一種便攜式瓦斯抽采管道多參數測定儀研制

丁 遠

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

在煤礦災害中，礦井瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出最為嚴重，因此，礦井瓦斯災害治理在煤礦安全生產中尤為重要[1-4]。《防治煤與瓦斯突出細則》第四十七條規定了預抽煤層瓦斯時應當記錄每個鉆孔的接抽時間，定期測定鉆孔的瓦斯濃度、抽采負壓；分單元安裝抽采自動計量裝置，按措施效果檢驗單元分別監測或者檢測管道瓦斯的濃度、抽采負壓、抽采流量、溫度、一氧化碳體積分數等，自動計量或者統計計算單元的瓦斯抽采量，抽采自動計量數據或者統計計算數據作為預抽效果檢驗的基礎數據。但是在現場測定時，抽采鉆孔瓦斯濃度、抽采負壓存在“測不快、測不準、儀器重”的困擾[5-6]。針對此問題，中煤科工集團沈陽研究院有限公司研制了一款便攜式瓦斯抽采管道（鉆孔）多參數測定儀（簡稱測定儀）。該儀器操作簡單、使用方便，是煤礦現場管道多參數測量、驗證、校對的有效工具。

測定儀是一種以ARM-crotex m3 微處理器為處理器，內置4.3 V 、3 A 鋰電池，搭配多種氣體采集探頭，支持藍牙通信的智能化、數字化礦用便攜式儀表[7]。主要用于煤礦管道、單鉆孔等瓦斯流量、甲烷體積分數、一氧化碳體積分數、溫度、壓力等參數的測量。該儀器能夠同時測量顯示管道氣體流量、甲烷體積分數、壓力、溫度、一氧化碳體積分數等參數，其中流量與甲烷體積分數測量方式是本機特點。

測定儀整機結構如圖1。

圖1 儀器結構圖Fig.1 Instrument structure diagram

1 測定儀整體方案與指標特性

測定儀通過孔板、皮托管、導流管等不同方式測量單孔流量、主管道流量，采用可調諧激光光源的激光甲烷探頭進行管道瓦斯體積分數的測量，相較于泵吸式紅外原理測量甲烷，激光甲烷具有單色性好，不受其他氣體成分和水汽的干擾等優點。

測定儀性能指標如下：甲烷測量范圍為0～100.00%；當量程在0～10%時，基本誤差為±0.5%；當量程在10%～40%時，基本誤差為±1.0%；當量程在40%～100%時，誤差為±3.0%。一氧化碳量程（0～2 000）×10-6，量程在（0～100）×10-6時誤差為±4×10-6，量程在（100～2 000）×10-6時，誤差為測量值±6%。壓強范圍為-90～30 kPa，誤差為全量程1%；壓差范圍為-250～250 Pa，誤差±1.5%FS。溫度范圍為0～50 ℃，基本誤差±2%FS。

另外，測定儀具有實時時間顯示、電池電量顯示、測量參數存儲與查詢的功能，而且還具有故障自診斷及自動關機功能。可通過藍牙，將數據導出到上位機、移動端設備，配合出廠提供的應用端軟件，可以實現測量數據回訪、實時顯示曲線、生成報表、打印等功能。

2 測定儀的硬件

2.1 硬件結構

測定儀硬件結構如圖2。

圖2 測定儀硬件結構圖Fig.2 Hardware structure diagram

測定儀整機硬件由低功耗STM32F103RCT6 MCU 核心處理單元、防水薄膜按鍵、JTAG 調試口、航空插頭充電口、藍牙、本質安全型鋰離子電池、激光甲烷探頭、電化學式CO 探頭、高精度氣體壓差傳感器（流量通過壓差進行計算）、PT100、蜂鳴器、指示燈、鐵電存儲器、TFT 液晶與顯示屏等部分組成。

儀表的氣體多參數是關鍵。其中，測定儀甲烷檢測部分是基于光譜吸收原理（TDLAS），通過單片機控制電路對激光器進行電流調制，使激光器發出特定波長的激光穿過氣室后到達激光探測器，若氣室中存在被檢測的特征氣體，激光將與被該氣體吸收，特征氣體濃度越高，吸收量越大，激光探測器將監測到激光強度的變化并反饋至單片機控制電路進行處理，最終由信號輸出電路將濃度結果顯示出來。測定儀一氧化碳檢測部分采用高性能電化學式檢測元件，以定電位電解為基本原理，當一氧化碳擴散到檢測元件時，其輸出端產生電流輸出，提供給測定儀中的采樣電路，起著將化學能轉化為電能的作用。當氣體濃度發生變化時，檢測元件的輸出電流也隨之成正比變化，經測定儀的中間電路轉換放大輸出，經A/D轉換器轉換成數字信號，送單片機進行數字處理并顯示輸出至液晶顯示屏。測定儀溫度、壓強、壓強差采用內置傳感器，通過單片機反饋處理，顯示測量結果。由于測定儀的采集部分使用的是串口與ADC 模塊，只需要與單片機的串口直連可以通信或者典型ADC 電路，對數值的處理關鍵在于軟件，所以不針對這部分進行硬件說明；將著重進行電源、數據存儲等2 個關鍵部分的電路設計，因為電源關系到測定儀是否可以穩定運行，存儲部分關系到后續分析數據時是否有數據可用，這2 部分是相對關鍵的。

2.2 電源設計

供電系統的設計在嵌入式產品的設計中至關重要，不但需要考慮電源本身的基本電氣參數，還要考慮電源的穩定性設計，如電磁兼容、溫度范圍、安全設計、三防設計等因素，任何一個疏忽的因素都可能導致整個系統無法正常工作。測定儀額定工作電流400 mA，采用1 節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,可連續工作8 h，滿足工業現場實際測試需求。電壓轉換電路如圖3。

圖3 電壓轉換電路Fig.3 Voltage conversion circuit

考慮到測定儀除氣體壓差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 個固定頻率、PWM 控制器，使用同步整流以獲得最大效率，在低負載電流下，該芯片進入省電模式，以便在寬廣的負載電流范圍內保持高效率。實現穩定的3 V 輸出。

另外，為確保整個產品的主控芯片可以穩定、可靠的工作，電源系統設計必須遵循一定的上電時序以及相應的穩態規定，在設計中ARM 核心板優先上電，然后才是底板外設I/O 設備上電，如果無法滿足上電時序可能會導致下面的情況：①底板外設I/O 設備倒灌到處理器，處理器無法正常啟動；②最壞的情況,底板外設I/O 設備倒灌到處理器，對處理器造成不可逆的損壞。

2.3 存儲設計

ARM 處理器通常搭配Nand-Flash/eMMC、鐵電等存儲器[8]，器件數據手冊中通常描述Nand-Flash 的塊擦寫壽命達10 萬次，EMMC 的塊擦寫最高也會有1 萬次。在硬件設計時要注意以下3 點：①避免在Flash 擦除或寫入過程中突然掉電；②設計好處理控制核心的電源系統，防止CPU 等在啟動、運行中，電源系統因瞬時變化引起的紋波等情況；③搭配掉電檢測電路，在檢測到外部電源掉電的同時，及時迅速關閉文件系統，停止向文件系統內寫數據的操作。

測定儀需要對測量的數據計算結果進行存儲，保障掉電不丟失。測定儀存儲芯片選用FM25CL64B鐵電存儲器。FM25CL64B 是采用高級鐵電工藝的64 Kb 非易失性存儲器, 與其他非易失性存儲器相比，該產品具有顯著的寫入耐久性，能夠支持1 014個讀/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的應用環境。

3 關鍵軟件

測定儀關鍵軟件在于數據的采集、保證與氣體流量的計算。測定儀的甲烷、CO 是串口與單片機通信的，所以要保證串口采集[9]數據的不丟幀是關鍵。串口幀是以字節為單位，整幀的發送與接收全部安全字節逐個進行。數據處理時，單片機串口并沒有硬件FIFO 以及CA 總線仲裁機制，所以為了實現串口數據的實有序接收，要用軟件模擬FIFO。當FIFO 收到超過預測幀后，新幀會覆蓋最后的幀，這種緩沖方式下，如果采用來1幀處理1 幀的方式，對于甲烷或者CO 來說，肯定會發生丟幀。為了減少因使用malloc,free 函數帶來的內存碎片、泄漏，保證測定儀軟件的串口接收與串口處理不丟幀，采用經典串口空閑中斷接口搭配FIFO 緩存隊列算法來做串口數據接收，采用讀者-寫者算法來處理數據的采集、處理。緩存隊列如圖4[10]。

圖4 緩存隊列圖Fig.4 Cache queue graph

首先定義1 個長度為16×16 的二維數組，建立讀、寫2 個任務，定義讀（rd）、寫（rw）指針,初始化設置讀者數和寫者數均為0。讀指針指向單片機待處理的數據地址，寫指針指向緩存隊列接收最新幀后保存的數組地址，讀寫過程要保證“寫者優先”，如果有寫者在等待，則讀者等待，直到所有寫者完成。讀指針隨著數據處理而遞增，寫指針隨著數據接收而遞增。

在串口數據幀的存儲與處理中，讀寫指針要隨時移動，并要實時保證讀寫不溢出與定期清空隊列，讀指針地址、數量不應大于寫指針。如果寫者進程想要進入臨界區，則先等待讀者數為0，然后進入臨界區進行寫操作所以每次讀寫要判斷時候溢出及時清空隊列，寫指針只需要每次寫時，同數組長度進行比較判斷溢出。讀相對復雜，如果讀者進程想要進入臨界區，則等待所有寫者完成，然后增加讀者數并進入臨界區進行讀操作，需要結合幀格式以及相應邏輯、隊列長度綜合判斷溢出。

數據的存儲處理在文件系統向寫數據的底層存儲器塊寫數據時，常規會先將塊里的數據讀出來，擦除塊干凈后，將需要寫入的數據和之前讀出來的塊數據一起在回寫到存儲器里面去，如果設備在擦除塊過程中或者在回寫數據過程中意外發生斷電甚至電壓不穩定，或者文件系統寫平衡沒有處理好，特別是要求1 min 以內要記錄1 次數據這樣頻繁的擦寫塊操作，就有可能將Nand-Flash 或EMMC 的塊寫壞。通過大量應用，總結以下4 個步驟可以有效處理存儲問題。

1）調試系統或現場使用時，建議使用軟件復位，避免人為頻繁的通過斷電實現復位操作；有斷電必要時，將打印信息添加如“系統加載完成”、“數據保存完畢”等指示說明后操作。

2）軟件采取Flash 均衡保存算法，高效地調整更改數據時擦除的Flash 區域大小。

3）可將數據先寫入內存或者鐵電存儲器，然后定期的再將數據搬移到大的存儲器里面，減少直接斷Nand-Flash、EMMC 擦寫次數。

4）在程序中加入或者提高電源電量檢測的閾值，程序上保證所有電源系統下的芯片在此閾值上均可以正常工作。

氣體流量是通過壓差傳感器的值進行換算獲得。氣體流量與壓力之間存在Q=pV/RT，式中：Q為流量；p為壓力；V為體積；R為氣體常數；T為溫度。其中體積可以根據現場測量時使用的皮托管等標準工具計算而得，氣體常數可查表，測定儀可以通過內部PT100 獲取溫度值。所以壓力、溫度是決定氣體流量準確性的變量，這2 個值的穩定、正確是關鍵，尤其是軟件對溫度、壓差數值的處理，如果溫度、壓差數值來回跳變，流量會跟著變，導致數據不穩。測定儀數據處理部分使用中值濾波+模擬卡爾曼濾波算法對這2 個變量進行處理，中值濾波保證數據的正確，模擬卡爾曼算法保證數據的穩定。之所以采用模擬卡爾曼濾波算法是考慮到芯片的計算能力、內存，以及實用性，測定儀直接調用相關函數庫則可進行計算。

4 現場試驗

測定儀目前已在山西小回溝煤礦、段王煤礦進行了工業試驗，主要考察了測定儀對井上瓦斯泵站主管路、井下鉆場單鉆孔的測量性能、精度，以及現場作業人員使用感，試驗以4 個定向鉆孔為試驗點，分別記錄瓦斯體積分數、標態瓦斯流量、混合氣態瓦斯流量等參數。鉆孔參數數據見表1。

表1 鉆孔參數數據Table 1 Drilling parameters data

結果表明：該便攜式瓦斯抽放管道多參數測定儀體積比煤礦在用儀表體積小近1/2，質量輕，便于攜帶。測定儀采用氣體壁式內循環采樣新技術，將儀器與鉆孔（管道）并聯，克服外界大氣壓力的影響，管道氣體瞬時取樣，完成管道參數快速測量；同時自帶氣水分離裝置有效克服了瓦斯抽放管道氣體中含有的水、煤灰和其他雜質等造成的皮托管、微差壓傳感器等部件堵塞；激光甲烷探頭有效解決了煤礦在用同類儀表使用的紅外甲烷探頭存在的受氣體中水影響導致數據超差、測量精度下降、經常更換探頭等問題。

綜上，便攜式瓦斯抽放管道多參數測定儀有效解決了抽采鉆孔濃度、負壓存在“測不快、測不準、儀器重”等問題。

5 結 語

探討了管道瓦斯抽采測定儀對煤礦安全生產的意義，分析了同類產品在煤礦使用中存在的問題，針對《防治煤與瓦斯突出細則》第四十七條對預抽煤層鉆孔測定的規定，分別從工藝技術、優化算法和內部結構3 大方面著手研發了一款便攜式瓦斯抽放管道多參數測定儀。經過現場試驗表明：測定儀體積小、便攜帶、數據無超差，保證了現場工作人員掌握預抽鉆孔參數準確性，對煤與瓦斯突出防治方面給予了有效幫助。