一種電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀的設(shè)計(jì)

李柏均

摘要：本研究針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀存在的操作復(fù)雜、井下人工讀數(shù)誤差大和測(cè)定數(shù)據(jù)無(wú)法保存并，上傳的問(wèn)題的分析，研制了一種電子式測(cè)定儀，增加了電磁閥，優(yōu)化了手動(dòng)閥的設(shè)計(jì)，提高了測(cè)定精度和自動(dòng)化程度，操作簡(jiǎn)單，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，相比老儀器取得了較大的提高。

[關(guān)鍵詞]煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)機(jī)械式電子式壓差傳感器無(wú)線上傳

提前進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)并采取相應(yīng)的防突措施，是避免發(fā)生煤與瓦斯突出事故、造成重大人員傷亡的有效手段。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2值是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)，也是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中要求的礦井預(yù)測(cè)工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的常用指標(biāo)。

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的煤鉆屑瓦斯解吸測(cè)定儀為純機(jī)械人工操作設(shè)計(jì)，主機(jī)測(cè)定操作步驟為：

（1）先打開(kāi)兩通旋塞5，然后將已采煤樣的煤樣瓶迅速放入解吸室2中，擰緊解吸室上蓋，打開(kāi)三通旋塞4，使解吸室2與水柱計(jì)1和大氣均連通，煤樣處于暴露狀態(tài);

（2）當(dāng)煤樣暴露時(shí)間為3min時(shí)，迅速逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)三通旋塞4捏手，使解吸室與大氣隔絕，僅與水柱計(jì)連通，開(kāi)始進(jìn)行解吸測(cè)定，并重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，測(cè)定開(kāi)始后第2min末水柱計(jì)壓差讀數(shù)即為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2。

本文針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)研制了一種電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀，集成了電子式秒表、壓力傳感器和無(wú)線傳輸模塊，顯示屏直接顯示測(cè)定結(jié)果，測(cè)定數(shù)據(jù)可保存并通過(guò)無(wú)線上傳;增加了電磁閥，改進(jìn)了手動(dòng)閥的設(shè)計(jì)，大大減輕了儀器操作復(fù)雜程度。

1電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得測(cè)定操作步驟簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后只有簡(jiǎn)單的兩個(gè)動(dòng)作。第一步：拉開(kāi)二位四通閥，按下“開(kāi)始”按鈕;第二步：將已采煤樣的煤樣瓶在3分鐘內(nèi)放入解吸室中（有提示音），蓋上密封蓋旋轉(zhuǎn)擰緊密封即可。

具體改進(jìn)設(shè)計(jì)為：首先就是將兩個(gè)獨(dú)立的兩通、三通旋塞進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，使其使用簡(jiǎn)便，減少操作步驟，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)獨(dú)立的旋塞操作步湊的分析，設(shè)計(jì)了只需一個(gè)動(dòng)作就能達(dá)到要求的獨(dú)立閥門(mén)。再次將壓差傳感器、秒表融入到芯片內(nèi)，通過(guò)芯片控制通氣電磁閥開(kāi)閉，延時(shí)到指定時(shí)間時(shí)自動(dòng)記錄壓力。然后將獨(dú)立二位四通閥，水柱，通氣電磁閥，壓差傳感器、秒表等結(jié)構(gòu)和電路，整體嵌入便攜式外殼內(nèi);實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改進(jìn)。儀器主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

2電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀電路設(shè)計(jì)

測(cè)定儀電路框圖如圖2所示。

2.1微處理器模塊

微處理器模塊采用STM32F030系列嵌入式單片機(jī)，它采用ARMCortex內(nèi)核，運(yùn)算速度高達(dá)48MHz。STM32F030具有全套外設(shè)，包括高速12位ADC、先進(jìn)且靈活的定時(shí)器、日歷RTC和通信接口，采用STM32F030的應(yīng)用設(shè)計(jì)能夠隨時(shí)升級(jí)到STM32系列中的任何產(chǎn)品，并且工具和應(yīng)用軟件的可重用性極高。

2.2傳感器模塊

TruStability高精度硅陶瓷（HSC）系列是一種壓阻式硅壓力傳感器，具有模擬或數(shù)字輸出，包括多種適應(yīng)不同壓力量程和溫度范圍的型號(hào)。HSC系列采用板載ASIC電路對(duì)偏移、靈敏度、溫度和非線性進(jìn)行了充分的校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)選用的傳感器壓差測(cè)定量程為相對(duì)壓力+2.5KPa，總誤差為+1%FS，數(shù)據(jù)傳輸接口為I2C接口，內(nèi)部采樣為14位AD轉(zhuǎn)換，供電電壓為3.3VDC，低功耗設(shè)計(jì)。

2.3人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊便于用戶對(duì)測(cè)定儀的功能操作，主要包括4個(gè)按鍵和1個(gè)LCD顯示屏。按鍵主要用于功能選擇和操作。LCD顯示屏采用功耗低128*64分辨率的微型黑色點(diǎn)陣單色液晶屏，其采用4線SPI串行接口與STM32F030通信，所需外部器件較少。IC采用UC1701X，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性好。屏幕功耗低，不帶背光1mW，帶背光不大于150mW。工作溫度寬，達(dá)到-20°C～70°C。

2.4無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊采用HC08藍(lán)牙傳輸模塊，其負(fù)責(zé)將測(cè)定數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給井下防爆手機(jī)，再由防爆手機(jī)傳送到地面中心電腦。無(wú)線工作頻段為2.4GHzISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度-93dBm，空曠環(huán)境下和手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)80米超遠(yuǎn)距離通信。模塊可貼片焊接，方便嵌入應(yīng)用系統(tǒng)之內(nèi)。模塊采用TI的CC2540芯片，配置256KByte空間，支持AT指令，可根據(jù)需要更改角色（主、從模式）以及串口波特率、設(shè)備名稱(chēng)、配對(duì)密碼等參數(shù)，使用靈活。

2.5電磁閥及控制模塊

氣路密封選用的微型常開(kāi)直流電池閥。其控制電源電壓只需要6VDC，工作電流小于60mA，工作壓力上限為300mmHg，滿足儀器測(cè)定壓力密封需求。

2.6電源模塊

為了充分減小測(cè)定儀的體積和重量，測(cè)定儀設(shè)計(jì)為礦用本質(zhì)安全型。其電源采用單節(jié)3.7V/1.4Ah容量鋰電池，再經(jīng)過(guò)雙級(jí)限流、短路、過(guò)壓保護(hù)電路并澆封，經(jīng)電壓變換電路變換為3.3V和6V電壓，供后續(xù)功能模塊、傳感器和電磁閥使用。電源設(shè)計(jì)滿足安標(biāo)和井下防爆性能要求。

3電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀軟件設(shè)計(jì)

測(cè)定儀軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式C語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件主要包括計(jì)時(shí)提示、電磁閥控制、數(shù)據(jù)采集計(jì)算顯示、無(wú)線發(fā)送、儀器配置共五大功能模塊。計(jì)時(shí)提示模塊的主要功能是在測(cè)定前對(duì)煤樣暴露時(shí)間進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，在時(shí)間快到時(shí)提示用戶快速放入煤樣，并開(kāi)始測(cè)定。電磁閥控制模塊的主要功能是在測(cè)定開(kāi)始時(shí)控制關(guān)閉電磁閥，并在測(cè)定結(jié)束時(shí)控制打開(kāi)電磁閥。數(shù)據(jù)采集計(jì)算顯示模塊的主要功能是采集傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)算出測(cè)定指標(biāo)，然后顯示在屏幕上。無(wú)線發(fā)送模塊的主要功能是將測(cè)定結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線發(fā)送給已配對(duì)好的手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速上傳的目的。儀器配置模塊主要是實(shí)現(xiàn)儀器傳感器校準(zhǔn)、藍(lán)牙地址顯示、顯示背光控制等的輔助配置功能。

4應(yīng)用及結(jié)果

新研制的電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀在重慶松藻礦務(wù)局渝陽(yáng)煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用。試驗(yàn)方法為用新舊兩種儀器在井下8個(gè)地點(diǎn)對(duì)相應(yīng)8組煤樣同時(shí)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定后對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)井下對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電子式測(cè)定儀與機(jī)械式測(cè)定儀測(cè)出的△h2值有差別，最大誤差3Pa，差別不大。在測(cè)定過(guò)程中，用戶反饋電子式測(cè)定儀操作更加方便，測(cè)定數(shù)據(jù)讀數(shù)輕松，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上傳也快捷簡(jiǎn)單。

5討論

本研究對(duì)機(jī)械式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定儀進(jìn)行閥門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)和電子化改進(jìn)，簡(jiǎn)化了用戶測(cè)定操作，能自動(dòng)測(cè)定、記錄并無(wú)線上傳指標(biāo)值，避免了人工刻度讀取誤差，而且由于采用了高精度壓差傳感器，也使得指標(biāo)測(cè)定結(jié)果更為準(zhǔn)確。儀器在煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，相比老儀器取得了較大的提高。

參考文獻(xiàn)

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