芯片進(jìn)入省電模式，以便在寬廣的負(fù)載電流范圍內(nèi)保持高效率。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的3 V 輸出。

另外，為確保整個(gè)產(chǎn)品的主控芯片可以穩(wěn)定、可靠的工作，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循一定的上電時(shí)序以及相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)規(guī)定，在設(shè)計(jì)中ARM 核心板優(yōu)先上電，然后才是底板外設(shè)I/O 設(shè)備上電，如果無(wú)法滿足上電時(shí)序可能會(huì)導(dǎo)致下面的情況：①底板外設(shè)I/O 設(shè)備倒灌到處理器，處理器無(wú)法正常啟動(dòng)；②最壞的情況,底板外設(shè)I/O 設(shè)備倒灌到處理器，對(duì)處理器造成不可逆的損壞。

2.3 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

ARM 處理器通常搭配Nand-Flash/eMMC、鐵電等存儲(chǔ)器[8]，器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常描述Nand-Flash 的塊擦寫壽命達(dá)10 萬(wàn)次，EMMC 的塊擦寫最高也會(huì)有1 萬(wàn)次。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下3 點(diǎn)：①避免在Flash 擦除或?qū)懭脒^(guò)程中突然掉電；②設(shè)計(jì)好處理控制核心的電源系統(tǒng)，防止CPU 等在啟動(dòng)、運(yùn)行中，電源系統(tǒng)因瞬時(shí)變化引起的紋波等情況；③搭配掉電檢測(cè)電路，在檢測(cè)到外部電源掉電的同時(shí)，及時(shí)迅速關(guān)閉文件系統(tǒng)，停止向文件系統(tǒng)內(nèi)寫數(shù)據(jù)的操作。

測(cè)定儀需要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，保障掉電不丟失。測(cè)定儀存儲(chǔ)芯片選用FM25CL64B鐵電存儲(chǔ)器。FM25CL64B 是采用高級(jí)鐵電工藝的64 Kb 非易失性存儲(chǔ)器, 與其他非易失性存儲(chǔ)器相比，該產(chǎn)品具有顯著的寫入耐久性，能夠支持1 014個(gè)讀/寫周期，比EEPROM 多1 億倍的寫周期, 這些功能使FM25CL64B 非常適合煤礦井下頻繁測(cè)量與存儲(chǔ)的應(yīng)用環(huán)境。

3 關(guān)鍵軟件

測(cè)定儀關(guān)鍵軟件在于數(shù)據(jù)的采集、保證與氣體流量的計(jì)算。測(cè)定儀的甲烷、CO 是串口與單片機(jī)通信的，所以要保證串口采集[9]數(shù)據(jù)的不丟幀是關(guān)鍵。串口幀是以字節(jié)為單位，整幀的發(fā)送與接收全部安全字節(jié)逐個(gè)進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理時(shí)，單片機(jī)串口并沒有硬件FIFO 以及CA 總線仲裁機(jī)制，所以為了實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的實(shí)有序接收，要用軟件模擬FIFO。當(dāng)FIFO 收到超過(guò)預(yù)測(cè)幀后，新幀會(huì)覆蓋最后的幀，這種緩沖方式下，如果采用來(lái)1幀處理1 幀的方式，對(duì)于甲烷或者CO 來(lái)說(shuō)，肯定會(huì)發(fā)生丟幀。為了減少因使用malloc,free 函數(shù)帶來(lái)的內(nèi)存碎片、泄漏，保證測(cè)定儀軟件的串口接收與串口處理不丟幀，采用經(jīng)典串口空閑中斷接口搭配FIFO 緩存隊(duì)列算法來(lái)做串口數(shù)據(jù)接收，采用讀者-寫者算法來(lái)處理數(shù)據(jù)的采集、處理。緩存隊(duì)列如圖4[10]。

圖4 緩存隊(duì)列圖Fig.4 Cache queue graph

首先定義1 個(gè)長(zhǎng)度為16×16 的二維數(shù)組，建立讀、寫2 個(gè)任務(wù)，定義讀（rd）、寫（rw）指針,初始化設(shè)置讀者數(shù)和寫者數(shù)均為0。讀指針指向單片機(jī)待處理的數(shù)據(jù)地址，寫指針指向緩存隊(duì)列接收最新幀后保存的數(shù)組地址，讀寫過(guò)程要保證“寫者優(yōu)先”，如果有寫者在等待，則讀者等待，直到所有寫者完成。讀指針隨著數(shù)據(jù)處理而遞增，寫指針隨著數(shù)據(jù)接收而遞增。

在串口數(shù)據(jù)幀的存儲(chǔ)與處理中，讀寫指針要隨時(shí)移動(dòng)，并要實(shí)時(shí)保證讀寫不溢出與定期清空隊(duì)列，讀指針地址、數(shù)量不應(yīng)大于寫指針。如果寫者進(jìn)程想要進(jìn)入臨界區(qū)，則先等待讀者數(shù)為0，然后進(jìn)入臨界區(qū)進(jìn)行寫操作所以每次讀寫要判斷時(shí)候溢出及時(shí)清空隊(duì)列，寫指針只需要每次寫時(shí)，同數(shù)組長(zhǎng)度進(jìn)行比較判斷溢出。讀相對(duì)復(fù)雜，如果讀者進(jìn)程想要進(jìn)入臨界區(qū)，則等待所有寫者完成，然后增加讀者數(shù)并進(jìn)入臨界區(qū)進(jìn)行讀操作，需要結(jié)合幀格式以及相應(yīng)邏輯、隊(duì)列長(zhǎng)度綜合判斷溢出。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理在文件系統(tǒng)向?qū)憯?shù)據(jù)的底層存儲(chǔ)器塊寫數(shù)據(jù)時(shí)，常規(guī)會(huì)先將塊里的數(shù)據(jù)讀出來(lái)，擦除塊干凈后，將需要寫入的數(shù)據(jù)和之前讀出來(lái)的塊數(shù)據(jù)一起在回寫到存儲(chǔ)器里面去，如果設(shè)備在擦除塊過(guò)程中或者在回寫數(shù)據(jù)過(guò)程中意外發(fā)生斷電甚至電壓不穩(wěn)定，或者文件系統(tǒng)寫平衡沒有處理好，特別是要求1 min 以內(nèi)要記錄1 次數(shù)據(jù)這樣頻繁的擦寫塊操作，就有可能將Nand-Flash 或EMMC 的塊寫壞。通過(guò)大量應(yīng)用，總結(jié)以下4 個(gè)步驟可以有效處理存儲(chǔ)問(wèn)題。

1）調(diào)試系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，建議使用軟件復(fù)位，避免人為頻繁的通過(guò)斷電實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作；有斷電必要時(shí)，將打印信息添加如“系統(tǒng)加載完成”、“數(shù)據(jù)保存完畢”等指示說(shuō)明后操作。

2）軟件采取Flash 均衡保存算法，高效地調(diào)整更改數(shù)據(jù)時(shí)擦除的Flash 區(qū)域大小。

3）可將數(shù)據(jù)先寫入內(nèi)存或者鐵電存儲(chǔ)器，然后定期的再將數(shù)據(jù)搬移到大的存儲(chǔ)器里面，減少直接斷Nand-Flash、EMMC 擦寫次數(shù)。

4）在程序中加入或者提高電源電量檢測(cè)的閾值，程序上保證所有電源系統(tǒng)下的芯片在此閾值上均可以正常工作。

氣體流量是通過(guò)壓差傳感器的值進(jìn)行換算獲得。氣體流量與壓力之間存在Q=pV/RT，式中：Q為流量；p為壓力；V為體積；R為氣體常數(shù)；T為溫度。其中體積可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)使用的皮托管等標(biāo)準(zhǔn)工具計(jì)算而得，氣體常數(shù)可查表，測(cè)定儀可以通過(guò)內(nèi)部PT100 獲取溫度值。所以壓力、溫度是決定氣體流量準(zhǔn)確性的變量，這2 個(gè)值的穩(wěn)定、正確是關(guān)鍵，尤其是軟件對(duì)溫度、壓差數(shù)值的處理，如果溫度、壓差數(shù)值來(lái)回跳變，流量會(huì)跟著變，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)。測(cè)定儀數(shù)據(jù)處理部分使用中值濾波+模擬卡爾曼濾波算法對(duì)這2 個(gè)變量進(jìn)行處理，中值濾波保證數(shù)據(jù)的正確，模擬卡爾曼算法保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。之所以采用模擬卡爾曼濾波算法是考慮到芯片的計(jì)算能力、內(nèi)存，以及實(shí)用性，測(cè)定儀直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)庫(kù)則可進(jìn)行計(jì)算。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

測(cè)定儀目前已在山西小回溝煤礦、段王煤礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，主要考察了測(cè)定儀對(duì)井上瓦斯泵站主管路、井下鉆場(chǎng)單鉆孔的測(cè)量性能、精度，以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員使用感，試驗(yàn)以4 個(gè)定向鉆孔為試驗(yàn)點(diǎn)，分別記錄瓦斯體積分?jǐn)?shù)、標(biāo)態(tài)瓦斯流量、混合氣態(tài)瓦斯流量等參數(shù)。鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)Table 1 Drilling parameters data

結(jié)果表明：該便攜式瓦斯抽放管道多參數(shù)測(cè)定儀體積比煤礦在用儀表體積小近1/2，質(zhì)量輕，便于攜帶。測(cè)定儀采用氣體壁式內(nèi)循環(huán)采樣新技術(shù)，將儀器與鉆孔（管道）并聯(lián)，克服外界大氣壓力的影響，管道氣體瞬時(shí)取樣，完成管道參數(shù)快速測(cè)量；同時(shí)自帶氣水分離裝置有效克服了瓦斯抽放管道氣體中含有的水、煤灰和其他雜質(zhì)等造成的皮托管、微差壓傳感器等部件堵塞；激光甲烷探頭有效解決了煤礦在用同類儀表使用的紅外甲烷探頭存在的受氣體中水影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)超差、測(cè)量精度下降、經(jīng)常更換探頭等問(wèn)題。

綜上，便攜式瓦斯抽放管道多參數(shù)測(cè)定儀有效解決了抽采鉆孔濃度、負(fù)壓存在“測(cè)不快、測(cè)不準(zhǔn)、儀器重”等問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

探討了管道瓦斯抽采測(cè)定儀對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的意義，分析了同類產(chǎn)品在煤礦使用中存在的問(wèn)題，針對(duì)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第四十七條對(duì)預(yù)抽煤層鉆孔測(cè)定的規(guī)定，分別從工藝技術(shù)、優(yōu)化算法和內(nèi)部結(jié)構(gòu)3 大方面著手研發(fā)了一款便攜式瓦斯抽放管道多參數(shù)測(cè)定儀。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：測(cè)定儀體積小、便攜帶、數(shù)據(jù)無(wú)超差，保證了現(xiàn)場(chǎng)工作人員掌握預(yù)抽鉆孔參數(shù)準(zhǔn)確性，對(duì)煤與瓦斯突出防治方面給予了有效幫助。