劉永濤，劉 佳，馬尚權(quán)，邸 煒

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

如何準(zhǔn)確快速地測(cè)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(jì)和礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一?，F(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備存在著功能不完備、智能化程度不高等問(wèn)題。因此設(shè)計(jì)和研制一款高性能的煤層瓦斯含量測(cè)試儀具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值［1］。

本文主要介紹了基于微機(jī)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(jì)方法。實(shí)現(xiàn)了對(duì)微量、低壓損氣體的體積及流速的測(cè)量。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用VC++進(jìn)行程序開(kāi)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(jì)，從而對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步精確運(yùn)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(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)芯片傳感技術(shù)，在硅芯片上集成了具有機(jī)械和電子特征的微米級(jí)熱膜式傳感器。它并不是簡(jiǎn)單地將機(jī)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(jī)電系統(tǒng)芯片可獲得某些宏觀機(jī)電器件所不能達(dá)到的功效。

熱膜式氣體流量傳感器是利用熱傳導(dǎo)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(jì)。它通過(guò)氣體流動(dòng)產(chǎn)生的熱場(chǎng)變化來(lái)測(cè)量氣體流量。這個(gè)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(dǎo)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(duì)熱場(chǎng)的變化具有不同的影響，因此，該傳感器所測(cè)量的流量為質(zhì)量流量，因而不需溫度壓力抵償。同時(shí)，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(diǎn)穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)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(gè)傳感芯片上集成多個(gè)傳感器。芯片表面采用具有高導(dǎo)熱性能的陶瓷材料鈍化處理，在保證傳感器有極小的始動(dòng)流量的同時(shí)，避免傳感器與氣體介質(zhì)直接接觸以提高其可靠性。當(dāng)沒(méi)有氣體介質(zhì)流過(guò)MEMS傳感器芯片時(shí)，傳感器周圍保持穩(wěn)定的溫度場(chǎng)(溫度分布)。當(dāng)氣體介質(zhì)流過(guò)傳感器芯片時(shí)，溫度場(chǎng)因?yàn)榱黧w介質(zhì)帶走熱量導(dǎo)致局部溫度重分布［5－6］。測(cè)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(chǎng)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(duì)此溫度分布進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)校準(zhǔn)，專門(mén)設(shè)計(jì)的信號(hào)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(yù)測(cè)系統(tǒng)功能的研究

瓦斯含量記錄儀的設(shè)計(jì)采用了較科學(xué)的解吸法。解吸法的步驟是利用普通煤芯管鉆取煤芯，當(dāng)煤芯提出孔口后，用密封罐采集含瓦斯煤樣，利用解吸儀測(cè)定樣煤瓦斯解吸量隨時(shí)間變化的規(guī)律，并根據(jù)樣煤暴露時(shí)間計(jì)算采樣過(guò)程中損失的瓦斯量，然后將測(cè)完解吸規(guī)律的樣煤密封罐送到實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定煤芯中殘存瓦斯含量。在進(jìn)行溫度和壓強(qiáng)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(cè)定煤層瓦斯含量適應(yīng)于在地質(zhì)勘探鉆孔中采取煤芯測(cè)定煤層瓦斯含量及瓦斯成分。

具體步驟為:首先從通過(guò)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(cè)定過(guò)程，此過(guò)程需要測(cè)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(cè)定過(guò)程，此過(guò)程測(cè)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(jìn)行擬合。

式中，Vt——解吸時(shí)間為t時(shí)瓦斯解吸速率，ml/min;

圖2 解吸率曲線圖

V0——解吸時(shí)間開(kāi)始(t=0)時(shí)刻煤的瓦斯解吸速率，ml/min;

k——常數(shù)。

然后處理器根據(jù)實(shí)測(cè)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(dá)式，根據(jù)系數(shù)已知的公式推算暴露時(shí)間段內(nèi)瓦斯的損失量Q1。最后測(cè)量粉碎開(kāi)始到解吸結(jié)束時(shí)間內(nèi)總的累積解吸量Q3，當(dāng)解吸量小于1 ml/min時(shí)，儀表自動(dòng)結(jié)束Q3的測(cè)量，處理并保存數(shù)據(jù)。

總的瓦斯含量計(jì)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(jì)算時(shí)，只需通過(guò)儀表鍵盤(pán)輸入樣煤總質(zhì)量M以及粉碎樣煤質(zhì)量M0，即可推導(dǎo)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(shí)查詢并顯示，累計(jì)解吸量隨時(shí)間變化的解吸速率曲線能查詢并顯示［8］。

3 下位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MSP430F149混合信號(hào)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(cè)試。整體功能電路包括MCU處理模塊、鐵電存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、鍵盤(pán)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(jì)，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(jì)的難度。儀器設(shè)計(jì)核心和難點(diǎn)是由Q2的各點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合推導(dǎo)Q1的數(shù)值以及Q2解吸速率的曲線繪制。

由于處理器的運(yùn)算能力有限，在Q1的數(shù)據(jù)擬合過(guò)程當(dāng)中不能運(yùn)用全部Q2的數(shù)值來(lái)準(zhǔn)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(gè)數(shù)值點(diǎn)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(shí)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(dǎo)出 Q1的結(jié)果。

系統(tǒng)程序編制難點(diǎn)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(jì)。

4 上位機(jī)擬合預(yù)測(cè)算法數(shù)據(jù)比較

將同組數(shù)據(jù)，通過(guò)下位機(jī)USB端口傳入智能瓦斯含量預(yù)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行觀察。運(yùn)行上位機(jī)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(yùn)行上傳菜單。上位機(jī)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(guò)兩種方法測(cè)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(cè)試點(diǎn)編號(hào)和M、M0的值進(jìn)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(kù)當(dāng)中。測(cè)量數(shù)據(jù)Q2和擬合數(shù)據(jù)Q1可通過(guò)首界面導(dǎo)出，曲線分布圖可直接復(fù)制或打印。

在查看數(shù)據(jù)界面，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢過(guò)程當(dāng)中可以設(shè)定按地點(diǎn)、時(shí)間、Q總閾值進(jìn)行單獨(dú)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(dǎo)出到Excel表格中。導(dǎo)出數(shù)據(jù)見(jiàn)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(yǔ)

圖3 上位機(jī)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(jì)具有體積小、重量輕、時(shí)效性好的特點(diǎn)。當(dāng)氣體解吸量小于1ml/min時(shí)，能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)保存處理，無(wú)需人員介入，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的智能化操作。系統(tǒng)通過(guò)多種軟硬件優(yōu)化來(lái)降低功耗，可以滿足長(zhǎng)時(shí)間、多組別測(cè)試。儀表通過(guò)USB口與電腦連接，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確穩(wěn)定，操作方便。設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有儀器無(wú)法顯示曲線、不能進(jìn)行直接的邏輯擬合和推導(dǎo)總瓦斯解吸量等缺點(diǎn)進(jìn)行了研究改進(jìn)。儀表的成功研制對(duì)井下煤層瓦斯含量快速測(cè)量提供了良好的科學(xué)手段和支撐。

［1］ QI Li－ ming，WANG Yi－ bo，SONG Xiao － yan.Study on the coal gas pressure dynamic distribution law in the front of tunneling place［J］.Journal of the Sout－ hern Aferican Institute of Mining and Metallu － rgy，2007，107(7):431 －433.

［2］ 桑孝偉，葉樹(shù)剛，蘆俊，王贊.幾種煤層氣含量測(cè)量方法的對(duì)比［J］.中國(guó)煤層氣，2009，(3):27－28.

［3］ 蔡春麗，劉志遠(yuǎn)，王惠玲，等.基于恒溫法的熱膜式氣體流量傳感器的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，(6):104－109.

［4］ FUJITA H，OHHAHI T，ASAKUR A，et al.A thermistor anemometer for low －flow －rate measurement［J］.IEEE transactions on instrumentation and measurement，1995，44(3):779－782.

［5］ WU Y，BOBIS J P.GEHMAN R.The design and analysis of an imp roved high air flow meterwith analog/digital filters［J］.IEEE transactions on instrumentation and measurement，1992，41(6):791－796.

［6］ TODA K，SANEMASA I，ISHIKAWA K.Simp le temperature compensation of thermal air flow sensor［J］.Sensors and actuators A，1996，57(3):197－201.

［7］ DURST F，AL －SALAYMEH A，BRADSHAW P，et al.The development of a pulsed－wire p robe for measuring flow velocity with a wide bandwidth ［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2003，24(1):11－13.

［8］ 張延文，于連波，于海超，等.微氣體流量傳感器［J］.傳感器技術(shù)，1998，(2):43 －45.

［9］ 齊黎明，陳學(xué)習(xí)，程五一，等.新型煤層瓦斯含量準(zhǔn)確測(cè)定方法研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，(1):111－115.