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摘要：針對(duì)煤礦用甲烷傳感器檢測勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、安全性差等問題，設(shè)計(jì)了一套礦用甲烷傳感器標(biāo)校測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件是將各個(gè)檢測模塊進(jìn)行電氣化改造。系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器作為軟件開發(fā)平臺(tái)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的礦用甲烷傳感器標(biāo)校系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)檢測的自動(dòng)化、精確化和安全化，能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率和安全性，保障了煤礦的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：甲烷傳感器；標(biāo)校系統(tǒng)；虛擬儀器；安全生產(chǎn)

0引言

煤礦安全生產(chǎn)事關(guān)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，是全國安全生產(chǎn)的重中之重[1]。全面推行危險(xiǎn)氣體防治和抽采利用工作，是完善煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)保障體系，提升煤礦安全生產(chǎn)總體水平的主要任務(wù)[2]。瓦斯氣體傳感器作為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的感知器，必須在其安全可靠工作的前提下，整個(gè)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)才可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測量和檢測數(shù)據(jù)的傳輸[3]。礦用甲烷傳感器作為最關(guān)鍵的裝置，它是煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能否有效地正確反映被測環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)[4]。因此，針對(duì)礦用甲烷傳感器的檢測檢驗(yàn)就顯得尤為重要。但是針對(duì)礦用甲烷傳感器的檢測檢驗(yàn)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、安全性差的問題，設(shè)計(jì)了一套礦用甲烷傳感器標(biāo)校系統(tǒng)。該標(biāo)校系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)檢測的自動(dòng)化、精確化和安全化，能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率和安全性，保障煤礦的安全生產(chǎn)。隨著煤礦智能化的發(fā)展，檢測控制系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地提高了產(chǎn)品的測試速度和精度[5]。虛擬儀器技術(shù)主要應(yīng)用于儀器設(shè)備的控制、測量分析和數(shù)據(jù)采集、顯示分析，利用其進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可大大提高工作效率[6]。系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器作為開發(fā)平臺(tái)，把虛擬儀器技術(shù)與測控技術(shù)有力地結(jié)合在一起，建立礦用甲烷傳感器檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用為一體的標(biāo)校平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了礦用甲烷傳感器的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定檢測，提高了檢測效率。

1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用甲烷傳感器標(biāo)校系統(tǒng)主要由氣瓶、礦用甲烷傳感器、質(zhì)量流量控制器、減壓閥、調(diào)壓過濾閥、氣路系統(tǒng)、上位機(jī)等組成。按照礦用甲烷傳感器的檢測檢驗(yàn)要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以礦用甲烷傳感器作為被測對(duì)象，在對(duì)標(biāo)校裝置整體機(jī)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了礦用甲烷傳感器標(biāo)校系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。其中，氣瓶選用騰龍公司的標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)氣體。減壓閥選擇費(fèi)斯通生產(chǎn)的二級(jí)減壓閥，用于瓶體的壓力控制。過濾閥門用于氣體介質(zhì)過濾，為了確保進(jìn)行檢測校準(zhǔn)氣樣中的高純凈度，提高檢測檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。質(zhì)量流量閥用于輸入被測甲烷傳感器的輸入流量控制單元，可通過軟件進(jìn)行高步進(jìn)精度控制，以達(dá)到準(zhǔn)確測量。同時(shí)選用研華的數(shù)據(jù)采集卡，作為傳感器以及閥體的數(shù)據(jù)上采工作。上位機(jī)選用研華的工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。同時(shí)還設(shè)置硬件手動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)軟件系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，為了不影響檢測檢驗(yàn)工作，還可以采用手動(dòng)方式進(jìn)行操作，增加礦用傳感器檢測檢驗(yàn)的靈活性。針對(duì)已有礦用甲烷傳感器的型號(hào)和種類，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣體種類、測量的量程、檢驗(yàn)所需的氣體流量各有不同，為了方便檢測檢驗(yàn)人員操作，系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)被測傳感器類型進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。針對(duì)礦用甲烷傳感器檢測的整個(gè)測試過程，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)校裝置采集上來的數(shù)據(jù)和被測礦用甲烷傳感器的量程對(duì)傳感器濃度進(jìn)行換算，待采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)表與數(shù)據(jù)自動(dòng)關(guān)聯(lián)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣濃度進(jìn)行甲烷傳感器濃度的基本誤差測定，并利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器性能判定，以此來達(dá)到礦用甲烷傳感器的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定檢測。

2系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原則一是結(jié)構(gòu)清晰，層次分明、各層內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)，易查錯(cuò)；二是系統(tǒng)軟件應(yīng)具有一定的靈活性，盡可能滿足不同的應(yīng)用需求；三是交互界面友好，使檢驗(yàn)操作人員盡可能的簡單、直觀；四是系統(tǒng)應(yīng)具有一定的安全性和穩(wěn)定性。為了使礦用甲烷傳感器檢測達(dá)到快速、高效率的測試效果，不僅要有合理設(shè)計(jì)和選用硬件電路之外，而且還要有較高質(zhì)量的運(yùn)行軟件來對(duì)各個(gè)硬件部分進(jìn)行有效的控制和管理工作。整個(gè)檢測系統(tǒng)應(yīng)用軟件及測試用例使用NI公司的LabVIEW2020進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows10操作系統(tǒng)。礦用甲烷傳感器標(biāo)校系統(tǒng)軟件在設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用由上而下的設(shè)計(jì)思想，并采用了模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)系統(tǒng)的總體要求和性能參數(shù)，將系統(tǒng)軟件劃分成幾個(gè)不同的功能模塊，然后再將各個(gè)功能模塊逐步分解成為單獨(dú)的模塊。標(biāo)校流程圖如圖2所示。在進(jìn)行傳感器標(biāo)校時(shí)，首先是登錄測試軟件，根據(jù)被測傳感器的硬件接入通道來確定選擇的通道，然后對(duì)被測傳感器以及通道參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，接下來需要確認(rèn)氣路是否處于可運(yùn)行狀態(tài)，開始校驗(yàn)。如果校驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有偏離，然后返回氣路再次確認(rèn)后，重復(fù)校驗(yàn)工作。校驗(yàn)合格或不合格后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和報(bào)告打印工作，標(biāo)校流程就進(jìn)行完畢了。在檢驗(yàn)的過程中，還應(yīng)該注意被測傳感器的類型，在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和通道選擇時(shí)，應(yīng)設(shè)置正確。其次，配氣過程也應(yīng)該確保輸入被測傳感器敏感元件，保持氣流的穩(wěn)定，可在檢測過程中設(shè)置氣流流量和時(shí)間，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進(jìn)行檢測工作。

3甲烷傳感器標(biāo)校試驗(yàn)方法

3.1標(biāo)校環(huán)境條件依據(jù)礦用甲烷傳感器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)傳感器檢測檢驗(yàn)有著明確的環(huán)境要求，確保檢測過程和數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，其檢驗(yàn)環(huán)境條件如下：(1)溫度：(15~35)℃。(2)相對(duì)濕度：45%~75%。(3)大氣壓力：(80~116)kPa。

3.2基本誤差測定傳感器基本誤差測定是對(duì)被測傳感器測量準(zhǔn)確度的一個(gè)衡量，是表征其質(zhì)量好壞的關(guān)鍵性參數(shù)，同時(shí)也是煤礦安全的關(guān)鍵性指標(biāo)參數(shù)。其檢驗(yàn)流程如下，首先要給被測甲烷傳感器進(jìn)行通電，讓其穩(wěn)定工作以后，再按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流量，用壓縮空氣的標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)傳感器3次，等待傳感器零點(diǎn)在潔凈空氣中穩(wěn)定以后，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定流量向傳感器分別依次通入傳感器，測量范圍為0.5%、1.5%、2.0%、3.5%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體各3分鐘，同時(shí)記錄傳感器的顯示值。然后重復(fù)測量，取測試的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)氣樣的差值作為基本誤差的測量值。軟件基本誤差試驗(yàn)算法如圖3所示。

3.3響應(yīng)時(shí)間測定傳感器響應(yīng)時(shí)間測定是用來表征被檢測傳感器的響應(yīng)質(zhì)量的參數(shù)。檢測方法如下，首先要給被測甲烷傳感器進(jìn)行通電，讓其穩(wěn)定工作以后，再按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流量，用壓縮空氣的標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)傳感器等待傳感器零點(diǎn)在潔凈空氣中穩(wěn)定以后，通入傳感器測量范圍的2.0%甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣樣，記錄儀器顯示值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣體90%濃度時(shí)的時(shí)間，重復(fù)3次，取其平均值。響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)算法如圖4所示。

3.4工作穩(wěn)定性測定工作穩(wěn)定性是衡量傳感器的關(guān)鍵的參數(shù)之一，它是礦用傳感器穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵性測試項(xiàng)目。具體的檢測方法如下，首先把適檢的傳感器放置在穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置中，在穩(wěn)定箱中連續(xù)通入0.5%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體運(yùn)行12h，然后再按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定流量依次通入壓縮空氣和1.5%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體各3min，記錄顯示值和輸出信號(hào)值，然后在空氣中連續(xù)運(yùn)行12h后，按標(biāo)準(zhǔn)流量通入1.5%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣樣3min，記錄顯示值和輸出信號(hào)值。連續(xù)試驗(yàn)15d，試驗(yàn)期間不能調(diào)整被測傳感器的狀態(tài)。工作穩(wěn)定性試驗(yàn)算法如圖5所示。3.5風(fēng)速影響試驗(yàn)把適檢的傳感器放置在風(fēng)洞之中，在風(fēng)流為零時(shí)對(duì)被測甲烷傳感器的基準(zhǔn)進(jìn)行記錄，同時(shí)記錄顯示值，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)整風(fēng)速為8m/s，人為使被測傳感器繞懸掛軸線方向移動(dòng)，尋找其受風(fēng)速影響的點(diǎn)位位置，固定此位置，每30s記錄1次指示值，共記錄3次，取其算數(shù)平均值和基準(zhǔn)點(diǎn)的差值作為漂移量。在這個(gè)過程中，需要注意的是，一是要確保被測傳感器的狀態(tài)，使其一直處于穩(wěn)定工作條件下進(jìn)行。二是要確保環(huán)境的穩(wěn)定可靠，尤其是提供的風(fēng)速場需要穩(wěn)定。

4結(jié)論

（1）文章從礦用甲烷傳感器的檢測檢驗(yàn)出發(fā)，為了提高檢測效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提升甲烷傳感器的檢測安全性問題，設(shè)計(jì)了一套礦用甲烷傳感器標(biāo)校測試系統(tǒng)。（2）設(shè)計(jì)的礦用甲烷傳感器標(biāo)校測試系統(tǒng)。硬件將氣瓶、減壓閥、過濾閥、質(zhì)量流量計(jì)、采集卡以及工控機(jī)進(jìn)行了電氣化改造。軟件應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)和測控技術(shù)，根據(jù)檢測檢驗(yàn)要求，針對(duì)不同型號(hào)類別的甲烷傳感器進(jìn)行了標(biāo)校軟件設(shè)計(jì)，形成檢測檢驗(yàn)的上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)。（3）針對(duì)礦用甲烷傳感器的典型試驗(yàn)，基本誤差測定、相應(yīng)時(shí)間測定、工作穩(wěn)定性測定試驗(yàn)以及風(fēng)速影響試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，分步驟對(duì)檢測檢驗(yàn)過程進(jìn)行了分析以及檢測過程中的注意事項(xiàng)，并給出了軟件后臺(tái)運(yùn)行程序。（4）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的礦用甲烷傳感器標(biāo)校測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)礦用甲烷傳感器的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、安全檢測，提高了檢測效率。

作者:謝文強(qiáng) 單位:中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司