煤質檢測中的煤質快速檢測系統應用及探討

馮利

摘? 要：煤作為一種重要的能源供給之一，煤炭品質的好壞與企業的安全生產有著莫大聯系，如果煤炭中有煤矸石、泥土和礦渣等雜質，將會給企業帶來較大的損失，我國的煤質快速檢測系統目前還不夠完善，因此進一步完善與創新煤質快速檢測技術對煤質檢測行業具有意義。文章通過多傳感器煤質檢測的方法對煤質進行檢測試驗，從而驗證煤質快速檢測系統的實用性。

關鍵詞：煤質檢測;煤質快速檢測系統;應用

中圖分類號：TQ533 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0153-03

Abstract： Coal is one of the most important energy supplies， and the quality of coal is closely related to the safety of production. If there are impurities such as gangue， soil and slag in coal， it will bring great losses to enterprises. At present， the rapid detection system for coal quality in China is not perfect， so further improvement and innovation of the rapid testing technology is of great significance to the coal quality testing industry. In this paper， the multi-sensor coal quality detection method is used to test the coal quality， so as to verify the practicability of the rapid detection system for coal quality.

Keywords： coal quality detection; rapid detection system for coal quality; application

煤在工業領域的應用廣泛，比如火電、建筑以及化工等，不同的工業領域對煤的質量要求檢測標準不同，煤炭的質量性能決定了煤炭的應用價值。因此，社會中使用煤炭的相關領域對煤炭質量的快速檢測非常關心。隨著工業的快速發展，對煤的需求日益增長，逐漸呈現出了供不應求的趨勢。煤質檢測是進行煤炭開采的關鍵環節，更是煤炭儲存的重要依據，因此煤質檢測是工業領域關注的熱點[1]。煤以有機礦物質為主要的成分，碳、氫、氧等元素，也有少量的無機礦物質，煤炭品質越高，含碳量越高。現有的快速檢驗煤炭品質的檢測技術，主要檢測煤炭中的水分、灰分、固定碳的含量成分，常用的檢測技術有近紅外光普檢測技術、實驗室分析以及感官檢測，但是現有的煤質檢驗技術都有著或多或少的缺點，比如近紅外光譜技術，建模成本較高，需求量較大，具有一定的局限性，穩定性不足;感官檢測技術準確度不高，容易在煤的品質方面引起不必要的糾紛。基于此，研究一種新型的煤質快速檢測系統，實現對煤炭質量的準確檢測，是目前煤炭檢測領域的重要任務。

1 交流阻抗譜技術

交流阻抗譜技術是一種電測量技術，以正弦波激勵作為擾動信號，對系統施加電信號，能夠避免損害系統本身的結構，被認為是一種頻率域的檢測技術。交流阻抗技術測量方法快，范圍廣，不損害結構，在生物科學、元器件、地球學科以及快速檢測領域都得到了廣泛的應用。交流阻抗譜技術如何在煤炭領域中進行運用呢[2]？

分析交流阻抗譜檢測方法在煤炭工業中的應用，國內使用在線分析的方法對煤炭的內部元素進行討論的較多，但是對使用交流阻抗原理檢測煤炭雜質的研究較少，只有一些初步的研究，比如交流阻抗譜技術對演示內部結構的檢測;在不同環境下對水果新鮮度的檢測等，因此，將交流阻抗原理對煤炭雜質進行檢測也具有一定的可行性。

2 煤的交流導電特點

對煤炭施加不同的頻率信號，導電能力會隨著頻率的變化而不斷變化。如圖1所示。當頻率較低時，煤的阻抗頻率會降低;阻抗值也會隨著頻率的變化而降低;然后隨著頻率的升高阻抗值也會升高;煤炭品質不同，其邊沿頻率也不同，煤阻抗具有一定的靈敏性，在2～3.5kHz頻帶內是沒阻抗的敏感范圍。煤阻抗不僅與含水量有關，還與煤的種類與形狀有關，細沙狀的煤炭阻抗值小;塊狀的煤炭阻抗值大[3]。

為了測試水分對煤炭阻抗造成的影響，設計2組實驗。（1）煤阻抗與摻雜量之間的關系;（2）水分對煤阻抗的影響。第一組實驗選取標準煤與摻雜煤進行重量對比，測試阻抗值Zc，則樣品傳感器輸出煤炭阻抗值為：Zc=40，26.25，18，13，8;第二組實驗中，選取六個含水率定點，分析煤炭阻抗值Z0在不同濕度下的輸出值。如圖2所示。在同樣的情況下，測量值會隨著函數率的增加而逐漸增加，水分越多，測量值越大，組抗性越小。同樣的含水率下，煤炭雜質的提高會影響測量值，說明雜質含量與測量值有關，雜質越多，導電性越差，阻抗也就越大。如果含水率達到25%、35%時，傳感器的測量值超過4.1%的輸出值，表示將會無法辨別含有煤炭的質量[5]，需要對檢測結果進行修改以解決煤炭阻抗造成的負面影響。

4 煤質快速檢測系統在煤質檢測中的設計應用

將傳感器置于煤質快速檢測系統中，對煤炭進行檢測，不會破壞樣品的外觀和性能，也不會造成任何樣品的損壞。設計框架如圖3所示。

4.1 硬件設計

4.1.1 插桿式傳感器

插桿式傳感器對煤炭進行檢測后容易留下殘留物，如果不進行清理而繼續檢測容易影響測量數據的準確度，傳感器的電極與錐頭采用新型材料與聚四氟乙烯絕緣管，將激勵源的信號加在傳感器中，如圖4所示，信號會經過傳感器的發射端，然后對煤炭進行檢測，接收端會接收到檢測的信號，通過檢測信號實現煤炭阻抗值的測量。

4.1.2 激勵源

阻抗測量系統對激勵源的設計要求較高，DDS作為激勵源的關鍵技術，能夠控制相位的變化，達到不同波形與頻率信號的合成過程，DDS是一種數字化技術，其原理是利用采樣定理，通過查表法得到需要的波形，在時鐘脈沖內，每累加一次都會得到合成的相位，相位會轉化為波形存儲器，將相位的信息轉化為數值，然后通過D/A轉換器將其轉換成模擬信號，然后將沒有用的信息過濾掉形成正弦信號，目前DDS技術在通信系統、數字廣播以及線性調頻等領域得到了廣泛的應用，是信號發生源的主要首選。

4.1.3 信號檢測調理電路

激勵源信號在經過煤炭后，會有所衰減，需要有適合的電路作為信號的支撐。為了讓保持信號的穩定性，加入整流電路能夠保證信號在轉換時的穩定性，但是整流電路也存在一定的缺點，比如信號幅值如果太小，會帶來較大的電壓誤差，失去整流電路的功能，為了解決這種問題，通過運算放大器避免二極管非線性造成的誤差[6]。

4.1.4 A/D轉換電路

采用CS5532轉換器，該轉換器可編程、噪音低，能夠達到較高的分辨率輸出結果?？梢灾苯訙y量微伏信號，電路連接簡單，其內部有一個能夠編程的放大器，放大倍數可以自由選擇，能夠實現多個數據選擇，提高了系統的動態特性。完整多個系統校正功能能夠消除系統通道的誤差。

4.2 軟件設計

4.2.1 煤質快速檢測系統流程

煤質檢測系統采用模塊化設計，通過激勵源模塊、轉換模糊以及數據采集與處理完成快速檢測的功能，模塊之間只存在數據傳遞，不存在相互制約。如圖5所示。

4.2.2 信息融合程序流程與煤炭質量結果判斷

煤阻抗信息融合算法流程與煤炭質量結果判斷如圖6所示[7]。

其中Z表示煤阻抗信息的融合定值，構建煤質檢測信息融合模型時，需要進行標定實驗，采用插桿式傳感器得到待檢測的煤質含水率，數據預處理之后將較大的誤差進行去除，得到煤阻抗的信息融合值Z。對煤質結果進行判斷，需要獲得煤水分含量以及插桿式傳感器的電壓值，經過濾波后將水分含量與測量值帶入到回歸方程中，計算融合值，通過串口將融合之傳到上位機中，然后上位機對檢測結果進行判斷。

5 煤質快速檢測系統在煤質檢驗中的實驗驗證

完成硬件設計與軟件設計之后，需要對系統進行調試，在保證系統功能完整的情況下，對煤炭質量進行判斷。對系統模塊調試完成后，下載程序到單片機中，對系統進行測試。硬件部分一般出現的故障為元件失效或者短路等，進行系統組裝時要檢查是否存在短路、插座引腳連接是否正確;電氣連接是否正確，按照設計圖排除線路故障。在IAR5.30平臺上對系統軟件進行測試，根據警告的信息進行修改。

系統重復性是在同一種工作條件下進行多次測量所得的誤差，重復性越好說明進度越高。對煤炭進行檢測時，先取一份沒有任何雜質的煤炭，在室內的溫度條件下每隔10分鐘對需要抽檢的煤炭進行檢測，檢測的方法是使用煤質快速檢測系統，將插桿式傳感器擦拭干凈后插入到煤炭中，記錄傳感器檢測煤炭的電壓值，檢測十次并記錄傳感器的數據，記錄傳感器檢測的重復性。煤炭樣品在常溫條件下的測量數據如表1所示。

根據表1可得，傳感器的重復性平均為：3.85%，檢測重復性良好[8]。

6結束語

煤作為工業需求的主要能源之一，煤炭中摻有雜質將會對工業生產以及安全帶來極大的危害，造成工程設備損壞甚至報廢，通過分析現有的煤質檢測技術的不足之處，提出了一種基于傳感器檢測的快速檢測智能系統，實驗數據證明，煤炭品質的好壞與煤的交流阻抗值有較大的差別，煤炭數據的采集與結果的判斷需要通過通信進行實現，通過串口與下位機的連接實現相互之間的通信，對每一次檢測的結果進行記錄，構建非線性回歸信息融合模型消除水分含量對煤質檢測的影響，提高煤質檢測的準確度。

參考文獻：

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