煤層瓦斯含量快速測定儀的研制與應(yīng)用

孟祥峰 ，張 彬 ，葉錦嬌

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

在煤礦災(zāi)害中，礦井瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出最易出現(xiàn)重大人員傷亡事故，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]。而煤層中的瓦斯含量是決定礦井瓦斯涌出量的大小和礦井瓦斯等級的最主要指標(biāo)，是瓦斯治理、煤與瓦斯突出防治、煤層氣開發(fā)等方面極其重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測和評價(jià)煤層區(qū)域瓦斯抽采是否達(dá)標(biāo)的重要指標(biāo)[5-10]。

煤礦井下瓦斯含量測定分為直接法和間接法，其中間接法測量過程繁瑣，周期長，而然后采用解吸法直接測定煤層瓦斯含量，具有測定結(jié)果準(zhǔn)確、測試速度快等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代間接法[11-12]。為了能夠?qū)γ簩油咚购窟M(jìn)行快速測定，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103RCT6 微處理器的便攜式設(shè)備：利用氣體流量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過232 總線傳入STM32 芯片，處理采集到的數(shù)據(jù)，通過屏幕進(jìn)行采集顯示，通過按鍵操作將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、打印、上傳。大量的現(xiàn)場測試結(jié)果表明：該煤層瓦斯含量測定儀操作便捷，測試效果較好，能夠滿足煤礦生產(chǎn)的安全需求。

1 煤層瓦斯含量快速測定儀的理論公式

煤層瓦斯含量由吸附瓦斯和游離瓦斯組成，其中吸附瓦斯又分為可解吸瓦斯和不可解吸瓦斯。

根據(jù)秦躍平等[13]通過對不同粒度下大量煤樣瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，證明了式（1）最適合作為瓦斯解吸的經(jīng)驗(yàn)公式，通過采集獲得自煤樣暴露時(shí)刻起t1、t2、 ···、tn不同時(shí)刻對應(yīng)的瞬時(shí)瓦斯流量數(shù)據(jù)V1、V2、···、Vn；由數(shù)組（t1，V1）、（t2，V2） 、···、 （tn，Vn）通過回歸分析獲得A和B：

式中：V為不同時(shí)刻的瞬時(shí)瓦斯流量數(shù)據(jù)，mL；m為煤樣罐中的煤粉質(zhì)量，g；A為常壓條件下單位質(zhì)量煤粉的可解吸瓦斯含量；B為反映瓦斯解吸速率的常數(shù)；t為煤樣的暴露時(shí)間，min。

結(jié)合預(yù)先實(shí)驗(yàn)室測定的煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)GB 41022—2021《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》可得單位質(zhì)量煤樣的常壓不可解吸瓦斯含量Xb：

式中：a、b為煤的瓦斯吸附常數(shù)；Ad為煤的干基灰分；Mad為煤的水分；φ為煤的孔隙率，cm3/cm3；ρ為煤的密度，g/cm3。

所以單位質(zhì)量煤樣的吸附瓦斯含量Xa為：

根據(jù)朗格繆爾公式計(jì)算可得煤層瓦斯壓力p：

游離瓦斯Xc由式（5）獲得：

由此可得煤層真實(shí)瓦斯含量W：

2 便攜式煤層瓦斯含量快速測定儀

根據(jù)瓦斯含量測定理論公式，為了實(shí)現(xiàn)瓦斯含量的快速測定，關(guān)鍵是利用高精度氣體流量傳感器獲取瓦斯解吸過程中不同時(shí)刻的瞬時(shí)瓦斯流量，然后將數(shù)據(jù)傳輸至STM32 核心處理器，處理器依據(jù)理論算法進(jìn)行計(jì)算，最終將得到煤層瓦斯含量值傳輸至液晶屏進(jìn)行顯示，同時(shí)可以通過按鍵操作將結(jié)果進(jìn)行保存、打印和上傳。

測定儀整體的硬件設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 測定儀總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design diagram of measuring instrument

測定儀主要由低功耗STM32F103RCT6MCU核心處理單元、防水薄膜按鍵、JTAG 調(diào)試口、航空插頭充電口、RS485 通訊口、本質(zhì)安全型鋰離子電池、高精度氣體流量傳感器、蜂鳴器、指示燈、鐵電存儲(chǔ)器、TFT 液晶顯示屏等部分組成。

2.1 系統(tǒng)硬件電路

硬件原理圖如圖2。系統(tǒng)硬件電路主要是由核心處理單元、電池供電電路、信號處理電路、液晶屏顯示電路、串口通信電路以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成。

圖2 硬件原理圖Fig.2 Hardware schematic diagram

1）核心處理單元MCU。核心單元處理模塊如圖2 中T1模塊。測定儀選用STM32F103RCT6 芯片作為核心處理單元，此款芯片是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC），芯體規(guī)格是32 位，速度是72 MHz，程序存儲(chǔ)器容量是256 KB，程序存儲(chǔ)器類型是FLASH，RAM 容量是48 K，具有高性能、高集成度、低功耗等特點(diǎn)。

2）電池供電電路。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2 中的T2，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的3 V 輸出。測定儀額定工作電流240 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12 h，滿足工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際測試需求。考慮到測定儀除流量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、脈沖寬度調(diào)制（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。

3）流量信號處理電路。流量信號處理電路如圖2 中T3模塊。測定儀所用MEMS 流量傳感器專門為各類小流量氣體的測量和過程控制而設(shè)計(jì)，具有極小的始動(dòng)流量，采用熱質(zhì)量流量計(jì)量，無需溫度壓力補(bǔ)償，低功耗，低壓損，響應(yīng)時(shí)間快，多種最大流量量程可選。煤層瓦斯解吸速度通常為2～700 cm3/min，范圍很寬[14]，使得采用單量程傳感器較難滿足整個(gè)量程的測量精度。為此測定儀采用30 cm3/min 和750 cm3/min 這2 種流量量程的傳感器組合，2 種量程傳感器之間采用串聯(lián)安裝方式；當(dāng)測量通路中氣體流量低于30 cm3/min時(shí)，測定儀自動(dòng)選擇低量程傳感器進(jìn)行計(jì)量；當(dāng)流量達(dá)到30 cm3/min 臨界值時(shí)，測定儀能通過軟件邏輯實(shí)現(xiàn)量程自適應(yīng)切換至高量程傳感器進(jìn)行計(jì)量，既滿足寬范圍流量測定需求，又降低了小流量測量誤差，為設(shè)備的精準(zhǔn)測量提供了保障。

4）液晶顯示模塊。LCD 顯示電路如圖2 中T5模塊。顯示屏采用了3.5 寸的TFT 液晶屏，TFT液晶顯示屏具有亮度好、對比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷等優(yōu)點(diǎn)。通過顯示屏，可了解參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)瓦斯流量及瓦斯含量計(jì)算結(jié)果等信息。顯示模 塊 供 電 電 壓 為3 V， 通 過RS232 方 式與STM32F103RCT6 MCU 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

5）串口通信電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。RS232 傳輸電路如圖2 中T4模塊，鐵電存儲(chǔ)電路如圖2 中T6模塊。測定儀需要對瓦斯流量及瓦斯含量計(jì)算結(jié)果等歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并且保障掉電不丟失。測定儀存儲(chǔ)芯片選用FM25CL64B 鐵電存儲(chǔ)器。FM25CL64B 是采用高級鐵電工藝的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量與存儲(chǔ)的應(yīng)用環(huán)境。

2.2 系統(tǒng)軟件

測定儀軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化、獲取時(shí)鐘、按鍵處理、數(shù)據(jù)采集與顯示及電池電量監(jiān)測幾部分。軟件流程圖如圖3。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart

系統(tǒng)初始化主要包括配置中斷優(yōu)先級分組、定時(shí)器、內(nèi)部ADC、串口工作模式和波特率以及液晶屏初始參數(shù)等。獲取時(shí)鐘主要包括PWR 電源時(shí)鐘控制和BKP 后備時(shí)鐘控制。按鍵處理主要包括矩陣按鍵掃描函數(shù)，刷新時(shí)間為100 ms。數(shù)據(jù)采集與顯示主要包括瓦斯含量與壓力采集函數(shù)和液晶屏數(shù)據(jù)顯示函數(shù)兩部分。電池電量監(jiān)測主要包括ADC 采集電壓函數(shù)。

瓦斯含量測定過程軟件邏輯為：打開流量傳感器電源及通訊，AD 轉(zhuǎn)換后獲取測量數(shù)值，MCU 進(jìn)行數(shù)值解析，最后通過按鍵指引顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、保存、打印等操作。

3 結(jié) 語

基于煤層瓦斯解吸規(guī)律，利用STM32F103 RCT6 MCU 單片機(jī)以及MEMS 流量傳感器，設(shè)計(jì)了一款煤層瓦斯含量測定儀，實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯含量在10 min 內(nèi)的快速測定，并可以將測定數(shù)據(jù)進(jìn)行打印和上傳。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，此測定儀測量的數(shù)值準(zhǔn)確性高、測試效率高，體現(xiàn)了煤層瓦斯含量測定儀的便捷性與可靠性，在煤炭安全高效開采和煤層氣開發(fā)中將發(fā)揮一定作用。