李柏均

摘要：本研究針對現(xiàn)有機(jī)械式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測定儀存在的操作復(fù)雜、井下人工讀數(shù)誤差大和測定數(shù)據(jù)無法保存并，上傳的問題的分析，研制了一種電子式測定儀，增加了電磁閥，優(yōu)化了手動閥的設(shè)計，提高了測定精度和自動化程度，操作簡單，在煤礦現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，相比老儀器取得了較大的提高。

[關(guān)鍵詞]煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)機(jī)械式電子式壓差傳感器無線上傳

提前進(jìn)行煤與瓦斯突出危險性的預(yù)測并采取相應(yīng)的防突措施，是避免發(fā)生煤與瓦斯突出事故、造成重大人員傷亡的有效手段。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2值是預(yù)測煤與瓦斯突出危險性的重要指標(biāo)，也是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中要求的礦井預(yù)測工作面煤與瓦斯突出危險性的常用指標(biāo)。

目前，市場上常見的煤鉆屑瓦斯解吸測定儀為純機(jī)械人工操作設(shè)計，主機(jī)測定操作步驟為：

（1）先打開兩通旋塞5，然后將已采煤樣的煤樣瓶迅速放入解吸室2中，擰緊解吸室上蓋，打開三通旋塞4，使解吸室2與水柱計1和大氣均連通，煤樣處于暴露狀態(tài);

（2）當(dāng)煤樣暴露時間為3min時，迅速逆時針方向旋轉(zhuǎn)三通旋塞4捏手，使解吸室與大氣隔絕，僅與水柱計連通，開始進(jìn)行解吸測定，并重新開始計時，測定開始后第2min末水柱計壓差讀數(shù)即為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2。

本文針對上述問題進(jìn)行了分析，設(shè)計研制了一種電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測定儀，集成了電子式秒表、壓力傳感器和無線傳輸模塊，顯示屏直接顯示測定結(jié)果，測定數(shù)據(jù)可保存并通過無線上傳;增加了電磁閥，改進(jìn)了手動閥的設(shè)計，大大減輕了儀器操作復(fù)雜程度。

1電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測定儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

新結(jié)構(gòu)設(shè)計使得測定操作步驟簡化，簡化后只有簡單的兩個動作。第一步：拉開二位四通閥，按下“開始”按鈕;第二步：將已采煤樣的煤樣瓶在3分鐘內(nèi)放入解吸室中（有提示音），蓋上密封蓋旋轉(zhuǎn)擰緊密封即可。

具體改進(jìn)設(shè)計為：首先就是將兩個獨(dú)立的兩通、三通旋塞進(jìn)行融合設(shè)計，使其使用簡便，減少操作步驟，通過對這兩個獨(dú)立的旋塞操作步湊的分析，設(shè)計了只需一個動作就能達(dá)到要求的獨(dú)立閥門。再次將壓差傳感器、秒表融入到芯片內(nèi)，通過芯片控制通氣電磁閥開閉，延時到指定時間時自動記錄壓力。然后將獨(dú)立二位四通閥，水柱，通氣電磁閥，壓差傳感器、秒表等結(jié)構(gòu)和電路，整體嵌入便攜式外殼內(nèi);實(shí)現(xiàn)自動化改進(jìn)。儀器主體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1。

2電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測定儀電路設(shè)計

測定儀電路框圖如圖2所示。

2.1微處理器模塊

微處理器模塊采用STM32F030系列嵌入式單片機(jī)，它采用ARMCortex內(nèi)核，運(yùn)算速度高達(dá)48MHz。STM32F030具有全套外設(shè)，包括高速12位ADC、先進(jìn)且靈活的定時器、日歷RTC和通信接口，采用STM32F030的應(yīng)用設(shè)計能夠隨時升級到STM32系列中的任何產(chǎn)品，并且工具和應(yīng)用軟件的可重用性極高。

2.2傳感器模塊

TruStability高精度硅陶瓷（HSC）系列是一種壓阻式硅壓力傳感器，具有模擬或數(shù)字輸出，包括多種適應(yīng)不同壓力量程和溫度范圍的型號。HSC系列采用板載ASIC電路對偏移、靈敏度、溫度和非線性進(jìn)行了充分的校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。本設(shè)計選用的傳感器壓差測定量程為相對壓力+2.5KPa，總誤差為+1%FS，數(shù)據(jù)傳輸接口為I2C接口，內(nèi)部采樣為14位AD轉(zhuǎn)換，供電電壓為3.3VDC，低功耗設(shè)計。

2.3人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊便于用戶對測定儀的功能操作，主要包括4個按鍵和1個LCD顯示屏。按鍵主要用于功能選擇和操作。LCD顯示屏采用功耗低128*64分辨率的微型黑色點(diǎn)陣單色液晶屏，其采用4線SPI串行接口與STM32F030通信，所需外部器件較少。IC采用UC1701X，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性好。屏幕功耗低，不帶背光1mW，帶背光不大于150mW。工作溫度寬，達(dá)到-20°C～70°C。

2.4無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用HC08藍(lán)牙傳輸模塊，其負(fù)責(zé)將測定數(shù)據(jù)無線傳輸給井下防爆手機(jī)，再由防爆手機(jī)傳送到地面中心電腦。無線工作頻段為2.4GHzISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度-93dBm，空曠環(huán)境下和手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)80米超遠(yuǎn)距離通信。模塊可貼片焊接，方便嵌入應(yīng)用系統(tǒng)之內(nèi)。模塊采用TI的CC2540芯片，配置256KByte空間，支持AT指令，可根據(jù)需要更改角色（主、從模式）以及串口波特率、設(shè)備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。

2.5電磁閥及控制模塊

氣路密封選用的微型常開直流電池閥。其控制電源電壓只需要6VDC，工作電流小于60mA，工作壓力上限為300mmHg，滿足儀器測定壓力密封需求。

2.6電源模塊

為了充分減小測定儀的體積和重量，測定儀設(shè)計為礦用本質(zhì)安全型。其電源采用單節(jié)3.7V/1.4Ah容量鋰電池，再經(jīng)過雙級限流、短路、過壓保護(hù)電路并澆封，經(jīng)電壓變換電路變換為3.3V和6V電壓，供后續(xù)功能模塊、傳感器和電磁閥使用。電源設(shè)計滿足安標(biāo)和井下防爆性能要求。

3電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測定儀軟件設(shè)計

測定儀軟件設(shè)計采用嵌入式C語言編寫，軟件主要包括計時提示、電磁閥控制、數(shù)據(jù)采集計算顯示、無線發(fā)送、儀器配置共五大功能模塊。計時提示模塊的主要功能是在測定前對煤樣暴露時間進(jìn)行倒計時，在時間快到時提示用戶快速放入煤樣，并開始測定。電磁閥控制模塊的主要功能是在測定開始時控制關(guān)閉電磁閥，并在測定結(jié)束時控制打開電磁閥。數(shù)據(jù)采集計算顯示模塊的主要功能是采集傳感器數(shù)據(jù)并計算出測定指標(biāo)，然后顯示在屏幕上。無線發(fā)送模塊的主要功能是將測定結(jié)果通過藍(lán)牙無線發(fā)送給已配對好的手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速上傳的目的。儀器配置模塊主要是實(shí)現(xiàn)儀器傳感器校準(zhǔn)、藍(lán)牙地址顯示、顯示背光控制等的輔助配置功能。

4應(yīng)用及結(jié)果

新研制的電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測定儀在重慶松藻礦務(wù)局渝陽煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)用。試驗(yàn)方法為用新舊兩種儀器在井下8個地點(diǎn)對相應(yīng)8組煤樣同時進(jìn)行測定，測定后對比試驗(yàn)結(jié)果。

通過井下對比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電子式測定儀與機(jī)械式測定儀測出的△h2值有差別，最大誤差3Pa，差別不大。在測定過程中，用戶反饋電子式測定儀操作更加方便，測定數(shù)據(jù)讀數(shù)輕松，數(shù)據(jù)存儲上傳也快捷簡單。

5討論

本研究對機(jī)械式煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測定儀進(jìn)行閥門優(yōu)化設(shè)計和電子化改進(jìn)，簡化了用戶測定操作，能自動測定、記錄并無線上傳指標(biāo)值，避免了人工刻度讀取誤差，而且由于采用了高精度壓差傳感器，也使得指標(biāo)測定結(jié)果更為準(zhǔn)確。儀器在煤礦現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，相比老儀器取得了較大的提高。

參考文獻(xiàn)

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[2]STM32F030C8數(shù)據(jù)手冊[EB/0L].