劉永濤，劉 佳，馬尚權(quán)，邸 煒

(華北科技學院，北京 東燕郊 101601)

如何準確快速地測定煤層原始瓦斯含量，是煤礦瓦斯防治領(lǐng)域多年研究的課題。煤層瓦斯含量是確定瓦斯涌出量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是礦井瓦斯抽放設(shè)計和礦井通風設(shè)計的重要參數(shù)之一。現(xiàn)有的測量設(shè)備存在著功能不完備、智能化程度不高等問題。因此設(shè)計和研制一款高性能的煤層瓦斯含量測試儀具有重要的理論意義和實用價值［1］。

本文主要介紹了基于微機電系統(tǒng)(MEMS)流量傳感器FS4001－200－CV－CH4的煤層瓦斯解吸記錄儀的研究與設(shè)計方法。實現(xiàn)了對微量、低壓損氣體的體積及流速的測量。

上位機軟件設(shè)計采用VC++進行程序開發(fā)，完成了線性擬合及基于非線性最小二乘法的曲線擬合設(shè)計，從而對下位機數(shù)據(jù)做進一步精確運算和后期處理。

1 FS4001－200－CV－CH4氣體流量傳感器的基本原理

FS4001是應用微機電系統(tǒng)(MEMS)芯片傳感技術(shù)，在硅芯片上集成了具有機械和電子特征的微米級熱膜式傳感器。它并不是簡單地將機械和電子功能微縮在芯片上，而是采用了現(xiàn)代材料制作技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合獲得新的特性。微機電系統(tǒng)芯片可獲得某些宏觀機電器件所不能達到的功效。

熱膜式氣體流量傳感器是利用熱傳導和熱耗散的原理制成的。傳感器采用了熱質(zhì)量氣體流量傳感芯片，屬于質(zhì)量流量傳感方式的流量計。它通過氣體流動產(chǎn)生的熱場變化來測量氣體流量。這個變化量與流體的流速、加熱電流、熱膜的表面溫度等因素有關(guān)。從這些關(guān)系中可導出熱膜散失的熱量Q與流體的速度v之間的關(guān)系［2］。由于不同質(zhì)量的氣體對熱場的變化具有不同的影響，因此，該傳感器所測量的流量為質(zhì)量流量，因而不需溫度壓力抵償。同時，由于采用了多傳感器和微熱源技術(shù)，使其還具備了優(yōu)良的零點穩(wěn)定性、響應時間短以及低壓損等特性［3－4］。

不同于其它MEMS傳感技術(shù)，F(xiàn)S4001在單個傳感芯片上集成多個傳感器。芯片表面采用具有高導熱性能的陶瓷材料鈍化處理，在保證傳感器有極小的始動流量的同時，避免傳感器與氣體介質(zhì)直接接觸以提高其可靠性。當沒有氣體介質(zhì)流過MEMS傳感器芯片時，傳感器周圍保持穩(wěn)定的溫度場(溫度分布)。當氣體介質(zhì)流過傳感器芯片時，溫度場因為流體介質(zhì)帶走熱量導致局部溫度重分布［5－6］。測量原理如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理圖

這種局部溫度場變化取決于流體介質(zhì)的質(zhì)量及流速。集成在芯片上的傳感器對此溫度分布進行測量，通過校準，專門設(shè)計的信號處理電路將介質(zhì)質(zhì)量流速換算成與體積流速成線性關(guān)系的電壓值輸出［7］。

2 預測系統(tǒng)功能的研究

瓦斯含量記錄儀的設(shè)計采用了較科學的解吸法。解吸法的步驟是利用普通煤芯管鉆取煤芯，當煤芯提出孔口后，用密封罐采集含瓦斯煤樣，利用解吸儀測定樣煤瓦斯解吸量隨時間變化的規(guī)律，并根據(jù)樣煤暴露時間計算采樣過程中損失的瓦斯量，然后將測完解吸規(guī)律的樣煤密封罐送到實驗室，測定煤芯中殘存瓦斯含量。在進行溫度和壓強校正后，用解吸瓦斯量(包括解吸量與損失量)與殘存瓦斯量的總和，除以煤芯重量，即得出煤的瓦斯含量。此方法測定煤層瓦斯含量適應于在地質(zhì)勘探鉆孔中采取煤芯測定煤層瓦斯含量及瓦斯成分。

具體步驟為:首先從通過煤芯管煤層鉆取樣煤，樣煤瓦斯含量包括粉碎前的瓦斯解吸數(shù)據(jù)(第一次測定過程，此過程需要測量粉碎前煤樣瓦斯解吸量Q2和損失瓦斯量Q1)和粉碎后的解吸數(shù)據(jù)(第二次測定過程，此過程測定粉碎后瓦斯解吸量Q3)。其中Q2的解吸速率滿足如圖2所示的規(guī)律形狀，系統(tǒng)利用這些數(shù)據(jù)采用以下公式進行擬合。

式中，Vt——解吸時間為t時瓦斯解吸速率，ml/min;

圖2 解吸率曲線圖

V0——解吸時間開始(t=0)時刻煤的瓦斯解吸速率，ml/min;

k——常數(shù)。

然后處理器根據(jù)實測數(shù)據(jù)Q2的值，擬合出系數(shù)V0和k，代回公式得到Vt的表達式，根據(jù)系數(shù)已知的公式推算暴露時間段內(nèi)瓦斯的損失量Q1。最后測量粉碎開始到解吸結(jié)束時間內(nèi)總的累積解吸量Q3，當解吸量小于1 ml/min時，儀表自動結(jié)束Q3的測量，處理并保存數(shù)據(jù)。

總的瓦斯含量計算:

Q含量——煤層瓦斯含量，ml/g;

Q1——損失瓦斯量，ml;

Q2——煤樣粉碎前解吸瓦斯量，ml;

Q3——煤樣粉碎后解吸量，ml;

M——所取煤樣總質(zhì)量，g;

M0——粉碎用煤樣的質(zhì)量，g。

按此公式計算時，只需通過儀表鍵盤輸入樣煤總質(zhì)量M以及粉碎樣煤質(zhì)量M0，即可推導出總的瓦斯含量Q總。

數(shù)據(jù)處理結(jié)束Q1、Q2、Q3和Q總的數(shù)值能隨時查詢并顯示，累計解吸量隨時間變化的解吸速率曲線能查詢并顯示［8］。

3 下位機設(shè)計

系統(tǒng)采用MSP430F149混合信號處理器作為主控制器，配合FS4001氣體質(zhì)量流量傳感器完成瓦斯含量的測試。整體功能電路包括MCU處理模塊、鐵電存儲模塊、時鐘模塊、鍵盤模塊、LCD顯示模塊、USB通信模塊等單元電路［9］。

系統(tǒng)采用了單元電路設(shè)計，集成度較高。這就保證了儀表的穩(wěn)定性，但也增加了系統(tǒng)軟件設(shè)計的難度。儀器設(shè)計核心和難點是由Q2的各點數(shù)據(jù)擬合推導Q1的數(shù)值以及Q2解吸速率的曲線繪制。

由于處理器的運算能力有限，在Q1的數(shù)據(jù)擬合過程當中不能運用全部Q2的數(shù)值來準確擬合出Q1的數(shù)值。所以系統(tǒng)采取了就近法則，根據(jù)最初始的三個數(shù)值點帶入冪函數(shù)Vt=V0(1+t)－k列方程組，從而求出起始速率V0和時間常數(shù)k。再使t分別等于1、2、3將V0和帶入公式，最終求得數(shù)據(jù) V1、V2、V3的值，由此推導出 Q1的結(jié)果。

系統(tǒng)程序編制難點和核心集中在LCD曲線擬合顯示，數(shù)據(jù)擬合以及多菜單界面操作的設(shè)計。

4 上位機擬合預測算法數(shù)據(jù)比較

將同組數(shù)據(jù)，通過下位機USB端口傳入智能瓦斯含量預測系統(tǒng)上位機進行觀察。運行上位機軟件，設(shè)置COM端口和波特率，選擇數(shù)據(jù)擬合算法。從儀表上輸入待上傳的數(shù)據(jù)組別，運行上傳菜單。上位機首界面如圖3所示。

軟件采用了兩種數(shù)據(jù)擬合處理方法，傳統(tǒng)曲線擬合和非線性最小二乘法擬合。通過兩種方法測試，多元線性回歸系數(shù)分別為0.991308和0.988942，由此產(chǎn)生的擬合誤差均控制在了2%以內(nèi)。后面處理在選擇好的相似度曲線后，輸入具體測試點編號和M、M0的值進行數(shù)據(jù)處理，即可得出需要結(jié)果并保存到數(shù)據(jù)庫當中。測量數(shù)據(jù)Q2和擬合數(shù)據(jù)Q1可通過首界面導出，曲線分布圖可直接復制或打印。

在查看數(shù)據(jù)界面，進行數(shù)據(jù)查詢過程當中可以設(shè)定按地點、時間、Q總閾值進行單獨或綜合查詢。將需要研究分析的數(shù)據(jù)直接以圖形打印或者導出到Excel表格中。導出數(shù)據(jù)見圖4所示，其中擬合1為分段曲線擬合數(shù)據(jù)，擬合2為最小二乘法曲線擬合數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

圖3 上位機數(shù)據(jù)擬合處理界面

圖4 數(shù)據(jù)查詢界面

本儀器的設(shè)計具有體積小、重量輕、時效性好的特點。當氣體解吸量小于1ml/min時，能夠自動完成數(shù)據(jù)保存處理，無需人員介入，實現(xiàn)了設(shè)備的智能化操作。系統(tǒng)通過多種軟硬件優(yōu)化來降低功耗，可以滿足長時間、多組別測試。儀表通過USB口與電腦連接，數(shù)據(jù)傳輸準確穩(wěn)定，操作方便。設(shè)計對現(xiàn)有儀器無法顯示曲線、不能進行直接的邏輯擬合和推導總瓦斯解吸量等缺點進行了研究改進。儀表的成功研制對井下煤層瓦斯含量快速測量提供了良好的科學手段和支撐。

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