多通道瓦斯參數監測儀的設計與應用

孟 濤，周自強，陳啟東

（常熟理工學院 機械工程學院，常熟 215500）

0 引言

煤礦在采煤作業過程中，為了保證安全，需要通過向井下通風的方式將礦井內的瓦斯氣體排出，這些瓦斯氣體集中通過井口排入大氣。這些瓦斯氣體雖然濃度不高，但是數量很大，一般稱為乏風瓦斯。另外，這些瓦斯氣體排入大氣層后具有很高的溫室效應，瓦斯氣體所造成的溫室效應是二氧化碳的二十倍，因而會對環境造成嚴重危害。如果能將這些瓦斯氣體收集起來進行利用，一方面可以減少對大氣環境的破壞，另一方面也可以充分利用自然資源。其收集的方式是通過密度層分和吸附分離的方式來實現的。在這一過程中，需要對分離裝置的多個關鍵位置的乏風瓦斯進行在線監測，并進而控制分離設備的動作。為了便于后續工作的進行，本文采用基于虛擬儀器的工作原理來構建多通道（目前實現了16通道）的瓦斯參數監測儀[1,2]。

1 瓦斯參數監測儀的系統組成

多通道瓦斯參數監測儀的總體結構如圖1所示。首先在計算機的主機箱內插入多串口數據采集卡，并通過專用的通訊電纜與儀器機箱后面上的專用插孔連接。為了便于在礦井附近的工作現場進行數據采集，將儀器設計成便攜式機箱和PC機數據處理的 結構。儀器的后面板通過航空接頭與瓦斯傳感器的工作電纜進行連接。電纜內的電源線和信號線集成在一起，這樣大大方便了測點的安裝和調整。整個主機箱內部由外部的220V交流電源進行供電，通過電源線將交流電引入主機箱內的開關電源，通過開關電源將交流電轉換為低壓直流電，然后再分流到各個通道的電源模塊上，通過該電源模塊將低壓直流電轉換為3.3V的直流電作為瓦斯傳感器的工作電源。另外瓦斯傳感器所采集的瓦斯濃度信號和環境溫度信號通過信號電纜上傳到數字信號轉換模塊模塊，通過該模塊將瓦斯濃度信號和環境溫度信號轉換為數據采集卡2能夠接受的標準的Rs232串行通訊信號并最終進入計算機。最后由計算機內的數字信號處理軟件對瓦斯信號進行記錄和處理。該軟件能夠對不同的通道分別進行處理，并對所采集的瓦斯信號進行波形記錄、數字濾波、信號特征提取等處理工作。

圖1 瓦斯參數監測儀總體結構

2 硬件組成

多通道瓦斯參數監測儀的下位機采用Premiere公司的智能紅外瓦斯傳感器構成采集模塊。其主要功能是：1）對數據模塊中的max3232芯片以及傳感器提供3.3V直流電壓；2）將上位機的指令通過max3232的電平匹配發送到傳感器，并將傳感器接收的數據返回給上位機。采集原理是根據紅外散射來檢測瓦斯氣體的濃度，可根據接收到的命令字來執行相應的檢測命令，且上傳的數據符合IEEE-754標準。具體來說是將上位機的命令指令通過串口的2口傳到max3232的13腳RIIN，通過電平匹配由12腳RIOUT發送到傳感器的1腳Tx，傳感器接收指令后開始讀取瓦斯濃度的數據，將數據通過2腳Rx發送至max3232的11腳TIIN，由14腳TIOUT輸出，發送至串口的4腳，由串口將數據返回給上位機。

多通道瓦斯參數監測儀的主機箱內主要包括信號轉換模塊、通道控制模塊和電源控制模塊。其中信號轉換模塊的作用是把接收到的串行數據轉換成符合Rs232要求的工作電平；通道控制模塊的作用是根據面板上的按鈕對各通道對應的信號轉換模塊進行控制，控制的結果通過內嵌在按鈕中的LED指示燈來顯示；電源控制模塊的作用是為主機箱內的各部分提供所需要的工作電源。其中信號轉換模塊的工作電壓為3.3v，多串口模塊的工作電壓為5V。

上位機采用普通PC機，但其主板采用具有多個PCI擴展槽的專用主板。將16通道的PCI串口數據采集卡插入PC機主板的擴展槽內，然后將串口數據采集卡與儀器的主機箱通過專用電纜進行聯接，從而構成了多通道瓦斯參數監測儀的硬件平臺。

3 軟件設計

圖2 上位機數據處理軟件

上位機軟件采用面向對象的程序設計語言Visual Basic進行設計和開發。這也是Windows環境下通過串口進行數據采集較好的一種方式[3]。測量點上的智能瓦斯傳感器將獲得的瓦斯參數按照IEEE-754標準來上傳數據的，因此必須將串行通信控件所接收到的數據轉換成計算機內一般的浮點型數據來進行處理。為了提高工作效率，本文采用Delphi編寫了專用的動態鏈接庫來進行這種數據轉換。

通過上位機的設置可以接收兩種類型的數據：瓦斯濃度和瓦斯溫度。系統默認設置為每0.5秒采集各通道的瓦斯濃度參數一次，每5分鐘采集溫度參數一次。時間的間隔參數也可以通過軟件界面進行設置。瓦斯參數通過數據庫進行記錄和保存，這樣做的好處是可以長時間記錄并進行局部查詢，數據精度為0.001%。還可以根據需要將數據庫數據導出為Matlab等軟件可以接收的中間文件然后進行處理。

4 瓦斯參數監測儀的應用

多通道瓦斯參數監測儀的實物如圖3所示，在監測儀的面板上可以對需要的通道進行是否開始工作的控制。本文設計的監測儀目前實現了16通道的瓦斯參數監測，今后根據實驗裝置的實際需要，基于目前的架構，可以很方面地擴充到32通道。通過本儀器已經獲得了乏風瓦斯密度層分裝置主要工作點的瓦斯參數和工作時間之間的關系，并驗證了理論研究工作正確性。由于本監測儀在軟件和硬件上都采用開放式結構，因此能很方便地與控制系統進行聯接，通過基于PCI接口的IO控制板將可以對實驗裝置進行在線控制。

圖3 多通道瓦斯參數檢測儀實物圖

5 結束語

采用虛擬儀器架構的多通道瓦斯參數監測儀實現了瓦斯參數的多點實時在線監測，瓦斯參數的測量和采集點可以靈活方便地進行調整，需要采集的通道數也可以根據實際需要從面板上進行控制。基于面向對象的程序語言VB6并實現了測量數據的記錄和處理。在后續的研究工作中將進一步豐富軟件的信號處理能力，如多通道間的參數相關性分析。

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