孟 濤，周自強，陳啟東

（常熟理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，常熟 215500）

0 引言

煤礦在采煤作業(yè)過程中，為了保證安全，需要通過向井下通風(fēng)的方式將礦井內(nèi)的瓦斯氣體排出，這些瓦斯氣體集中通過井口排入大氣。這些瓦斯氣體雖然濃度不高，但是數(shù)量很大，一般稱為乏風(fēng)瓦斯。另外，這些瓦斯氣體排入大氣層后具有很高的溫室效應(yīng)，瓦斯氣體所造成的溫室效應(yīng)是二氧化碳的二十倍，因而會對環(huán)境造成嚴重危害。如果能將這些瓦斯氣體收集起來進行利用，一方面可以減少對大氣環(huán)境的破壞，另一方面也可以充分利用自然資源。其收集的方式是通過密度層分和吸附分離的方式來實現(xiàn)的。在這一過程中，需要對分離裝置的多個關(guān)鍵位置的乏風(fēng)瓦斯進行在線監(jiān)測，并進而控制分離設(shè)備的動作。為了便于后續(xù)工作的進行，本文采用基于虛擬儀器的工作原理來構(gòu)建多通道（目前實現(xiàn)了16通道）的瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀[1,2]。

1 瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀的系統(tǒng)組成

多通道瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先在計算機的主機箱內(nèi)插入多串口數(shù)據(jù)采集卡，并通過專用的通訊電纜與儀器機箱后面上的專用插孔連接。為了便于在礦井附近的工作現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，將儀器設(shè)計成便攜式機箱和PC機數(shù)據(jù)處理的 結(jié)構(gòu)。儀器的后面板通過航空接頭與瓦斯傳感器的工作電纜進行連接。電纜內(nèi)的電源線和信號線集成在一起，這樣大大方便了測點的安裝和調(diào)整。整個主機箱內(nèi)部由外部的220V交流電源進行供電，通過電源線將交流電引入主機箱內(nèi)的開關(guān)電源，通過開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，然后再分流到各個通道的電源模塊上，通過該電源模塊將低壓直流電轉(zhuǎn)換為3.3V的直流電作為瓦斯傳感器的工作電源。另外瓦斯傳感器所采集的瓦斯?jié)舛刃盘柡铜h(huán)境溫度信號通過信號電纜上傳到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊模塊，通過該模塊將瓦斯?jié)舛刃盘柡铜h(huán)境溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡2能夠接受的標(biāo)準(zhǔn)的Rs232串行通訊信號并最終進入計算機。最后由計算機內(nèi)的數(shù)字信號處理軟件對瓦斯信號進行記錄和處理。該軟件能夠?qū)Σ煌耐ǖ婪謩e進行處理，并對所采集的瓦斯信號進行波形記錄、數(shù)字濾波、信號特征提取等處理工作。

圖1 瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀總體結(jié)構(gòu)

2 硬件組成

多通道瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀的下位機采用Premiere公司的智能紅外瓦斯傳感器構(gòu)成采集模塊。其主要功能是：1）對數(shù)據(jù)模塊中的max3232芯片以及傳感器提供3.3V直流電壓；2）將上位機的指令通過max3232的電平匹配發(fā)送到傳感器，并將傳感器接收的數(shù)據(jù)返回給上位機。采集原理是根據(jù)紅外散射來檢測瓦斯氣體的濃度，可根據(jù)接收到的命令字來執(zhí)行相應(yīng)的檢測命令，且上傳的數(shù)據(jù)符合IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)。具體來說是將上位機的命令指令通過串口的2口傳到max3232的13腳RIIN，通過電平匹配由12腳RIOUT發(fā)送到傳感器的1腳Tx，傳感器接收指令后開始讀取瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過2腳Rx發(fā)送至max3232的11腳TIIN，由14腳TIOUT輸出，發(fā)送至串口的4腳，由串口將數(shù)據(jù)返回給上位機。

多通道瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀的主機箱內(nèi)主要包括信號轉(zhuǎn)換模塊、通道控制模塊和電源控制模塊。其中信號轉(zhuǎn)換模塊的作用是把接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合Rs232要求的工作電平；通道控制模塊的作用是根據(jù)面板上的按鈕對各通道對應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換模塊進行控制，控制的結(jié)果通過內(nèi)嵌在按鈕中的LED指示燈來顯示；電源控制模塊的作用是為主機箱內(nèi)的各部分提供所需要的工作電源。其中信號轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓為3.3v，多串口模塊的工作電壓為5V。

上位機采用普通PC機，但其主板采用具有多個PCI擴展槽的專用主板。將16通道的PCI串口數(shù)據(jù)采集卡插入PC機主板的擴展槽內(nèi)，然后將串口數(shù)據(jù)采集卡與儀器的主機箱通過專用電纜進行聯(lián)接，從而構(gòu)成了多通道瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀的硬件平臺。

3 軟件設(shè)計

圖2 上位機數(shù)據(jù)處理軟件

上位機軟件采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言Visual Basic進行設(shè)計和開發(fā)。這也是Windows環(huán)境下通過串口進行數(shù)據(jù)采集較好的一種方式[3]。測量點上的智能瓦斯傳感器將獲得的瓦斯參數(shù)按照IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)來上傳數(shù)據(jù)的，因此必須將串行通信控件所接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機內(nèi)一般的浮點型數(shù)據(jù)來進行處理。為了提高工作效率，本文采用Delphi編寫了專用的動態(tài)鏈接庫來進行這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

通過上位機的設(shè)置可以接收兩種類型的數(shù)據(jù)：瓦斯?jié)舛群屯咚箿囟?。系統(tǒng)默認設(shè)置為每0.5秒采集各通道的瓦斯?jié)舛葏?shù)一次，每5分鐘采集溫度參數(shù)一次。時間的間隔參數(shù)也可以通過軟件界面進行設(shè)置。瓦斯參數(shù)通過數(shù)據(jù)庫進行記錄和保存，這樣做的好處是可以長時間記錄并進行局部查詢，數(shù)據(jù)精度為0.001%。還可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Matlab等軟件可以接收的中間文件然后進行處理。

4 瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀的應(yīng)用

多通道瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀的實物如圖3所示，在監(jiān)測儀的面板上可以對需要的通道進行是否開始工作的控制。本文設(shè)計的監(jiān)測儀目前實現(xiàn)了16通道的瓦斯參數(shù)監(jiān)測，今后根據(jù)實驗裝置的實際需要，基于目前的架構(gòu)，可以很方面地擴充到32通道。通過本儀器已經(jīng)獲得了乏風(fēng)瓦斯密度層分裝置主要工作點的瓦斯參數(shù)和工作時間之間的關(guān)系，并驗證了理論研究工作正確性。由于本監(jiān)測儀在軟件和硬件上都采用開放式結(jié)構(gòu)，因此能很方便地與控制系統(tǒng)進行聯(lián)接，通過基于PCI接口的IO控制板將可以對實驗裝置進行在線控制。

圖3 多通道瓦斯參數(shù)檢測儀實物圖

5 結(jié)束語

采用虛擬儀器架構(gòu)的多通道瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀實現(xiàn)了瓦斯參數(shù)的多點實時在線監(jiān)測，瓦斯參數(shù)的測量和采集點可以靈活方便地進行調(diào)整，需要采集的通道數(shù)也可以根據(jù)實際需要從面板上進行控制?；诿嫦?qū)ο蟮某绦蛘Z言VB6并實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的記錄和處理。在后續(xù)的研究工作中將進一步豐富軟件的信號處理能力，如多通道間的參數(shù)相關(guān)性分析。

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