，，，，

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信控學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.澳大利亞新南威爾士大學(xué) 信電學(xué)院，澳大利亞 悉尼 4385；3.徐州翰林科技有限公司，江蘇 徐州 221000)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤自燃火災(zāi)事故占據(jù)火災(zāi)事故的80%[1]。本質(zhì)上講，煤炭自燃現(xiàn)象是及其復(fù)雜的煤炭復(fù)合作用過(guò)程。由于煤自燃現(xiàn)象火源隱蔽、難發(fā)現(xiàn)、難治理的特點(diǎn)使得很多學(xué)者對(duì)其做了研究。其中可以使用氣體成分分析法來(lái)研究煤自燃問(wèn)題。已有研究表明，對(duì)于一定的煤質(zhì)，煤的熱解生成物種類以及濃度和溫度具有一定聯(lián)系。所以可以分析氣體濃度來(lái)得出煤溫度，從而預(yù)測(cè)煤自燃的危險(xiǎn)程度。通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)氣體的濃度，融合多傳感器技術(shù)，可以避免單一氣體指標(biāo)，從而大大提高系統(tǒng)的可靠性，為煤自燃預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多傳感器煤自燃探測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境信息檢測(cè)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是保證測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的關(guān)鍵[2]?？紤]到工作環(huán)境有可能復(fù)雜惡劣，且涉及多種環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，設(shè)計(jì)合理的硬件電路和系統(tǒng)軟件，可以有效改善系統(tǒng)表現(xiàn)[3]。該系統(tǒng)可以直接應(yīng)用于煤自燃預(yù)測(cè)環(huán)境中，利用多傳感器數(shù)據(jù)融合結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以達(dá)到較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 傳感器選型及測(cè)量電路

2.1 瓦斯傳感器的選擇及測(cè)量電路

紅外瓦斯傳感器要求寬量程，高靈敏度，高可靠性。測(cè)量電路采用5V供電時(shí)，需要簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)換就可以實(shí)現(xiàn)串行通訊。

2.2 溫度傳感器選型及測(cè)量電路

由于計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)和電子的推廣，系統(tǒng)中越來(lái)越多的使用數(shù)字式溫度傳感器，本文測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用SHT75型數(shù)字溫濕度傳感器。SHT75型傳感器接口簡(jiǎn)單，且功耗低。

2.3 一氧化碳傳感器選型及測(cè)量電路

本測(cè)量系統(tǒng)使用7E/F型一氧化碳電化學(xué)傳感器。電路中電流轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換電流電壓信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換供微控制器處理。測(cè)量電路如圖2所示。

圖2 一氧化碳傳感器測(cè)量電路

其中恒電勢(shì)電路由U6B、R1～R3、R6、C1、C3、Q2組成。用來(lái)輸出恒定電壓值，保證反應(yīng)的進(jìn)行。電路中存在兩個(gè)RC濾波器，可以有效弱化氣體電解反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲，濾除較大的尖峰干擾。I/V轉(zhuǎn)換及前置放大電路由U6A、R4、R5、R7、C2組成。信號(hào)處理電路送出的最終輸出電壓Vout為：

式中，ICO為7E/F型CO傳感器輸出電流。綜合性能考慮，電路要求R7兩端電壓小于10mV。減小R7同時(shí)可以加快響應(yīng)，電路在噪聲和響應(yīng)速度之間取得良好的平衡，并且能夠減少濕度的瞬時(shí)影響[7]。處理電路中7E/F型CO傳感器靈敏度為0.10μA/10-6，選擇R5阻值等于10kΩ，使得0～1V電壓值對(duì)應(yīng)濃度0～1000×10-6。

2.4 氧氣傳感器選型及測(cè)量電路

一般來(lái)說(shuō)原電池式氧氣傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且工作電流小，無(wú)需外電和熱源[8，9]。本測(cè)量系統(tǒng)使用O2-A2型原電池式氧氣傳感器，其具有檢測(cè)性能好、可靠性高、尺寸小且壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

傳感器模型表達(dá)式為：

IO2=K·ln[1/(1-CO2)]

式中，IO2為氧氣輸出電流；O2為氧氣百分比濃度(0～1對(duì)應(yīng)0～100%代入上式)；K為常量系數(shù)。

考慮使用實(shí)驗(yàn)方法近似用一條直線模擬該輕微非線性表達(dá)式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的輸出電流與氧氣濃度的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 氧氣傳感器模型數(shù)據(jù)

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，表達(dá)式近似表達(dá)為：

IO2=5.1179×CO2+0.1607

相關(guān)系數(shù)R=0.9996。

傳感器測(cè)量電路如圖3所示。

圖3 氧氣傳感器測(cè)量電路

轉(zhuǎn)換電壓為：

V1=-(R2+R4+R2×R4/R3)×IO2

調(diào)零電路用于消除出現(xiàn)的零點(diǎn)漂移，V1是經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換的輸出電壓，V2是可調(diào)的正偏置電壓，結(jié)合反向求和電路計(jì)算公式得出：

VO=-(R9/R5·V1+R9/R6·V2)

選取R5=R6=R9，VO=-(V1+V2)，保證無(wú)氧氣環(huán)境電路無(wú)電壓輸出。

選取特定電阻R1=R2=R3=R4=10kΩ，R5=R6=R8=R9=10kΩ，R7=RS=1kΩ，電路開(kāi)始工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)R7調(diào)零。調(diào)節(jié)電阻RS，使輸出在氧氣濃度30%時(shí)為3V。保證0～3V電壓范圍線性對(duì)應(yīng)0～30%氧氣濃度。

2.5 紅外二氧化碳傳感器及測(cè)量電路

由于紅外光譜吸收技術(shù)的檢測(cè)靈敏度高，同時(shí)具有響應(yīng)快和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)[10]，該測(cè)量系統(tǒng)選用IR11GJ型紅外傳感器。

通過(guò)對(duì)傳感器探頭輸出的信號(hào)合理處理濾波、放大再送入微處理器中就可以計(jì)算得出相關(guān)濃度值，信號(hào)處理電路如圖4所示。

圖4 二氧化碳傳感器測(cè)量電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)傳感器傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)測(cè)量電路到達(dá)微處理器后就需要處理器采取合適的方式對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行有效的處理。由于有多路輸出信號(hào)，需要采用輪詢或中斷方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢處理。在該系統(tǒng)中沒(méi)有其他的要求，因此只需要使用簡(jiǎn)單的輪詢方式采集數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后等待查詢指令開(kāi)始工作，依次處理輸出信號(hào)，系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)的程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)測(cè)量與處理流程圖

4 系統(tǒng)基本誤差性能測(cè)試

多傳感器融合系統(tǒng)中，通過(guò)收集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)后再進(jìn)行處理，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性以及預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[11]。在系統(tǒng)投入使用前，要根據(jù)國(guó)家相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，證明系統(tǒng)工作性能滿足我國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本誤差和穩(wěn)定性等性能測(cè)試。

4.1 瓦斯?jié)舛葴y(cè)量基本誤差測(cè)試

《煤礦用高低濃度甲烷傳感器》(AQ 6202—2006)[12]要求瓦斯?jié)舛葴y(cè)量基本誤差的測(cè)試過(guò)程如下：將經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和標(biāo)定的檢測(cè)系統(tǒng)分別放入1%、3%、4%和40%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體環(huán)境中，正確記錄測(cè)量值，重復(fù)四次上述測(cè)量過(guò)程，取測(cè)量算術(shù)平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值為基本誤差。

瓦斯?jié)舛葘?shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，得出傳感器滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試數(shù)據(jù)

4.2 氧氣濃度測(cè)量基本誤差測(cè)試

《煤礦用攜帶型電化學(xué)式氧氣測(cè)定器》(MT 704—2008)[13]要求氧氣濃度測(cè)量基本誤差測(cè)試過(guò)程如下：將經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和標(biāo)定的檢測(cè)系統(tǒng)分別放入純氮?dú)猸h(huán)境中，依次通入5.0%、15%、21%、25%已經(jīng)校訂待測(cè)氣體3min，記錄測(cè)量值，重復(fù)四次上述測(cè)量過(guò)程，取測(cè)量的算術(shù)平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值為基本誤差。

氧氣濃度實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，由表3可得出氧氣濃度測(cè)量的基本誤差滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 氧氣濃度測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3 一氧化碳濃度測(cè)量基本誤差測(cè)試

《煤礦用攜帶型電化學(xué)式一氧化碳測(cè)定器》(MT 703—2008)[14]要求一氧化碳濃度測(cè)量基本誤差測(cè)試過(guò)程如下：將經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和標(biāo)定的檢測(cè)系統(tǒng)分別放入清潔空氣環(huán)境中，等待穩(wěn)定后，按規(guī)定依次通入0、350×10-6、500×10-6、850×10-6已經(jīng)校正的待測(cè)氣樣1min(保證測(cè)量恢復(fù)時(shí)間大于等于1min)，正確記錄測(cè)量輸出值，重復(fù)四次上述測(cè)量過(guò)程，取測(cè)量的算術(shù)平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值為基本誤差。

一氧化碳實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，由表4可得出該系統(tǒng)一氧化碳濃度測(cè)量的基本誤差滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 一氧化碳濃度測(cè)試數(shù)據(jù)

4.4 溫度測(cè)量基本誤差測(cè)試

《煤礦用通用溫度傳感器通用技術(shù)條件》(MT 381—2007)[15]要求溫度輸出誤差≤±2.5% F.S。

根據(jù)煤炭行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，溫度測(cè)量基本誤差測(cè)試過(guò)程如下：選擇20℃、35℃、50℃、65℃、85℃進(jìn)行測(cè)量，穩(wěn)定3min記錄測(cè)量輸出值，反復(fù)測(cè)量3次，取這3次測(cè)量的算術(shù)平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值即為基本誤差，結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表5得出溫度測(cè)量的基本誤差滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表5 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

4.5 紅外二氧化碳濃度測(cè)量基本誤差

標(biāo)準(zhǔn)《礦用二氧化碳傳感器通用技術(shù)條件》(AQ 1052—2008)要求傳感器輸出誤差小于百分之四。實(shí)驗(yàn)的測(cè)試過(guò)程如下：依次選擇1%、2%、3%、4%已經(jīng)校訂的待測(cè)氣體按照規(guī)定通入系統(tǒng)，記錄輸出值，重復(fù)四次上述測(cè)量過(guò)程，取算術(shù)平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值為基本誤差值，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 二氧化碳濃度測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表6看出傳感器測(cè)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

圖6 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試曲線圖

穩(wěn)定性相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定有中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ 6202—2006和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 704—2008、MT 703—2008、MT 381—2007。對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)工作穩(wěn)定性過(guò)程如下：系統(tǒng)在空氣中連續(xù)運(yùn)行15d，每天連續(xù)運(yùn)行10h，每9.5h后選擇各測(cè)量參數(shù)量程50%的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行測(cè)量并記錄測(cè)量結(jié)果，測(cè)試期間不得調(diào)整檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的工作穩(wěn)定性曲線如圖6所示。二氧化碳的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表7 CO2穩(wěn)定性測(cè)試表 %

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了多傳感器煤自燃探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下氧氣濃度、瓦斯?jié)舛取⒍趸紳舛?、一氧化碳和溫濕度的檢測(cè)，系統(tǒng)微處理器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)加工處理。另外論文根據(jù)行業(yè)規(guī)范對(duì)系統(tǒng)基本誤差和系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本文探測(cè)系統(tǒng)的研究可以作為煤自燃預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，利用本文的傳感器及測(cè)量電路系統(tǒng)可以可靠的傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，合理選擇預(yù)測(cè)分類方法如支持向量機(jī)，線性分類器等可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤自燃預(yù)測(cè)，具有一定的實(shí)踐價(jià)值。