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摘要：針對煤礦用甲烷傳感器檢測勞動強度大、工作效率低、安全性差等問題，設(shè)計了一套礦用甲烷傳感器標(biāo)校測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件是將各個檢測模塊進行電氣化改造。系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器作為軟件開發(fā)平臺。通過試驗驗證，設(shè)計的礦用甲烷傳感器標(biāo)校系統(tǒng)可實現(xiàn)檢測的自動化、精確化和安全化，能夠降低勞動強度、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)人民群眾的生命財產(chǎn)安全，是全國安全生產(chǎn)的重中之重[1]。全面推行危險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，整個煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)才可以實現(xiàn)準確的測量和檢測數(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，針對礦用甲烷傳感器的檢測檢驗就顯得尤為重要。但是針對礦用甲烷傳感器的檢測檢驗工作勞動強度大、工作效率低、安全性差的問題，設(shè)計了一套礦用甲烷傳感器標(biāo)校系統(tǒng)。該標(biāo)校系統(tǒng)可實現(xiàn)檢測的自動化、精確化和安全化，能夠降低勞動強度、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，利用其進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(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，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)存儲與調(diào)用為一體的標(biāo)校平臺。實現(xiàn)了礦用甲烷傳感器的快速、準確、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

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)、上位機等組成。按照礦用甲烷傳感器的檢測檢驗要求進行系統(tǒng)設(shè)計，以礦用甲烷傳感器作為被測對象，在對標(biāo)校裝置整體機構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了礦用甲烷傳感器標(biāo)校系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。其中，氣瓶選用騰龍公司的標(biāo)準一級氣體。減壓閥選擇費斯通生產(chǎn)的二級減壓閥，用于瓶體的壓力控制。過濾閥門用于氣體介質(zhì)過濾，為了確保進行檢測校準氣樣中的高純凈度，提高檢測檢驗的準確性。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，可通過軟件進行高步進精度控制，以達到準確測量。同時選用研華的數(shù)據(jù)采集卡，作為傳感器以及閥體的數(shù)據(jù)上采工作。上位機選用研華的工控機，實現(xiàn)人機交互。同時還設(shè)置硬件手動結(jié)構(gòu)，當(dāng)軟件系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了不影響檢測檢驗工作，還可以采用手動方式進行操作，增加礦用傳感器檢測檢驗的靈活性。針對已有礦用甲烷傳感器的型號和種類，對應(yīng)的標(biāo)準氣體種類、測量的量程、檢驗所需的氣體流量各有不同，為了方便檢測檢驗人員操作，系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對被測傳感器類型進行系統(tǒng)維護。針對礦用甲烷傳感器檢測的整個測試過程，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傳感器濃度進行換算，待采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，再進行數(shù)據(jù)存儲和報表與數(shù)據(jù)自動關(guān)聯(lián)。根據(jù)標(biāo)準氣濃度進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)實現(xiàn)傳感器性能判定，以此來達到礦用甲烷傳感器的快速、準確、穩(wěn)定檢測。

2系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計原則一是結(jié)構(gòu)清晰，層次分明、各層內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，易維護，易查錯；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到快速、高效率的測試效果，不僅要有合理設(shè)計和選用硬件電路之外，而且還要有較高質(zhì)量的運行軟件來對各個硬件部分進行有效的控制和管理工作。整個檢測系統(tǒng)應(yīng)用軟件及測試用例使用NI公司的LabVIEW2020進行開發(fā)設(shè)計，軟件運行環(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)計時運用由上而下的設(shè)計思想，并采用了模塊化和層次化的設(shè)計方法。根據(jù)系統(tǒng)的總體要求和性能參數(shù)，將系統(tǒng)軟件劃分成幾個不同的功能模塊，然后再將各個功能模塊逐步分解成為單獨的模塊。標(biāo)校流程圖如圖2所示。在進行傳感器標(biāo)校時，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，然后對被測傳感器以及通道參數(shù)進行設(shè)計，接下來需要確認氣路是否處于可運行狀態(tài)，開始校驗。如果校驗過程中發(fā)現(xiàn)有偏離，然后返回氣路再次確認后，重復(fù)校驗工作。校驗合格或不合格后進行數(shù)據(jù)的存儲和報告打印工作，標(biāo)校流程就進行完畢了。在檢驗的過程中，還應(yīng)該注意被測傳感器的類型，在進行參數(shù)設(shè)置和通道選擇時，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)置氣流流量和時間，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進行檢測工作。

3甲烷傳感器標(biāo)校試驗方法

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)準要求，針對傳感器檢測檢驗有著明確的環(huán)境要求，確保檢測過程和數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，其檢驗環(huán)境條件如下：(1)溫度：(15~35)℃。(2)相對濕度：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被測傳感器測量準確度的一個衡量，是表征其質(zhì)量好壞的關(guān)鍵性參數(shù)，同時也是煤礦安全的關(guān)鍵性指標(biāo)參數(shù)。其檢驗流程如下，首先要給被測甲烷傳感器進行通電，讓其穩(wěn)定工作以后，再按照標(biāo)準規(guī)定的流量，用壓縮空氣的標(biāo)準氣體校準傳感器3次，等待傳感器零點在潔凈空氣中穩(wěn)定以后，按標(biāo)準規(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)準甲烷氣體各3分鐘，同時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)準氣樣的差值作為基本誤差的測量值。軟件基本誤差試驗算法如圖3所示。

3.3響應(yīng)時間測定傳感器響應(yīng)時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行通電，讓其穩(wěn)定工作以后，再按照標(biāo)準規(guī)定的流量，用壓縮空氣的標(biāo)準氣體校準傳感器等待傳感器零點在潔凈空氣中穩(wěn)定以后，通入傳感器測量范圍的2.0%甲烷標(biāo)準氣樣，記錄儀器顯示值達到標(biāo)準氣體90%濃度時的時間，重復(fù)3次，取其平均值。響應(yīng)時間試驗算法如圖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)定可靠運行的關(guān)鍵性測試項目。具體的檢測方法如下，首先把適檢的傳感器放置在穩(wěn)定性試驗裝置中，在穩(wěn)定箱中連續(xù)通入0.5%的標(biāo)準甲烷氣體運行12h，然后再按標(biāo)準規(guī)定流量依次通入壓縮空氣和1.5%的標(biāo)準甲烷氣體各3min，記錄顯示值和輸出信號值，然后在空氣中連續(xù)運行12h后，按標(biāo)準流量通入1.5%的標(biāo)準甲烷氣樣3min，記錄顯示值和輸出信號值。連續(xù)試驗15d，試驗期間不能調(diào)整被測傳感器的狀態(tài)。工作穩(wěn)定性試驗算法如圖5所示。3.5風(fēng)速影響試驗把適檢的傳感器放置在風(fēng)洞之中，在風(fēng)流為零時對被測甲烷傳感器的基準進行記錄，同時記錄顯示值，啟動風(fēng)機，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，尋找其受風(fēng)速影響的點位位置，固定此位置，每30s記錄1次指示值，共記錄3次，取其算數(shù)平均值和基準點的差值作為漂移量。在這個過程中，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出發(fā)，為了提高檢測效率、降低勞動強度、提升甲烷傳感器的檢測安全性問題，設(shè)計了一套礦用甲烷傳感器標(biāo)校測試系統(tǒng)。（2）設(shè)計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、采集卡以及工控機進行了電氣化改造。軟件應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)和測控技術(shù)，根據(jù)檢測檢驗要求，針對不同型號類別的甲烷傳感器進行了標(biāo)校軟件設(shè)計，形成檢測檢驗的上位機人機交互系統(tǒng)。（3）針對礦用甲烷傳感器的典型試驗，基本誤差測定、相應(yīng)時間測定、工作穩(wěn)定性測定試驗以及風(fēng)速影響試驗進行了詳細的描述，分步驟對檢測檢驗過程進行了分析以及檢測過程中的注意事項，并給出了軟件后臺運行程序。（4）通過實驗驗證，設(shè)計的礦用甲烷傳感器標(biāo)校測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)礦用甲烷傳感器的快速、準確、穩(wěn)定、安全檢測，提高了檢測效率。

作者:謝文強 單位:中煤科工集團西安研究院有限公司