煤炭開采過程中產(chǎn)生的CH₄,、CO、CO₂,、SO₂等有害氣體是礦井安全的極大隱患,。其中CH₄、CO含量多,，幾乎不溶于水,，屬于易燃易爆氣體[1]。CH4俗稱瓦斯,，是在煤的形成過程中產(chǎn)生并大量?jī)?chǔ)存于煤層之中的氣體,，達(dá)到一定濃度時(shí)便會(huì)引起爆炸，是煤礦井下危害性最大的氣體,。這些危害性氣體的濃度及其他爆炸參數(shù)能否得到精確檢測(cè),，直接關(guān)系到井下人員的生命安全，因此,，對(duì)檢測(cè)設(shè)備性能要求較高,。
    針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有便攜式測(cè)爆儀的缺陷，研制了一種新型便攜式爆炸氣體檢測(cè)儀,。該裝置利用氣相色譜法提高CH4氣體濃度檢測(cè)精度,，能根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)氣體濃度自動(dòng)修正，而且采用新的火區(qū)多組分氣體爆炸性區(qū)域劃分方法,，徹底避免火區(qū)封閉及啟封情況下出現(xiàn)的爆炸危險(xiǎn),，能根據(jù)封閉區(qū)體積和當(dāng)前氣體濃度，直接給出漏風(fēng)條件下消除火區(qū)爆炸危險(xiǎn)的惰化參數(shù)，而且可以根據(jù)氣體濃度采樣值的變化趨勢(shì),，預(yù)測(cè)下段時(shí)間的氣體濃度,。它還具有完備的自檢功能，對(duì)故障能及時(shí)報(bào)警,，具有低功耗,、高性能的優(yōu)點(diǎn)。
1 系統(tǒng)原理
    利用空氣泵將待測(cè)氣體抽入傳感器所在腔體,，待測(cè)氣體數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)后由TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換單元將該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，同時(shí)溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，DSP根據(jù)溫度值對(duì)各傳感器所測(cè)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償,、修正,，DSP依據(jù)各傳感器濃度計(jì)算公式算出所測(cè)氣體濃度，判斷采樣氣體有無(wú)爆炸危險(xiǎn),，并在液晶顯示面板上顯示當(dāng)前氣體濃度與爆炸三角形的關(guān)系,，若達(dá)到報(bào)警值則通過聲光報(bào)警單元報(bào)警。DSP也可將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-232接口電路送至PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。
2 硬件電路
2.1 放大濾波電路
    僅以甲烷檢測(cè)部分為例,，甲烷紅外傳感器IR12BD包括氣體檢測(cè)信號(hào)及參考信號(hào)兩個(gè)正弦脈動(dòng)信號(hào)，輸出信號(hào)小,，且夾雜干擾信號(hào),，所以需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，以得到精確的檢測(cè)信號(hào),。甲烷紅外傳感器放大濾波電路如圖1所示[2],。

2.2 溫度傳感器接口
    溫度會(huì)影響爆炸三角形的確定，且各傳感器測(cè)量結(jié)果都要根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償,，因此要求準(zhǔn)確測(cè)量礦井溫度,。傳統(tǒng)溫度測(cè)量方法是采用熱電耦測(cè)量，此方法反映慢,、測(cè)量誤差大、安裝調(diào)試復(fù)雜,，且不便于遠(yuǎn)距離傳輸,。
    本設(shè)計(jì)采用DSP控制DS18B20完成溫度測(cè)量。DS18B20是單總線溫度傳感器,能通過通信接口直接輸出被測(cè)溫度值,，輸出為9～12 bit的二進(jìn)制數(shù)據(jù),，溫度分辨率達(dá)0.062 5 ℃，體積小,、功能強(qiáng),、使用方法簡(jiǎn)單,適用于便攜式裝置。DS18B20測(cè)量范圍是-55 ℃～+125 ℃，數(shù)字溫度輸出可進(jìn)行9～12 bit的編程,，有3個(gè)引腳,，分別為+5 V電壓端、數(shù)據(jù)傳輸端和地端,。本裝置將數(shù)據(jù)輸出端與DSP的GPIOB10引腳直接相連,。
2.3 鐵電存儲(chǔ)電路
    鐵電存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)每次氣體濃度測(cè)量結(jié)果、監(jiān)視電池電壓,、產(chǎn)生硬件看門狗并提供系統(tǒng)時(shí)鐘,。其擴(kuò)展電路如圖2所示。

2.4 鍵盤電路
    利用鍵盤按鍵控制是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)調(diào)試,、數(shù)據(jù)調(diào)整和各種參數(shù)設(shè)置最常用的方法,。本裝置機(jī)殼上配有5個(gè)按鍵，分別為電源,、菜單,、整定,、移位和調(diào)整數(shù)據(jù)鍵,，可對(duì)測(cè)爆儀實(shí)時(shí)控制。其中電源鍵實(shí)現(xiàn)了裝置的一鍵開/關(guān)機(jī)并具有短路保護(hù)功能,。
2.5 系統(tǒng)電源
    本系統(tǒng)著眼于便攜式測(cè)爆儀,，故采用電池供電，用6塊+1.2 V礦用可充電鎳氫電池串聯(lián)組成+7.2 V電池組作為電源,。裝置各部分分別需要±5 V,、6 V、3.3 V,、1.8 V的電壓為運(yùn)放,、紅外甲烷傳感器、二氧化碳傳感器及DSP供電,。圖3為以+5 V,、+6 V電壓供電的電路圖。

    通過公式VOUT=VREF(R1+R2)/R1計(jì)算輸出電壓,，其中VREF為1.2 V,，R1為MAX603的輸出端和可調(diào)端間加的電阻，R2為可調(diào)端和地間的電阻,。通過合理配置R32,、R31阻值即可得到+6 V電壓。另外,，利用ICL7660S和AMS1117產(chǎn)生-5 V,、3.3 V電壓,。
2.6 聲光報(bào)警電路
    若測(cè)爆裝置測(cè)出混合氣體有爆炸危險(xiǎn)，則蜂鳴器鳴叫,，同時(shí)紅色指示燈閃爍報(bào)警,。DSP的GPIOB09輸出端控制Alarm，當(dāng)有爆炸危險(xiǎn)時(shí),，輸出低電平,，三極管Q5導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警,，同時(shí)AlarmLight控制的報(bào)警指示燈點(diǎn)亮,。其電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件設(shè)計(jì)流程
    軟件設(shè)計(jì)包括：初始化程序設(shè)計(jì),、儀表調(diào)試模塊,、人機(jī)交互模塊軟件實(shí)現(xiàn)、傳感器采集模塊,、爆炸三角形判斷,、惰性參數(shù)計(jì)算、氣體濃度預(yù)測(cè),。圖5為流程圖,。

3.2 爆炸趨勢(shì)預(yù)測(cè)算法
    爆炸趨勢(shì)預(yù)測(cè)要求根據(jù)氣體濃度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)下一段時(shí)間的氣體濃度，判斷氣體爆炸的可能性,，及時(shí)提醒井下人員做好預(yù)防措施[3],。下面介紹用正交多項(xiàng)式最小二乘法曲線擬合的方法實(shí)現(xiàn)爆炸趨勢(shì)預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)性判斷,。
    
其中,，T1為第一次測(cè)量時(shí)間，Tn為第n次測(cè)量時(shí)間,，n為測(cè)量次數(shù),。
4 爆炸危險(xiǎn)性判定
    新的爆炸三角形分區(qū)圖（圖6）中， B為爆炸下限,，C為爆炸上限,，ECO2為摻入CO2時(shí)失爆臨界點(diǎn)，EN2為摻入N2時(shí)失爆臨界點(diǎn),，BE為爆炸下限界線,，CE為爆炸上限界線，F(xiàn)E為失爆氧濃度線,，ED為失爆瓦斯?jié)舛染€。
    根據(jù)圖6,，可按新的方法把混合氣體濃度范圍劃分成4個(gè)區(qū),， 2區(qū)與4區(qū)的劃分與傳統(tǒng)的分區(qū)有所區(qū)別,。不同區(qū)域可采用與其相應(yīng)的防爆措施[4]。

    1區(qū)：△BCE—可爆區(qū)（即爆炸三角形),，可注入惰性氣體或新鮮空氣,，使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入2區(qū)或4區(qū)，失去爆炸性,。
    2區(qū)：△BEF—甲烷濃度過低不爆區(qū),，但摻入甲烷可進(jìn)入爆炸區(qū)（如封閉火區(qū)時(shí))，可向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體,，使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入4區(qū)后再封閉,，以防止瓦斯爆炸。
    3區(qū)：甲烷濃度過高不爆區(qū),，但摻入空氣可進(jìn)入爆炸區(qū)（如火區(qū)啟封時(shí)),，可先向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入4區(qū)后再啟封通風(fēng),，可防止瓦斯爆炸,。
    4 區(qū)：失爆區(qū)（氧氣和甲烷濃度都過低不爆區(qū)），摻入空氣可進(jìn)入2區(qū)不爆,，摻入甲烷可進(jìn)入3區(qū)不爆,。
    這種劃分方法對(duì)火區(qū)的密閉與啟封有重要意義。如正?；饏^(qū)的氣體位于2區(qū),，封閉火區(qū)時(shí)，由于切斷供風(fēng),，火區(qū)內(nèi)可爆氣體濃度逐漸增加,，氧濃度減小，當(dāng)甲烷濃度與氧濃度的坐標(biāo)點(diǎn)落入△BCE區(qū)時(shí),，可能會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸,。因此，可先向火區(qū)注入惰性氣體,，使火區(qū)氣體狀態(tài)點(diǎn)由2區(qū)移到4區(qū)失去爆炸性,，然后再封閉，可進(jìn)入3區(qū),，并可根據(jù)火區(qū)的范圍計(jì)算出需要注入惰氣的體積,。還應(yīng)判斷預(yù)測(cè)點(diǎn)是否在爆炸三角形內(nèi)。如在三角形內(nèi),，則進(jìn)行聲光報(bào)警,，警示井下操作人員，提前做好防爆,。
5 抗干擾措施
    本裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采取了很多措施以提高硬件的抗干擾性能,。例如：印刷電路板采用四層板結(jié)構(gòu),，分別為器件布線層、底層,、電源層,、布線層；有完整的地層,，信號(hào)回路阻抗很小,，差模干擾較低；元件電源管腳就近對(duì)地加去耦電容,，該電容能提高數(shù)字信號(hào)突變時(shí)的電流,，對(duì)模擬信號(hào)起濾波作用[5]；布線時(shí)在重要的高速信號(hào)線周圍鋪設(shè)地線,，減少信號(hào)間的互相干擾,。
6 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
    本裝置功能包括：測(cè)量氣體濃度及環(huán)境溫度、判斷爆炸可能性,、聲光報(bào)警,、記錄10次測(cè)試結(jié)果且掉電不丟失、校正傳感器,、設(shè)定時(shí)鐘和人機(jī)界面顯示,。據(jù)此設(shè)計(jì)出如下試驗(yàn)[6]：
    (1)測(cè)試時(shí)鐘功能試驗(yàn)。給傳感器設(shè)定當(dāng)前時(shí)間,，在測(cè)爆儀關(guān)機(jī)的情況下,，測(cè)試72 h時(shí)鐘誤差。測(cè)試結(jié)果表明,，誤差小于1 s,，說(shuō)明裝置中使用FM31256內(nèi)嵌時(shí)鐘滿足要求。
    (2)人機(jī)界面顯示測(cè)試試驗(yàn),。找非設(shè)計(jì)人員操作此裝置,，觀察人機(jī)界面顯示情況，多人操作后未見異常,。
    (3)傳感器校正試驗(yàn),。本安型便攜式測(cè)爆儀用于井下氣體濃度的檢測(cè)，使用前需校正,。校正方法為：在氣體濃度為零(純氮?dú)?,、環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，記錄各種氣體A/D采樣值,。4種氣體中CH4輸出的信號(hào)為4 Hz的正弦脈動(dòng)信號(hào),，其他氣體輸出信號(hào)為直流信號(hào)。對(duì)于直流脈動(dòng)信號(hào)采用傅氏級(jí)數(shù)算法計(jì)算其峰—峰值,，對(duì)其他直流信號(hào)采用去極值取平均數(shù)的濾波算法計(jì)算采樣值,。將這些值作為定值存儲(chǔ)在定值器件中,。當(dāng)氣體濃度達(dá)到測(cè)量范圍的滿刻度(CH₄：20%，CO：0.05%,，CO2：1%，O2：21%)且環(huán)境溫度為25 ℃時(shí),，記錄各種氣體A/D采樣值,，并存儲(chǔ)到定值器件中。
    測(cè)量范圍內(nèi)的其他氣體濃度時(shí),，可根據(jù)上述存儲(chǔ)值,，在對(duì)A/D采樣值進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，計(jì)算相應(yīng)的氣體濃度,。
    在氣體濃度為0%及滿刻度時(shí)測(cè)試采樣值8次,，結(jié)果如表1和表2。

    試驗(yàn)結(jié)果中,，雖然每次測(cè)試結(jié)果都有誤差,，但誤差<1%，可以滿足要求,。誤差為電氣元件及地與電源平面有雜波所致,。
    (4)測(cè)量氣體濃度、環(huán)境溫度試驗(yàn)和判斷爆炸可能性及聲光報(bào)警試驗(yàn),。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)了常溫下,，氣體濃度分別處于1區(qū)、2區(qū),、3區(qū),、4區(qū)時(shí)的試驗(yàn)條件。
    從結(jié)果可知,，紅外線甲烷傳感器有穩(wěn)定的單向誤差,，可通過軟件使之縮小，精度較理想,，這與甲烷4 Hz的正弦輸出信號(hào),、軟件采用本身具有濾波功能的傅氏算法計(jì)算峰&mdash;峰值有關(guān)。氧氣,、一氧化碳 ,、二氧化碳傳感器輸出信號(hào)受溫度影響，有非線性和誤差,，但總體測(cè)量精度較高,，判斷區(qū)間準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),。當(dāng)氣體濃度處于1區(qū)時(shí),，裝置發(fā)出聲光報(bào)警,。
    (5)測(cè)試記錄掉電不丟失試驗(yàn)。測(cè)爆儀開機(jī)時(shí),，檢查測(cè)試記錄是否正確,；關(guān)機(jī)后再開機(jī)檢查記錄是否正確；關(guān)機(jī)并將電池拆除一段時(shí)間后,，再供電開機(jī),，檢查記錄是否正確；測(cè)試結(jié)果均正確,。
    本設(shè)計(jì)的本安型便攜式測(cè)爆儀的主板,、傳感器、液晶顯示均能可靠工作,，性能參數(shù)也達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，軟硬件都具備一定的抗干擾能力。
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