煤質(zhì)檢測中的煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)應(yīng)用及探討

馮利

摘? 要：煤作為一種重要的能源供給之一，煤炭品質(zhì)的好壞與企業(yè)的安全生產(chǎn)有著莫大聯(lián)系，如果煤炭中有煤矸石、泥土和礦渣等雜質(zhì)，將會給企業(yè)帶來較大的損失，我國的煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)目前還不夠完善，因此進(jìn)一步完善與創(chuàng)新煤質(zhì)快速檢測技術(shù)對煤質(zhì)檢測行業(yè)具有意義。文章通過多傳感器煤質(zhì)檢測的方法對煤質(zhì)進(jìn)行檢測試驗(yàn)，從而驗(yàn)證煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：煤質(zhì)檢測;煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng);應(yīng)用

中圖分類號：TQ533 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0153-03

Abstract： Coal is one of the most important energy supplies， and the quality of coal is closely related to the safety of production. If there are impurities such as gangue， soil and slag in coal， it will bring great losses to enterprises. At present， the rapid detection system for coal quality in China is not perfect， so further improvement and innovation of the rapid testing technology is of great significance to the coal quality testing industry. In this paper， the multi-sensor coal quality detection method is used to test the coal quality， so as to verify the practicability of the rapid detection system for coal quality.

Keywords： coal quality detection; rapid detection system for coal quality; application

煤在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，比如火電、建筑以及化工等，不同的工業(yè)領(lǐng)域?qū)γ旱馁|(zhì)量要求檢測標(biāo)準(zhǔn)不同，煤炭的質(zhì)量性能決定了煤炭的應(yīng)用價值。因此，社會中使用煤炭的相關(guān)領(lǐng)域?qū)γ禾抠|(zhì)量的快速檢測非常關(guān)心。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，對煤的需求日益增長，逐漸呈現(xiàn)出了供不應(yīng)求的趨勢。煤質(zhì)檢測是進(jìn)行煤炭開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更是煤炭儲存的重要依據(jù)，因此煤質(zhì)檢測是工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。煤以有機(jī)礦物質(zhì)為主要的成分，碳、氫、氧等元素，也有少量的無機(jī)礦物質(zhì)，煤炭品質(zhì)越高，含碳量越高?，F(xiàn)有的快速檢驗(yàn)煤炭品質(zhì)的檢測技術(shù)，主要檢測煤炭中的水分、灰分、固定碳的含量成分，常用的檢測技術(shù)有近紅外光普檢測技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室分析以及感官檢測，但是現(xiàn)有的煤質(zhì)檢驗(yàn)技術(shù)都有著或多或少的缺點(diǎn)，比如近紅外光譜技術(shù)，建模成本較高，需求量較大，具有一定的局限性，穩(wěn)定性不足;感官檢測技術(shù)準(zhǔn)確度不高，容易在煤的品質(zhì)方面引起不必要的糾紛?；诖?，研究一種新型的煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對煤炭質(zhì)量的準(zhǔn)確檢測，是目前煤炭檢測領(lǐng)域的重要任務(wù)。

1 交流阻抗譜技術(shù)

交流阻抗譜技術(shù)是一種電測量技術(shù)，以正弦波激勵作為擾動信號，對系統(tǒng)施加電信號，能夠避免損害系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是一種頻率域的檢測技術(shù)。交流阻抗技術(shù)測量方法快，范圍廣，不損害結(jié)構(gòu)，在生物科學(xué)、元器件、地球?qū)W科以及快速檢測領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。交流阻抗譜技術(shù)如何在煤炭領(lǐng)域中進(jìn)行運(yùn)用呢[2]？

分析交流阻抗譜檢測方法在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用，國內(nèi)使用在線分析的方法對煤炭的內(nèi)部元素進(jìn)行討論的較多，但是對使用交流阻抗原理檢測煤炭雜質(zhì)的研究較少，只有一些初步的研究，比如交流阻抗譜技術(shù)對演示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測;在不同環(huán)境下對水果新鮮度的檢測等，因此，將交流阻抗原理對煤炭雜質(zhì)進(jìn)行檢測也具有一定的可行性。

2 煤的交流導(dǎo)電特點(diǎn)

對煤炭施加不同的頻率信號，導(dǎo)電能力會隨著頻率的變化而不斷變化。如圖1所示。當(dāng)頻率較低時，煤的阻抗頻率會降低;阻抗值也會隨著頻率的變化而降低;然后隨著頻率的升高阻抗值也會升高;煤炭品質(zhì)不同，其邊沿頻率也不同，煤阻抗具有一定的靈敏性，在2～3.5kHz頻帶內(nèi)是沒阻抗的敏感范圍。煤阻抗不僅與含水量有關(guān)，還與煤的種類與形狀有關(guān)，細(xì)沙狀的煤炭阻抗值小;塊狀的煤炭阻抗值大[3]。

為了測試水分對煤炭阻抗造成的影響，設(shè)計2組實(shí)驗(yàn)。（1）煤阻抗與摻雜量之間的關(guān)系;（2）水分對煤阻抗的影響。第一組實(shí)驗(yàn)選取標(biāo)準(zhǔn)煤與摻雜煤進(jìn)行重量對比，測試阻抗值Zc，則樣品傳感器輸出煤炭阻抗值為：Zc=40，26.25，18，13，8;第二組實(shí)驗(yàn)中，選取六個含水率定點(diǎn)，分析煤炭阻抗值Z0在不同濕度下的輸出值。如圖2所示。在同樣的情況下，測量值會隨著函數(shù)率的增加而逐漸增加，水分越多，測量值越大，組抗性越小。同樣的含水率下，煤炭雜質(zhì)的提高會影響測量值，說明雜質(zhì)含量與測量值有關(guān)，雜質(zhì)越多，導(dǎo)電性越差，阻抗也就越大。如果含水率達(dá)到25%、35%時，傳感器的測量值超過4.1%的輸出值，表示將會無法辨別含有煤炭的質(zhì)量[5]，需要對檢測結(jié)果進(jìn)行修改以解決煤炭阻抗造成的負(fù)面影響。

4 煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)在煤質(zhì)檢測中的設(shè)計應(yīng)用

將傳感器置于煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)中，對煤炭進(jìn)行檢測，不會破壞樣品的外觀和性能，也不會造成任何樣品的損壞。設(shè)計框架如圖3所示。

4.1 硬件設(shè)計

4.1.1 插桿式傳感器

插桿式傳感器對煤炭進(jìn)行檢測后容易留下殘留物，如果不進(jìn)行清理而繼續(xù)檢測容易影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，傳感器的電極與錐頭采用新型材料與聚四氟乙烯絕緣管，將激勵源的信號加在傳感器中，如圖4所示，信號會經(jīng)過傳感器的發(fā)射端，然后對煤炭進(jìn)行檢測，接收端會接收到檢測的信號，通過檢測信號實(shí)現(xiàn)煤炭阻抗值的測量。

4.1.2 激勵源

阻抗測量系統(tǒng)對激勵源的設(shè)計要求較高，DDS作為激勵源的關(guān)鍵技術(shù)，能夠控制相位的變化，達(dá)到不同波形與頻率信號的合成過程，DDS是一種數(shù)字化技術(shù)，其原理是利用采樣定理，通過查表法得到需要的波形，在時鐘脈沖內(nèi)，每累加一次都會得到合成的相位，相位會轉(zhuǎn)化為波形存儲器，將相位的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)值，然后通過D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后將沒有用的信息過濾掉形成正弦信號，目前DDS技術(shù)在通信系統(tǒng)、數(shù)字廣播以及線性調(diào)頻等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是信號發(fā)生源的主要首選。

4.1.3 信號檢測調(diào)理電路

激勵源信號在經(jīng)過煤炭后，會有所衰減，需要有適合的電路作為信號的支撐。為了讓保持信號的穩(wěn)定性，加入整流電路能夠保證信號在轉(zhuǎn)換時的穩(wěn)定性，但是整流電路也存在一定的缺點(diǎn)，比如信號幅值如果太小，會帶來較大的電壓誤差，失去整流電路的功能，為了解決這種問題，通過運(yùn)算放大器避免二極管非線性造成的誤差[6]。

4.1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

采用CS5532轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可編程、噪音低，能夠達(dá)到較高的分辨率輸出結(jié)果?？梢灾苯訙y量微伏信號，電路連接簡單，其內(nèi)部有一個能夠編程的放大器，放大倍數(shù)可以自由選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)多個數(shù)據(jù)選擇，提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。完整多個系統(tǒng)校正功能能夠消除系統(tǒng)通道的誤差。

4.2 軟件設(shè)計

4.2.1 煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)流程

煤質(zhì)檢測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，通過激勵源模塊、轉(zhuǎn)換模糊以及數(shù)據(jù)采集與處理完成快速檢測的功能，模塊之間只存在數(shù)據(jù)傳遞，不存在相互制約。如圖5所示。

4.2.2 信息融合程序流程與煤炭質(zhì)量結(jié)果判斷

煤阻抗信息融合算法流程與煤炭質(zhì)量結(jié)果判斷如圖6所示[7]。

其中Z表示煤阻抗信息的融合定值，構(gòu)建煤質(zhì)檢測信息融合模型時，需要進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，采用插桿式傳感器得到待檢測的煤質(zhì)含水率，數(shù)據(jù)預(yù)處理之后將較大的誤差進(jìn)行去除，得到煤阻抗的信息融合值Z。對煤質(zhì)結(jié)果進(jìn)行判斷，需要獲得煤水分含量以及插桿式傳感器的電壓值，經(jīng)過濾波后將水分含量與測量值帶入到回歸方程中，計算融合值，通過串口將融合之傳到上位機(jī)中，然后上位機(jī)對檢測結(jié)果進(jìn)行判斷。

5 煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)在煤質(zhì)檢驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成硬件設(shè)計與軟件設(shè)計之后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，在保證系統(tǒng)功能完整的情況下，對煤炭質(zhì)量進(jìn)行判斷。對系統(tǒng)模塊調(diào)試完成后，下載程序到單片機(jī)中，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。硬件部分一般出現(xiàn)的故障為元件失效或者短路等，進(jìn)行系統(tǒng)組裝時要檢查是否存在短路、插座引腳連接是否正確;電氣連接是否正確，按照設(shè)計圖排除線路故障。在IAR5.30平臺上對系統(tǒng)軟件進(jìn)行測試，根據(jù)警告的信息進(jìn)行修改。

系統(tǒng)重復(fù)性是在同一種工作條件下進(jìn)行多次測量所得的誤差，重復(fù)性越好說明進(jìn)度越高。對煤炭進(jìn)行檢測時，先取一份沒有任何雜質(zhì)的煤炭，在室內(nèi)的溫度條件下每隔10分鐘對需要抽檢的煤炭進(jìn)行檢測，檢測的方法是使用煤質(zhì)快速檢測系統(tǒng)，將插桿式傳感器擦拭干凈后插入到煤炭中，記錄傳感器檢測煤炭的電壓值，檢測十次并記錄傳感器的數(shù)據(jù)，記錄傳感器檢測的重復(fù)性。煤炭樣品在常溫條件下的測量數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1可得，傳感器的重復(fù)性平均為：3.85%，檢測重復(fù)性良好[8]。

6結(jié)束語

煤作為工業(yè)需求的主要能源之一，煤炭中摻有雜質(zhì)將會對工業(yè)生產(chǎn)以及安全帶來極大的危害，造成工程設(shè)備損壞甚至報廢，通過分析現(xiàn)有的煤質(zhì)檢測技術(shù)的不足之處，提出了一種基于傳感器檢測的快速檢測智能系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，煤炭品質(zhì)的好壞與煤的交流阻抗值有較大的差別，煤炭數(shù)據(jù)的采集與結(jié)果的判斷需要通過通信進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過串口與下位機(jī)的連接實(shí)現(xiàn)相互之間的通信，對每一次檢測的結(jié)果進(jìn)行記錄，構(gòu)建非線性回歸信息融合模型消除水分含量對煤質(zhì)檢測的影響，提高煤質(zhì)檢測的準(zhǔn)確度。

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