一種電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標測定儀的設計

李柏均

摘要：本研究針對現有機械式煤鉆屑瓦斯解吸指標測定儀存在的操作復雜、井下人工讀數誤差大和測定數據無法保存并，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，優化了手動閥的設計，提高了測定精度和自動化程度，操作簡單，在煤礦現場應用效果良好，相比老儀器取得了較大的提高。

[關鍵詞]煤鉆屑瓦斯解吸指標機械式電子式壓差傳感器無線上傳

提前進行煤與瓦斯突出危險性的預測并采取相應的防突措施，是避免發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△h2值是預測煤與瓦斯突出危險性的重要指標，也是《防治煤與瓦斯突出規定》中要求的礦井預測工作面煤與瓦斯突出危險性的常用指標。

目前，市場上常見的煤鉆屑瓦斯解吸測定儀為純機械人工操作設計，主機測定操作步驟為：

（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;

（2）當煤樣暴露時間為3min時，迅速逆時針方向旋轉三通旋塞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末水柱計壓差讀數即為鉆屑瓦斯解吸指標△h2。

本文針對上述問題進行了分析，設計研制了一種電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標測定儀，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果，測定數據可保存并通過無線上傳;增加了電磁閥，改進了手動閥的設計，大大減輕了儀器操作復雜程度。

1電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標測定儀結構設計

新結構設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分鐘內放入解吸室中（有提示音），蓋上密封蓋旋轉擰緊密封即可。

具體改進設計為：首先就是將兩個獨立的兩通、三通旋塞進行融合設計，使其使用簡便，減少操作步驟，通過對這兩個獨立的旋塞操作步湊的分析，設計了只需一個動作就能達到要求的獨立閥門。再次將壓差傳感器、秒表融入到芯片內，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。然后將獨立二位四通閥，水柱，通氣電磁閥，壓差傳感器、秒表等結構和電路，整體嵌入便攜式外殼內;實現自動化改進。儀器主體結構設計如圖1。

2電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標測定儀電路設計

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，它采用ARMCortex內核，運算速度高達48MHz。STM32F030具有全套外設，包括高速12位ADC、先進且靈活的定時器、日歷RTC和通信接口，采用STM32F030的應用設計能夠隨時升級到STM32系列中的任何產品，并且工具和應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，具有模擬或數字輸出，包括多種適應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、溫度和非線性進行了充分的校準和溫度補償。本設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，數據傳輸接口為I2C接口，內部采樣為14位AD轉換，供電電壓為3.3VDC，低功耗設計。

2.3人機交互模塊

人機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，功能強大，穩定性好。屏幕功耗低，不帶背光1mW，帶背光不大于150mW。工作溫度寬，達到-20°C～70°C。

2.4無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用HC08藍牙傳輸模塊，其負責將測定數據無線傳輸給井下防爆手機，再由防爆手機傳送到地面中心電腦。無線工作頻段為2.4GHzISM，調制方式是GFSK。模塊最大發射功率為4dBm，接收靈敏度-93dBm，空曠環境下和手機可以實現80米超遠距離通信。模塊可貼片焊接，方便嵌入應用系統之內。模塊采用TI的CC2540芯片，配置256KByte空間，支持AT指令，可根據需要更改角色（主、從模式）以及串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數，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，測定儀設計為礦用本質安全型。其電源采用單節3.7V/1.4Ah容量鋰電池，再經過雙級限流、短路、過壓保護電路并澆封，經電壓變換電路變換為3.3V和6V電壓，供后續功能模塊、傳感器和電磁閥使用。電源設計滿足安標和井下防爆性能要求。

3電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標測定儀軟件設計

測定儀軟件設計采用嵌入式C語言編寫，軟件主要包括計時提示、電磁閥控制、數據采集計算顯示、無線發送、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閉電磁閥，并在測定結束時控制打開電磁閥。數據采集計算顯示模塊的主要功能是采集傳感器數據并計算出測定指標，然后顯示在屏幕上。無線發送模塊的主要功能是將測定結果通過藍牙無線發送給已配對好的手機APP，實現數據快速上傳的目的。儀器配置模塊主要是實現儀器傳感器校準、藍牙地址顯示、顯示背光控制等的輔助配置功能。

4應用及結果

新研制的電子式煤鉆屑瓦斯解吸指標測定儀在重慶松藻礦務局渝陽煤礦進行了現場試驗和應用。試驗方法為用新舊兩種儀器在井下8個地點對相應8組煤樣同時進行測定，測定后對比試驗結果。

通過井下對比試驗結果可以看出，電子式測定儀與機械式測定儀測出的△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，測定數據讀數輕松，數據存儲上傳也快捷簡單。

5討論

本研究對機械式煤鉆屑瓦斯解吸指標測定儀進行閥門優化設計和電子化改進，簡化了用戶測定操作，能自動測定、記錄并無線上傳指標值，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，也使得指標測定結果更為準確。儀器在煤礦現場應用效果良好，相比老儀器取得了較大的提高。

參考文獻

[1]AQ/T1065-2008鉆屑瓦斯解吸指標測定方法[S].北京：煤炭工業出版社，2009.

[2]STM32F030C8數據手冊[EB/0L].