彭繼慎，孫樂(lè)，宋紹樓，宋立業(yè)，徐維澤，柯宇

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的CH4、CO、CO2、SO2等有害氣體是礦井安全的極大隱患。其中CH4、CO含量多，幾乎不溶于水，屬于易燃易爆氣體[1]。CH4俗稱瓦斯，是在煤的形成過(guò)程中產(chǎn)生并大量?jī)?chǔ)存于煤層之中的氣體，達(dá)到一定濃度時(shí)便會(huì)引起爆炸，是煤礦井下危害性最大的氣體。這些危害性氣體的濃度及其他爆炸參數(shù)能否得到精確檢測(cè)，直接關(guān)系到井下人員的生命安全，因此，對(duì)檢測(cè)設(shè)備性能要求較高。

針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有便攜式測(cè)爆儀的缺陷，研制了一種新型便攜式爆炸氣體檢測(cè)儀。該裝置利用氣相色譜法提高CH4氣體濃度檢測(cè)精度，能根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)氣體濃度自動(dòng)修正，而且采用新的火區(qū)多組分氣體爆炸性區(qū)域劃分方法，徹底避免火區(qū)封閉及啟封情況下出現(xiàn)的爆炸危險(xiǎn)，能根據(jù)封閉區(qū)體積和當(dāng)前氣體濃度，直接給出漏風(fēng)條件下消除火區(qū)爆炸危險(xiǎn)的惰化參數(shù)，而且可以根據(jù)氣體濃度采樣值的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)下段時(shí)間的氣體濃度。它還具有完備的自檢功能，對(duì)故障能及時(shí)報(bào)警，具有低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理

利用空氣泵將待測(cè)氣體抽入傳感器所在腔體，待測(cè)氣體數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)后由TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換單元將該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，DSP根據(jù)溫度值對(duì)各傳感器所測(cè)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償、修正，DSP依據(jù)各傳感器濃度計(jì)算公式算出所測(cè)氣體濃度，判斷采樣氣體有無(wú)爆炸危險(xiǎn)，并在液晶顯示面板上顯示當(dāng)前氣體濃度與爆炸三角形的關(guān)系，若達(dá)到報(bào)警值則通過(guò)聲光報(bào)警單元報(bào)警。DSP也可將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-232接口電路送至PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 硬件電路

2.1 放大濾波電路

僅以甲烷檢測(cè)部分為例，甲烷紅外傳感器IR12BD包括氣體檢測(cè)信號(hào)及參考信號(hào)兩個(gè)正弦脈動(dòng)信號(hào)，輸出信號(hào)小，且?jiàn)A雜干擾信號(hào)，所以需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，以得到精確的檢測(cè)信號(hào)。甲烷紅外傳感器放大濾波電路如圖1所示[2]。

2.2 溫度傳感器接口

溫度會(huì)影響爆炸三角形的確定，且各傳感器測(cè)量結(jié)果都要根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，因此要求準(zhǔn)確測(cè)量礦井溫度。傳統(tǒng)溫度測(cè)量方法是采用熱電耦測(cè)量，此方法反映慢、測(cè)量誤差大、安裝調(diào)試復(fù)雜，且不便于遠(yuǎn)距離傳輸。

本設(shè)計(jì)采用DSP控制DS18B20完成溫度測(cè)量。DS18B20是單總線溫度傳感器,能通過(guò)通信接口直接輸出被測(cè)溫度值，輸出為9～12 bit的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，溫度分辨率達(dá)0.062 5℃，體積小、功能強(qiáng)、使用方法簡(jiǎn)單,適用于便攜式裝置。DS18B20測(cè)量范圍是-55℃～+125℃，數(shù)字溫度輸出可進(jìn)行9～12 bit的編程，有3個(gè)引腳，分別為+5 V電壓端、數(shù)據(jù)傳輸端和地端。本裝置將數(shù)據(jù)輸出端與DSP的GPIOB10引腳直接相連。

2.3 鐵電存儲(chǔ)電路

鐵電存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)每次氣體濃度測(cè)量結(jié)果、監(jiān)視電池電壓、產(chǎn)生硬件看門狗并提供系統(tǒng)時(shí)鐘。其擴(kuò)展電路如圖2所示。

2.4 鍵盤電路

利用鍵盤按鍵控制是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)整和各種參數(shù)設(shè)置最常用的方法。本裝置機(jī)殼上配有5個(gè)按鍵，分別為電源、菜單、整定、移位和調(diào)整數(shù)據(jù)鍵，可對(duì)測(cè)爆儀實(shí)時(shí)控制。其中電源鍵實(shí)現(xiàn)了裝置的一鍵開(kāi)/關(guān)機(jī)并具有短路保護(hù)功能。

2.5 系統(tǒng)電源

本系統(tǒng)著眼于便攜式測(cè)爆儀，故采用電池供電，用6塊+1.2 V礦用可充電鎳氫電池串聯(lián)組成+7.2 V電池組作為電源。裝置各部分分別需要±5 V、6 V、3.3 V、1.8 V的電壓為運(yùn)放、紅外甲烷傳感器、二氧化碳傳感器及DSP供電。圖3為以+5 V、+6 V電壓供電的電路圖。

通過(guò)公式VOUT=VREF(R1+R2)/R1計(jì)算輸出電壓，其中VREF為1.2 V，R1為MAX603的輸出端和可調(diào)端間加的電阻，R2為可調(diào)端和地間的電阻。通過(guò)合理配置R32、R31阻值即可得到+6 V電壓。另外，利用ICL7660S和AMS1117產(chǎn)生-5 V、3.3 V電壓。

2.6 聲光報(bào)警電路

若測(cè)爆裝置測(cè)出混合氣體有爆炸危險(xiǎn)，則蜂鳴器鳴叫，同時(shí)紅色指示燈閃爍報(bào)警。DSP的GPIOB09輸出端控制Alarm，當(dāng)有爆炸危險(xiǎn)時(shí)，輸出低電平，三極管Q5導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)AlarmLight控制的報(bào)警指示燈點(diǎn)亮。其電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)包括:初始化程序設(shè)計(jì)、儀表調(diào)試模塊、人機(jī)交互模塊軟件實(shí)現(xiàn)、傳感器采集模塊、爆炸三角形判斷、惰性參數(shù)計(jì)算、氣體濃度預(yù)測(cè)。圖5為流程圖。

3.2 爆炸趨勢(shì)預(yù)測(cè)算法

爆炸趨勢(shì)預(yù)測(cè)要求根據(jù)氣體濃度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)下一段時(shí)間的氣體濃度，判斷氣體爆炸的可能性，及時(shí)提醒井下人員做好預(yù)防措施[3]。下面介紹用正交多項(xiàng)式最小二乘法曲線擬合的方法實(shí)現(xiàn)爆炸趨勢(shì)預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)性判斷。

測(cè)爆裝置記錄測(cè)量的氧氣濃度Y、爆炸氣體濃度X和測(cè)量時(shí)間t。當(dāng)需要進(jìn)行爆炸預(yù)測(cè)時(shí)，經(jīng)過(guò)2次以上測(cè)量，分別將Y與t、X與t做曲線擬合，然后將式(1)分別代入所求出的2條擬合曲線，求出預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)Yn+1和Xn+1，在液晶顯示屏上顯示預(yù)測(cè)點(diǎn)。

其中，T1為第一次測(cè)量時(shí)間，Tn為第n次測(cè)量時(shí)間，n為測(cè)量次數(shù)。

4 爆炸危險(xiǎn)性判定

新的爆炸三角形分區(qū)圖(圖6)中，B為爆炸下限，C為爆炸上限，ECO2為摻入CO2時(shí)失爆臨界點(diǎn)，EN2為摻入N2時(shí)失爆臨界點(diǎn)，BE為爆炸下限界線，CE為爆炸上限界線，F(xiàn)E為失爆氧濃度線，ED為失爆瓦斯?jié)舛染€。

根據(jù)圖6，可按新的方法把混合氣體濃度范圍劃分成4個(gè)區(qū)，2區(qū)與4區(qū)的劃分與傳統(tǒng)的分區(qū)有所區(qū)別。不同區(qū)域可采用與其相應(yīng)的防爆措施[4]。

1區(qū):△BCE—可爆區(qū)(即爆炸三角形)，可注入惰性氣體或新鮮空氣，使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入2區(qū)或4區(qū)，失去爆炸性。

2區(qū):△BEF—甲烷濃度過(guò)低不爆區(qū)，但摻入甲烷可進(jìn)入爆炸區(qū)(如封閉火區(qū)時(shí))，可向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入4區(qū)后再封閉，以防止瓦斯爆炸。

3區(qū):甲烷濃度過(guò)高不爆區(qū)，但摻入空氣可進(jìn)入爆炸區(qū)(如火區(qū)啟封時(shí))，可先向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入4區(qū)后再啟封通風(fēng)，可防止瓦斯爆炸。

4區(qū):失爆區(qū)(氧氣和甲烷濃度都過(guò)低不爆區(qū))，摻入空氣可進(jìn)入2區(qū)不爆，摻入甲烷可進(jìn)入3區(qū)不爆。

這種劃分方法對(duì)火區(qū)的密閉與啟封有重要意義。如正?；饏^(qū)的氣體位于2區(qū)，封閉火區(qū)時(shí)，由于切斷供風(fēng)，火區(qū)內(nèi)可爆氣體濃度逐漸增加，氧濃度減小，當(dāng)甲烷濃度與氧濃度的坐標(biāo)點(diǎn)落入△BCE區(qū)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。因此，可先向火區(qū)注入惰性氣體，使火區(qū)氣體狀態(tài)點(diǎn)由2區(qū)移到4區(qū)失去爆炸性，然后再封閉，可進(jìn)入3區(qū)，并可根據(jù)火區(qū)的范圍計(jì)算出需要注入惰氣的體積。還應(yīng)判斷預(yù)測(cè)點(diǎn)是否在爆炸三角形內(nèi)。如在三角形內(nèi)，則進(jìn)行聲光報(bào)警，警示井下操作人員，提前做好防爆。

5 抗干擾措施

本裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采取了很多措施以提高硬件的抗干擾性能。例如:印刷電路板采用四層板結(jié)構(gòu)，分別為器件布線層、底層、電源層、布線層；有完整的地層，信號(hào)回路阻抗很小，差模干擾較低；元件電源管腳就近對(duì)地加去耦電容，該電容能提高數(shù)字信號(hào)突變時(shí)的電流，對(duì)模擬信號(hào)起濾波作用[5]；布線時(shí)在重要的高速信號(hào)線周圍鋪設(shè)地線，減少信號(hào)間的互相干擾。

6 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

本裝置功能包括:測(cè)量氣體濃度及環(huán)境溫度、判斷爆炸可能性、聲光報(bào)警、記錄10次測(cè)試結(jié)果且掉電不丟失、校正傳感器、設(shè)定時(shí)鐘和人機(jī)界面顯示。據(jù)此設(shè)計(jì)出如下試驗(yàn)[6]:

(1)測(cè)試時(shí)鐘功能試驗(yàn)。給傳感器設(shè)定當(dāng)前時(shí)間，在測(cè)爆儀關(guān)機(jī)的情況下，測(cè)試72 h時(shí)鐘誤差。測(cè)試結(jié)果表明，誤差小于1 s，說(shuō)明裝置中使用FM31256內(nèi)嵌時(shí)鐘滿足要求。

(2)人機(jī)界面顯示測(cè)試試驗(yàn)。找非設(shè)計(jì)人員操作此裝置，觀察人機(jī)界面顯示情況，多人操作后未見(jiàn)異常。

(3)傳感器校正試驗(yàn)。本安型便攜式測(cè)爆儀用于井下氣體濃度的檢測(cè)，使用前需校正。校正方法為:在氣體濃度為零(純氮?dú)?、環(huán)境溫度為25℃時(shí)，記錄各種氣體A/D采樣值。4種氣體中CH4輸出的信號(hào)為4 Hz的正弦脈動(dòng)信號(hào)，其他氣體輸出信號(hào)為直流信號(hào)。對(duì)于直流脈動(dòng)信號(hào)采用傅氏級(jí)數(shù)算法計(jì)算其峰—峰值，對(duì)其他直流信號(hào)采用去極值取平均數(shù)的濾波算法計(jì)算采樣值。將這些值作為定值存儲(chǔ)在定值器件中。當(dāng)氣體濃度達(dá)到測(cè)量范圍的滿刻度(CH4:20%，CO:0.05%，CO2:1%，O2:21%)且環(huán)境溫度為25℃時(shí)，記錄各種氣體A/D采樣值，并存儲(chǔ)到定值器件中。

測(cè)量范圍內(nèi)的其他氣體濃度時(shí)，可根據(jù)上述存儲(chǔ)值，在對(duì)A/D采樣值進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，計(jì)算相應(yīng)的氣體濃度。

在氣體濃度為0%及滿刻度時(shí)測(cè)試采樣值8次，結(jié)果如表1和表2。

試驗(yàn)結(jié)果中，雖然每次測(cè)試結(jié)果都有誤差，但誤差＜1%，可以滿足要求。誤差為電氣元件及地與電源平面有雜波所致。

(4)測(cè)量氣體濃度、環(huán)境溫度試驗(yàn)和判斷爆炸可能性及聲光報(bào)警試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)了常溫下，氣體濃度分別處于1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)時(shí)的試驗(yàn)條件。

表1 氣體濃度為0%時(shí)傳感器校正結(jié)果

表2 氣體濃度為滿刻度時(shí)傳感器校正結(jié)果

從結(jié)果可知，紅外線甲烷傳感器有穩(wěn)定的單向誤差，可通過(guò)軟件使之縮小，精度較理想，這與甲烷4 Hz的正弦輸出信號(hào)、軟件采用本身具有濾波功能的傅氏算法計(jì)算峰—峰值有關(guān)。氧氣、一氧化碳、二氧化碳傳感器輸出信號(hào)受溫度影響，有非線性和誤差，但總體測(cè)量精度較高，判斷區(qū)間準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。當(dāng)氣體濃度處于1區(qū)時(shí)，裝置發(fā)出聲光報(bào)警。

(5)測(cè)試記錄掉電不丟失試驗(yàn)。測(cè)爆儀開(kāi)機(jī)時(shí)，檢查測(cè)試記錄是否正確；關(guān)機(jī)后再開(kāi)機(jī)檢查記錄是否正確；關(guān)機(jī)并將電池拆除一段時(shí)間后，再供電開(kāi)機(jī)，檢查記錄是否正確；測(cè)試結(jié)果均正確。

本設(shè)計(jì)的本安型便攜式測(cè)爆儀的主板、傳感器、液晶顯示均能可靠工作，性能參數(shù)也達(dá)到設(shè)計(jì)要求，軟硬件都具備一定的抗干擾能力。

[1]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2006.

[2]張燕美，李維堅(jiān).本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1992.

[3]童敬明.新型瓦斯傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.

[4]周利華.礦井火區(qū)可燃性混合氣體爆炸三角形判斷法及其爆炸危險(xiǎn)性分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，11(2):47-51.

[5][美]Clayton R.Paul著.電磁兼容導(dǎo)論[M].聞?dòng)臣t譯.北京:人民郵電出版社，2007

[6]李昌.便攜式可燃?xì)怏w測(cè)爆儀的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)[J].吉林石油化工，1991(2).