井下爆炸性气体检测系统与爆炸预测的研究

摘  要： 针对煤矿井下安全的问题，设计了一种基于DSP2812的本安型便携式井下测爆仪。该系统由气体传感器、滤波放大及保护电路、A/D采样电路、声光报警电路、开关机电路、供电及充电电路、温度采样电路等组成，实现了爆炸趋势的预测，并可对预测数据进行爆炸危险性判断。
关键词： DSP2812；爆炸预测；声光报警；可视化；实时性

    煤炭开采过程中产生的CH₄、CO、CO₂、SO₂等有害气体是矿井安全的极大隐患。其中CH₄、CO含量多，几乎不溶于水，属于易燃易爆气体[1]。CH4俗称瓦斯，是在煤的形成过程中产生并大量储存于煤层之中的气体，达到一定浓度时便会引起爆炸，是煤矿井下危害性最大的气体。这些危害性气体的浓度及其他爆炸参数能否得到精确检测，直接关系到井下人员的生命安全，因此，对检测设备性能要求较高。
    针对国内现有便携式测爆仪的缺陷，研制了一种新型便携式爆炸气体检测仪。该装置利用气相色谱法提高CH4气体浓度检测精度，能根据环境温度对气体浓度自动修正，而且采用新的火区多组分气体爆炸性区域划分方法，彻底避免火区封闭及启封情况下出现的爆炸危险，能根据封闭区体积和当前气体浓度，直接给出漏风条件下消除火区爆炸危险的惰化参数，而且可以根据气体浓度采样值的变化趋势，预测下段时间的气体浓度。它还具有完备的自检功能，对故障能及时报警，具有低功耗、高性能的优点。
1 系统原理
    利用空气泵将待测气体抽入传感器所在腔体，待测气体数据经传感器转化为模拟电信号后由TMS320F2812的A/D转换单元将该信号进行模数转换，同时温度传感器对温度进行测量，DSP根据温度值对各传感器所测值进行温度补偿、修正，DSP依据各传感器浓度计算公式算出所测气体浓度，判断采样气体有无爆炸危险，并在液晶显示面板上显示当前气体浓度与爆炸三角形的关系，若达到报警值则通过声光报警单元报警。DSP也可将采集到的数据经RS-232接口电路送至PC机进行数据处理。
2 硬件电路
2.1 放大滤波电路
    仅以甲烷检测部分为例，甲烷红外传感器IR12BD包括气体检测信号及参考信号两个正弦脉动信号，输出信号小，且夹杂干扰信号，所以需要对该信号进行处理，以得到精确的检测信号。甲烷红外传感器放大滤波电路如图1所示[2]。

2.2 温度传感器接口
    温度会影响爆炸三角形的确定，且各传感器测量结果都要根据温度进行补偿，因此要求准确测量矿井温度。传统温度测量方法是采用热电耦测量，此方法反映慢、测量误差大、安装调试复杂，且不便于远距离传输。
    本设计采用DSP控制DS18B20完成温度测量。DS18B20是单总线温度传感器,能通过通信接口直接输出被测温度值，输出为9～12 bit的二进制数据，温度分辨率达0.062 5 ℃，体积小、功能强、使用方法简单,适用于便携式装置。DS18B20测量范围是-55 ℃～+125 ℃，数字温度输出可进行9～12 bit的编程，有3个引脚，分别为+5 V电压端、数据传输端和地端。本装置将数据输出端与DSP的GPIOB10引脚直接相连。
2.3 铁电存储电路
    铁电存储器用来存储每次气体浓度测量结果、监视电池电压、产生硬件看门狗并提供系统时钟。其扩展电路如图2所示。

2.4 键盘电路
    利用键盘按键控制是实现现场实时调试、数据调整和各种参数设置最常用的方法。本装置机壳上配有5个按键，分别为电源、菜单、整定、移位和调整数据键，可对测爆仪实时控制。其中电源键实现了装置的一键开/关机并具有短路保护功能。
2.5 系统电源
    本系统着眼于便携式测爆仪，故采用电池供电，用6块+1.2 V矿用可充电镍氢电池串联组成+7.2 V电池组作为电源。装置各部分分别需要±5 V、6 V、3.3 V、1.8 V的电压为运放、红外甲烷传感器、二氧化碳传感器及DSP供电。图3为以+5 V、+6 V电压供电的电路图。

    通过公式VOUT=VREF(R1+R2)/R1计算输出电压，其中VREF为1.2 V，R1为MAX603的输出端和可调端间加的电阻，R2为可调端和地间的电阻。通过合理配置R32、R31阻值即可得到+6 V电压。另外，利用ICL7660S和AMS1117产生-5 V、3.3 V电压。
2.6 声光报警电路
    若测爆装置测出混合气体有爆炸危险，则蜂鸣器鸣叫，同时红色指示灯闪烁报警。DSP的GPIOB09输出端控制Alarm，当有爆炸危险时，输出低电平，三极管Q5导通，蜂鸣器报警，同时AlarmLight控制的报警指示灯点亮。其电路如图4所示。

3 软件设计
3.1 软件设计流程
    软件设计包括：初始化程序设计、仪表调试模块、人机交互模块软件实现、传感器采集模块、爆炸三角形判断、惰性参数计算、气体浓度预测。图5为流程图。

3.2 爆炸趋势预测算法
    爆炸趋势预测要求根据气体浓度变化趋势预测下一段时间的气体浓度，判断气体爆炸的可能性，及时提醒井下人员做好预防措施[3]。下面介绍用正交多项式最小二乘法曲线拟合的方法实现爆炸趋势预测，并对预测数据进行爆炸危险性判断。
    
其中，T1为第一次测量时间，Tn为第n次测量时间，n为测量次数。
4 爆炸危险性判定
    新的爆炸三角形分区图（图6）中， B为爆炸下限，C为爆炸上限，ECO2为掺入CO2时失爆临界点，EN2为掺入N2时失爆临界点，BE为爆炸下限界线，CE为爆炸上限界线，FE为失爆氧浓度线，ED为失爆瓦斯浓度线。
    根据图6，可按新的方法把混合气体浓度范围划分成4个区， 2区与4区的划分与传统的分区有所区别。不同区域可采用与其相应的防爆措施[4]。

    1区：△BCE—可爆区（即爆炸三角形)，可注入惰性气体或新鲜空气，使其状态点进入2区或4区，失去爆炸性。
    2区：△BEF—甲烷浓度过低不爆区，但掺入甲烷可进入爆炸区（如封闭火区时)，可向封闭区内注入惰性气体，使其状态点进入4区后再封闭，以防止瓦斯爆炸。
    3区：甲烷浓度过高不爆区，但掺入空气可进入爆炸区（如火区启封时)，可先向封闭区内注入惰性气体，使其状态点进入4区后再启封通风，可防止瓦斯爆炸。
    4 区：失爆区（氧气和甲烷浓度都过低不爆区），掺入空气可进入2区不爆，掺入甲烷可进入3区不爆。
    这种划分方法对火区的密闭与启封有重要意义。如正常火区的气体位于2区，封闭火区时，由于切断供风，火区内可爆气体浓度逐渐增加，氧浓度减小，当甲烷浓度与氧浓度的坐标点落入△BCE区时，可能会发生瓦斯爆炸。因此，可先向火区注入惰性气体，使火区气体状态点由2区移到4区失去爆炸性，然后再封闭，可进入3区，并可根据火区的范围计算出需要注入惰气的体积。还应判断预测点是否在爆炸三角形内。如在三角形内，则进行声光报警，警示井下操作人员，提前做好防爆。
5 抗干扰措施
    本装置在设计时采取了很多措施以提高硬件的抗干扰性能。例如：印刷电路板采用四层板结构，分别为器件布线层、底层、电源层、布线层；有完整的地层，信号回路阻抗很小，差模干扰较低；元件电源管脚就近对地加去耦电容，该电容能提高数字信号突变时的电流，对模拟信号起滤波作用[5]；布线时在重要的高速信号线周围铺设地线，减少信号间的互相干扰。
6 试验结果与数据分析
    本装置功能包括：测量气体浓度及环境温度、判断爆炸可能性、声光报警、记录10次测试结果且掉电不丢失、校正传感器、设定时钟和人机界面显示。据此设计出如下试验[6]：
    (1)测试时钟功能试验。给传感器设定当前时间，在测爆仪关机的情况下，测试72 h时钟误差。测试结果表明，误差小于1 s，说明装置中使用FM31256内嵌时钟满足要求。
    (2)人机界面显示测试试验。找非设计人员操作此装置，观察人机界面显示情况，多人操作后未见异常。
    (3)传感器校正试验。本安型便携式测爆仪用于井下气体浓度的检测，使用前需校正。校正方法为：在气体浓度为零(纯氮气)、环境温度为25 ℃时，记录各种气体A/D采样值。4种气体中CH4输出的信号为4 Hz的正弦脉动信号，其他气体输出信号为直流信号。对于直流脉动信号采用傅氏级数算法计算其峰—峰值，对其他直流信号采用去极值取平均数的滤波算法计算采样值。将这些值作为定值存储在定值器件中。当气体浓度达到测量范围的满刻度(CH₄：20%，CO：0.05%，CO2：1%，O2：21%)且环境温度为25 ℃时，记录各种气体A/D采样值，并存储到定值器件中。
    测量范围内的其他气体浓度时，可根据上述存储值，在对A/D采样值进行温度补偿后，计算相应的气体浓度。
    在气体浓度为0%及满刻度时测试采样值8次，结果如表1和表2。

    试验结果中，虽然每次测试结果都有误差，但误差<1%，可以满足要求。误差为电气元件及地与电源平面有杂波所致。
    (4)测量气体浓度、环境温度试验和判断爆炸可能性及声光报警试验。根据实际应用情况设计了常温下，气体浓度分别处于1区、2区、3区、4区时的试验条件。
    从结果可知，红外线甲烷传感器有稳定的单向误差，可通过软件使之缩小，精度较理想，这与甲烷4 Hz的正弦输出信号、软件采用本身具有滤波功能的傅氏算法计算峰—峰值有关。氧气、一氧化碳 、二氧化碳传感器输出信号受温度影响，有非线性和误差，但总体测量精度较高，判断区间准确，达到了预期的目标。当气体浓度处于1区时，装置发出声光报警。
    (5)测试记录掉电不丢失试验。测爆仪开机时，检查测试记录是否正确；关机后再开机检查记录是否正确；关机并将电池拆除一段时间后，再供电开机，检查记录是否正确；测试结果均正确。
    本设计的本安型便携式测爆仪的主板、传感器、液晶显示均能可靠工作，性能参数也达到设计要求，软硬件都具备一定的抗干扰能力。
参考文献
[1] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社，2006.
[2] 张燕美，李维坚.本质安全电路设计[M].北京：煤炭工业出版社，1992.
[3] 童敬明．新型瓦斯传感器关键技术的研究[J]．中国矿业大学学报，2003．
[4] 周利华.矿井火区可燃性混合气体爆炸三角形判断法及其爆炸危险性分析[J].中国安全科学学报，2001，11(2)：47-51.
[5] [美]Clayton R.Paul著.电磁兼容导论[M].闻映红译.北京：人民邮电出版社，2007
[6] 李昌.便携式可燃气体测爆仪的应用实验[J].吉林石油化工，1991(2).