新型全自動(dòng)瓦斯解吸儀的研制與應(yīng)用

周航　陳伯樂(lè)　杜嘉婧

摘要：新型全自動(dòng)瓦斯解吸儀包括電磁兩位三通閥門、真空泵、量筒、水槽、控制電路盒、觸摸顯示屏、傳感器、水準(zhǔn)儀。該儀器采用排水法計(jì)量結(jié)果更加精確，量筒可人工隨時(shí)檢測(cè)自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確性，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析能夠反映出瓦斯或頁(yè)巖氣吸附及解吸的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了煤層（或頁(yè)巖）氣體吸附及解吸數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和記錄。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)瓦斯解吸儀；傳感器；數(shù)據(jù)采集；氣體吸附；排水法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD712 文章編號(hào)：1009-2374（2017）04-0006-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.004

1 概述

傳統(tǒng)的解吸法是通過(guò)人工（約48～72小時(shí)）不間斷人工讀數(shù)并記錄，然后將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)處理。這種獲得煤層瓦斯的含量的方法不僅繁瑣，需要人員還多，而且可能造成時(shí)間和讀數(shù)誤差，故往往多次測(cè)量的結(jié)果差別較大，同時(shí)浪費(fèi)了試驗(yàn)員的大量時(shí)間和精力，因此，需要一種全自動(dòng)測(cè)定煤層氣及頁(yè)巖氣吸附和解吸氣體含量和速度的實(shí)驗(yàn)方法解決上述的問(wèn)題。我們提供一種基于由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄和控制、結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)單、方法簡(jiǎn)便、測(cè)量準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可視化、成圖直觀化、使用效果好的煤層氣及頁(yè)巖氣吸附與解吸氣體速度及速度全程自動(dòng)測(cè)定方法和裝置；提供一套既能高效、準(zhǔn)確進(jìn)行含氣量測(cè)試，又符合實(shí)驗(yàn)原理的全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，克服現(xiàn)有設(shè)備工作效率低、人為實(shí)驗(yàn)誤差大等缺點(diǎn)。

2 新型全自動(dòng)瓦斯解吸儀設(shè)計(jì)

2.1 本瓦斯解吸儀的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）儀器長(zhǎng)52cm，寬31.5cm，高60cm；（2）量筒的內(nèi)徑5cm，長(zhǎng)度30cm，容積588.7cm3，最小刻度2cm3；（3）氣樣瓶的體積為250cm3；（4）水槽的長(zhǎng)25cm，寬8cm，高10cm，容積2L；（5）真空泵的規(guī)格為5L/min，尺寸92*38*62mm；（6）傳感器選取激光傳感器，精度為1mm。

此裝置包括外殼體、顯示屏、導(dǎo)線孔、開(kāi)關(guān)位置等。殼體為長(zhǎng)方體520*315*600mm，上部有提手（方便外帶）和水準(zhǔn)儀，底盤內(nèi)部設(shè)固定水槽，水槽中通導(dǎo)水管，一管接進(jìn)水閥，一管接出水閥；底座設(shè)四個(gè)三角墊，適用于野外各種不平整地面。前表面右側(cè)附有200*140mm顯示屏，顯示屏下方有兩個(gè)指示燈和一個(gè)顯示屏開(kāi)關(guān)，指示燈用來(lái)顯示儀器工作狀態(tài)是否正常，下為一緊急制動(dòng)按鈕，防止儀器運(yùn)作出現(xiàn)故障無(wú)法停止。前表面左側(cè)附玻璃面板，可見(jiàn)內(nèi)部零筒狀況；箱體側(cè)面有USB接口（接電腦以便傳輸數(shù)據(jù)），充電接口（可充電式，方便外帶使用），緊急開(kāi)關(guān)（當(dāng)程序出現(xiàn)故障，可手動(dòng)操作）。箱體右側(cè)接集氣袋收集廢氣，左下側(cè)為解吸的瓦斯氣入口。

圖1 瓦斯解吸儀外部結(jié)構(gòu)

2.2 技術(shù)關(guān)鍵

編程軟件、三通閥門和傳感器的使用，單片機(jī)的使用將本是人為控制的測(cè)定過(guò)程進(jìn)行程序編譯，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制結(jié)構(gòu)中的各種組成，并得出擬合成功的各時(shí)刻的速度曲線。本裝置由包括吸附及解吸模擬子系統(tǒng)、氣路子系統(tǒng)、解吸氣體速度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集板、數(shù)據(jù)采集及分析子系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng)或部件有機(jī)組成。

2.3 本瓦斯解吸儀的特點(diǎn)

（1）傳統(tǒng)的解吸法是通過(guò)（約48～72小時(shí)）不間斷人工讀數(shù)并記錄，然后將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)處理。這種獲得煤層瓦斯的含量的方法不僅繁瑣、需要人員還多，浪費(fèi)了試驗(yàn)員的大量時(shí)間和精力。本儀器中真空泵通過(guò)電磁兩位三通閥門與量筒相連，通過(guò)抽排氣體從而使量筒液面高度發(fā)生變化，激光傳感器和溫度傳感器連接在一起可以自動(dòng)檢測(cè)水面高度，通過(guò)控制電路盒與觸摸顯示屏相連，在觸摸顯示屏上自動(dòng)記錄和控制、數(shù)據(jù)可視化、成圖直觀化；（2）對(duì)外觀進(jìn)行了美化改觀，可適用于任何不平地面（腳墊、水準(zhǔn)儀），并對(duì)內(nèi)部構(gòu)件和連接系統(tǒng)改善（下部進(jìn)氣，內(nèi)漂浮板），使程序設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，精度更高；（3）儀器中的水槽為抽拉式水槽，左右伸縮換水。儀器的基座頂部為圓形水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)管，檢測(cè)量筒液面是否平穩(wěn)；（4）解決了市面上使用壓力法、容積法、重力法操作復(fù)雜且設(shè)備精度要求高、裝置昂貴的問(wèn)題；（5）利用溫度及壓力傳感器，可監(jiān)測(cè)解吸狀態(tài)，并實(shí)時(shí)傳入數(shù)據(jù)溫度壓力數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)更可靠。警示燈與觸摸顯示屏相連，顯示儀器是否正常；（6）采用排水法計(jì)量結(jié)果更加精確，集氣量筒可人工隨時(shí)檢測(cè)自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確性，也可集中處理解吸氣體，達(dá)到保護(hù)環(huán)境和防止可燃?xì)怏w造成的安全隱患。

3 新型全自動(dòng)瓦斯解吸儀實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)基礎(chǔ)的功能性實(shí)驗(yàn)，對(duì)于儀器的密封性、抽排水的能力、傳感器的靈敏度以及程序?qū)晌蝗ㄩy門的控制都進(jìn)行了檢測(cè)。此外，為了驗(yàn)證本新型全自動(dòng)瓦斯解吸儀的實(shí)驗(yàn)效果，在晉城、焦作和洛陽(yáng)的煤礦里選擇煤樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖2所示：

圖2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本文所研制的全自動(dòng)瓦斯解吸儀實(shí)驗(yàn)精度高，實(shí)現(xiàn)了煤層（或頁(yè)巖）氣體吸附及解吸數(shù)據(jù)的全自動(dòng)采集和記錄，提高了測(cè)定的準(zhǔn)確性，并通過(guò)計(jì)算機(jī)分析能夠快速準(zhǔn)確地反映出瓦斯或頁(yè)巖氣吸附及解吸的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程；（2）采用排水法計(jì)量結(jié)果更加精確，集氣量筒可人工隨時(shí)檢測(cè)自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確性，也可集中處理解吸氣體，達(dá)到保護(hù)環(huán)境和防止可燃?xì)怏w造成的安全隱患。利用溫度及壓力傳感器，可監(jiān)測(cè)解吸狀態(tài)，并實(shí)時(shí)傳入數(shù)據(jù)溫度壓力數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)更可靠。解決了市面上使用壓力法、容積法、重力法操作復(fù)雜，且設(shè)備精度要求高，裝置昂貴的問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：周航（1995-），男，河南泌陽(yáng)人，河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院地質(zhì)工程（卓越）專業(yè)本科在讀學(xué)生。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）