礦用瓦斯智能檢測技術研究

梁曉哲，王立濤，楊延波

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

近些年經濟發展迅速，各行業對煤炭的用量增加，而國內煤炭開采一直是一個需要重視的問題，近些年煤炭開采事故發生較多，其中發生的原因有多種，其中瓦斯爆炸是一個很重大的問題，因瓦斯爆炸造成的傷亡大，一般都是較大以上事故，造成的影響往往不可估量，針對這一現象，如何在保證正常作業條件下保證采礦人員的人身安全是一個急需解決的問題，制作一個性能穩定的瓦斯檢測系統很重要[1]。

根據資料及實際環境得出，礦井瓦斯的主要成分為甲烷，瓦斯的爆炸極限為5%～16%[2]，在爆炸三要素齊全的條件下會發生瓦斯爆炸，礦井瓦斯檢測技術最早起源于英國，即為瓦斯檢測燈，后來日本又發明了瓦斯鑒定器，再后來美國在研制成功甲烷檢測探頭—鉑絲催化元件，近些年美國、法國、英國等都有了相應的系統，在實際礦井檢測中廣泛應用。而國內礦井檢測技術也在不斷升級中，發展水平持續提高，在我國煤礦開采初期主要以風表等便攜儀器為主，在1960—1969年我國開始在瓦斯檢測探頭方面投入研制，伴隨著經濟和電子技術的發展，特別是近些年集成電路系統的發展，我國瓦斯檢測有了突破性的發展，在1973年左右，瓦斯斷電系統研制成功并投入使用，可實現瓦斯自動連續檢測并定點斷電等功能，之后陸續研制成功了大數據儲存、實時監測系統，對礦井安全等進行數據處理，在目前大數據時代下，瓦斯監控系統在不斷升級改進中。為保證工作人員的安全，需要對現場設備或者瓦斯濃度進行處理，將瓦斯濃度控制在可控范圍內。

在國內通過查閱數據可得，2010—2020年，陜西省政府對煤礦監控系統尤為重視，對礦井安全作業提出信息實時監控平臺，目前已經運行58 960套，目前我國重要煤礦系統全部安裝先進瓦斯檢測系統，隨著近些年物聯網的發展，大大降低瓦斯事故的發生[3]。因此，為了進一步將煤礦瓦斯事故遏制于起始階段，除了管理提升外，設備也需要完善，瓦斯檢測系統必不可少，針對這種現象，筆者設計了基于STC的瓦斯檢測儀器。

1 檢測原理

1.1 瓦斯濃度檢測方法

檢測時模擬瓦斯環境，瓦斯中成分多數是甲烷，通過普通橋路和恒溫橋路在甲烷環境下的溫度特性(圖1)，設計瓦斯檢測探頭。

圖1 橋路元件特性對比Fig.1 Comparison of characteristics with bridge elements

如圖1所示，設計閉合回路，測試普通橋路與恒溫橋路在隨著甲烷濃度增加情況下T元件溫度特性的影響，通過對元件的閉合回路脈沖信號，繪制圖1，通過對恒溫和普通橋路元件的溫度特性對比得出，普通橋路隨著瓦斯濃度的增加T元件溫度變化較明顯，這樣由于要做探頭，經常性的明顯變化會導致元件的性能下降，長時間會導致元件失效，而且為保證測量的準確性需要做好溫度補償，這樣就會存在誤差，雖然價格便宜但是使用壽命較短。恒溫橋路隨著瓦斯濃度的增加溫度變化不大，這樣測量時避免了溫度的影響而且壽命延長很多，可保證儀器的長時間正常使用，準確性也會提高[4]。

1.2 檢測原理

設計閉合回路，同時具有反饋信號功能，工作電流逐步降低，選定特定溫度，根據瓦斯濃度和電流之間的特性聯系，完成檢測。

靜態熱平衡方程—載體元件：

(1)

元件選用恒溫元件，處于恒溫狀態下，隨著瓦斯濃度增加電流減小，選定恒定條件，阻值和溫度一定，得出：

(2)

元件溫度恒定條件下，在瓦斯濃度為0時，得出：

(3)

在瓦斯濃度不為0時：

(4)

其中，I0為氣體中無瓦斯情況下的工作電流；I為氣體中有瓦斯情況下的工作電流：

(5)

由式(5)得出，瓦斯濃度和電流大小為非線性關系，為達到測量的準確性需要對檢測電源控制，不可使用直流源，為此選用脈沖直流源，根據反饋脈沖進行調節，通過脈沖的變化情況計算平均電流。得出瓦斯的體積計算公式：

(6)

進一步計算得出，脈沖電流為：

(7)

式(1)—式(7)中，I為載體催化元件的工作電流；r為載體催化元件的電阻；μ為瓦斯氧化反應燃燒熱系數；φCH4為空氣中瓦斯體積分數；t1為載體催化元件溫度；t0為環境溫度；α為熱傳導系數；B為元件面積；A為輻射系數；σ為角系數。

2 瓦斯濃度檢測探頭設計

2.1 探頭固定設置

探頭固定設置如圖2所示。

圖2 探頭固定設置Fig.2 Probe fixation settin

考慮使用環境復雜，為防止一些雜物進入探頭中，設置過濾網，探管與探頭固定牢固[5]。

2.2 傳感器元件靈敏度測試

動態信號測試儀如圖3所示。

圖3 動態信號測試儀Fig.3 Signal tester of dynamic

2.3 信號采集放大電路

瓦斯信號采集部分如圖4所示。

圖4 瓦斯信號采集部分Fig.4 Gas signal acquisition of section

根據元件特性，對信號采集部分進行放大，放大后進行信號輸出，通過放大器的正反饋實現比較器的功能，檢測信號與調壓器(Rp)調整后的電壓值進行比較，如果大于調整后的電壓，則輸出0 V，且LED燈“點亮”，如果小于，則輸出VCC，且LED燈“熄滅”，因為工作環境中會涉及到溫度濕度等都會對靈敏度有影響，設計一級放大電路，然后進行輸出，探頭校準用1 000×10-6丁烷或者1 000×10-6氫氣校準[6]。

2.4 A/D轉換電路的設計

2.4.1 A/D轉換電路原理圖

圖5 AD轉換電路Fig.5 AD conversion circuit

為了提高轉換的精度，對ADC0804的參考電壓進行外部接入，不采用系統的2.5 V參考電壓，通過LM317調節參考電壓為3 V，來對輸入模擬信號模數轉換，LM317為可調節的三端穩壓芯片，其調節范圍寬可以實現在1.5 A電流輸出條件下達到37 V的輸出電壓，同時可以實現1.25～37 V的連續調節[7-8]。穩壓性能好，其輸入線性穩壓，系統調節相應帶寬高，因此噪聲低、紋波抑制比高。

輸出參考電壓：

(8)

R2為可以調節阻值的電阻，當輸出電壓也就是參考電壓為3 V時調節R2為1.4 kΩ就可以實現3 V的輸出，然后經過C02以及C03電容的濾波處理來提供給ADC0804作為參考電壓。

3 系統設計

3.1 硬件電路整體布局

系統結構如圖6所示。系統原理如圖7所示。基于STC的瓦斯濃度檢測裝置原理，下位機部分為瓦斯濃度探頭檢測到瓦斯信號，內部阻抗會有相應的變化，根據微弱的阻抗變化信號，通過AD620信號放大器進行信號放大，同時通過內部電容搭建的濾波電路對信號進行有源濾波。經過有源濾波后的信號分為2部分：一部分通過電壓比較器進行反饋比較后將信號輸送給單片機STC12C5A60S2[9]，另一部分通過ADC080模擬信號采集轉換后將信號輸送給單片機STC12C5A60S2，顯示電路選用的是低功耗液晶顯示LCD1602，實時顯示信號指示狀態，主控部分MCU為單片機STC12C5A60S2，根據設定濃度閾值，控制風扇啟停，下位機SCT12C5A60S2將處理后的信號通過無線傳輸模塊傳輸給上位機，上位機軟件通過串口通信把命令傳送給下位機。

圖6 系統結構Fig.6 System structure

圖7 系統原理Fig.7 Schematic diagram of system

從圖7看出，原理框圖主要包括電路電源部分、顯示部分、無線傳輸部分、主控部分、瓦斯信號采集部分、AD模數采集部分[10]。

3.2 系統軟件設計

系統設定預警值，通過對瓦斯濃度進行實施檢測，判斷是否達到或者超過預警范圍，如果達到裝置報警范圍則發送報警信息給監控平臺，同時處理信息發送至各科室終端或者手機端，科室終端或者手機端根據信息將控制風扇等運行，對濃度進行調控。如果未達到裝置報警范圍則發送報警信息給監控平臺，同時處理信息發送至各科室終端或者手機端，對濃度進行調控[11]。

程序流程如圖8所示。程序流程主要分為程序運行、初始化、瓦斯濃度信號檢測、AD數據測量及轉換、數據處理、濃度控制等，程序通過模塊化將各子函數進行模塊化包裝，然后通過預留口進行調用，可移植性高。

圖8 程序流程Fig.8 Flow chart of program

4 結論

本文根據目前的礦難發生情況，對礦井瓦斯進行實時監測系統的方法及原理進行分析，同時設計瓦斯濃度檢測探頭，并對傳感器的靈敏度進行測驗，同時對采集的信號進行放大，并設計放大電路，對各個模塊進行設計后，對整個系統進行設計，同時考慮上位機監控、下位機報警功能。下位機部分設計多節點和瓦斯排風設備，對礦井瓦斯濃度的檢測通過無線傳輸給上位機接收部分，一旦發生瓦斯濃度超標情況，啟動報警系統，提醒人員撤離，同時啟動通排風系統，將瓦斯濃度控制在許可范圍。