基于无线传输的矿用甲烷监控装置的研制

发布时间：2020-03-25 02:13

【摘要】：随着我国煤炭经济的发展,煤矿的安全生产也越来越引起重视。伴随在生产中的瓦斯事故在矿井事故总数中占比极重,且频繁发生,严重地威胁到煤矿的生产安全,而采用甲烷监控装置对瓦斯进行实时测量与监控对煤矿安全生产具有重要意义。甲烷监控装置是矿井安全生产中最重要的辅助设备,通过测量浓度、逻辑判断和执行输出三个部分完成预定的报警闭锁控制功能。装备于煤矿辅助运输设备单轨吊车上的甲烷监控装置普遍采用黑白元件,检测精度和可靠性不高,需要频繁调校。其次,该装置普遍工作于单机模式,仅仅对装置附近的浓度进行检测,不能与其他设备联合工作实现更为安全的管理控制功能。除此之外,在输出环节上,现有装置采用了传统的电磁继电器,延时长,可靠性低,不能保证煤矿的安全生产。针对现有甲烷监控装置测量误差大、闭锁输出可靠性低、通信功能不完善等问题,自主设计了一套甲烷监控装置,并研发了装置的硬件和软件。具体研究内容如下:查阅相关文献,了解了目前的研究动态和产品现状,结合太原矿机电气股份有限公司多年来对该类产品的使用体验以及新需求,构建和规划了装置的总方案。采用面向对象、系统化的方法开发装置,在分析需求的基础上,明确功能规划,设计了装置的框架结构。根据装置框架结构,选择基于半导体激光器的光谱吸收原理的检测头检测浓度;选择RS-485总线、CAN总线以及无线通信技术实现装置的数据通信功能;选择新型固态继电器实现可靠闭锁控制。在确定关键部位后,设计了STM32单片机最小系统、浓度检测接口电路、缓启动电路、双电源切换电路、电池充电管理电路、闭锁输出电路、声光报警电路、频率输出电路、人机交互单元(包括按键和显示部分)、RS-485、CAN以及无线通信接口等硬件电路。在硬件电路基础上,采用自上而下和自下而上相结合的软件设计方法,划分多任务如故障处理任务、按键扫描任务等,编写了存储访问STM32的FLASH的读写程序、频率输出更新程序和禁止频率输出程序、用于实现信息交互的显示和按键程序,以及CAN通信程序、无线模块的串口与网络的通信程序,最后,通过μC/OS-Ⅱ管理调度各任务及子程序,来实现通信、按键设置、浓度检测与显示、频率输出等功能。最后,在实验室条件下,进行装置的运行调试,并用检定装置KA83J检定。实验结果表明:装置达到设计要求,满足功能需求,运行可靠稳定;实现了外部电源和备用电池的切换供电,以及对充电电路的供电控制;实现了对电池的充电管理;能够完成浓度检测、存储参数以及恢复初始化设置等任务;能够可靠闭锁输出以及声光报警;能够可靠通信,实现浓度上传等功能。
【图文】：

干涉图像,光学干涉,测量原理

、表面化学、微电子学（如平面工艺）、ME件配对工艺的优化，出现了泡沫金属基整体使得在稳定性与可靠性、抗毒能力、反应产的检测元件。除了对检测元件进行小型化等电路，使得浓度测量更准确。目前，市场黑白元件检测浓度，如加拿大 BW GP-WD工艺与技术的进步，一定程度上解决了催化功耗大的问题，但是依旧存在气体选择性差响，需要 7-14 天进行一次调校。原理如图 1-2，不同浓度的气体的折射率不介质中的传播路程会变化，，导致干涉图像产甲烷浓度的关系[7]。

模型图,模型,光强

图 1-3 WMS 模型Fig.1-3 WMS model直接吸收法是最简单的气体吸收光谱检测技术。向气体通入一定频率的激光，激被气体吸收，此时，检测输出与输入光强，求得气体浓度。而在实际中，检测到的与输入光强受光源影响大，尤其是将激光的波长稳定在吸收峰附近比较困难，而波变化将直接导致吸收强度的变化，产生检测误差；此外，由于甲烷对光的吸收比较，接收到的信号中会带有很强的噪声，所以很难用式（1-2）来直接推算甲烷浓度检测中为了抑制干扰，使用一定的技术对吸收过程加以控制，常用的方法有对输入和波长等参数进行调制等，其中波长（频率）调制对光源的不稳定和检测端带入的都有很好抑制作用，可以达到很高的测量精度。波长调制法利用激光器可以发出窄带宽的单色光束的特点，通过注入“锯齿波+正弦”的电流来实现激光频率和输入光强的扫描和调制，实现在吸收峰附近的精细扫描，图 1-4（a）。由于吸收的非线性，此时，输出波形如图 1-4（b），包含有高次谐波信号
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD76

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