煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下的一種極為復(fù)雜的動力現(xiàn)象，它能在極短的時間內(nèi)由煤體中噴出大量的煤炭并涌出大量的瓦斯，造成巨大的動力效應(yīng)，是威脅煤礦安全生產(chǎn)的一種嚴重的自然災(zāi)害目前煤與瓦斯突出研究采用多種理論與技術(shù)，但尚未形成一個完整的計算機應(yīng)用系統(tǒng)，特別是在工作面煤與瓦斯突出局部預(yù)測方面。針對國內(nèi)現(xiàn)有便攜式測爆儀的缺陷，研制了一種新型便攜式爆炸氣體檢測儀。該裝置利用氣相色譜法提高CH4氣體濃度檢測，能根據(jù)環(huán)境溫度對氣體濃度自動修正，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，能根據(jù)封閉區(qū)體積和當前氣體濃度，直接給出漏風條件下消除火區(qū)爆炸危險的惰化參數(shù)，而且可以根據(jù)氣體濃度采樣值的變化趨勢，預(yù)測下段時間的氣體濃度。它還具有完備的自檢功能，對故障能及時報警，具有低功耗、高性能的優(yōu)點。

　　1 系統(tǒng)原理

　　利用空氣泵將待測氣體抽入傳感器所在腔體，待測氣體數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為模擬電信號后由TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換單元將該信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時溫度傳感器對溫度進行測量，DSP根據(jù)溫度值對各傳感器所測值進行溫度補償、修正，DSP依據(jù)各傳感器濃度計算公式算出所測氣體濃度，判斷采樣氣體有無爆炸危險，并在液晶顯示面板上顯示當前氣體濃度與爆炸三角形的關(guān)系，若達到報警值則通過聲光報警單元報警。DSP也可將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-232接口電路送至PC機進行數(shù)據(jù)處理。

　　2 硬件電路

　　2.1 放大濾波電路

　　濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。

　　僅以甲烷檢測部分為例，甲烷紅外傳感器IR12BD包括氣體檢測信號及參考信號兩個正弦脈動信號，輸出信號小，且夾雜干擾信號，所以需要對該信號進行處理，以得到的檢測信號。甲烷紅外傳感器放大濾波電路如圖1所示。

　　2.2 溫度傳感器接口

　　利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。

　　溫度會影響爆炸三角形的確定，且各傳感器測量結(jié)果都要根據(jù)溫度進行補償，因此要求準確測量礦井溫度。傳統(tǒng)溫度測量方法是采用熱電耦測量，此方法反映慢、測量誤差大、安裝調(diào)試復(fù)雜，且不便于遠距離傳輸。

　　本設(shè)計采用DSP控制DS18B20完成溫度測量。DS18B20是單總線溫度傳感器，能通過通信接口直接輸出被測溫度值，輸出為9~12 bit的二進制數(shù)據(jù)，溫度分辨率達0.062 5 ℃，體積小、功能強、使用方法簡單，適用于便攜式裝置。DS18B20測量范圍是-55 ℃~+125 ℃，數(shù)字溫度輸出可進行9~12 bit的編程，有3個引腳，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 鐵電存儲電路

　　鐵電存儲技術(shù)早在1921年提出，直到1993年美國Ramtron國際公司成功開發(fā)出個4K位的鐵電存儲器FRAM產(chǎn)品，目前所有的FRAM產(chǎn)品均由Ramtron公司制造或授權(quán)。近幾年，F(xiàn)RAM又有新的發(fā)展，采用了0.35 m工藝，推出了3V產(chǎn)品，開發(fā)出"單管單容"存儲單元的FRAM,密度可達256K位。鐵電存儲器是一種特殊工藝的非易失性的存儲器，是采用人工合成的鉛鋯鈦（PZT） 材料形成存儲器結(jié)晶體。

　　鐵電存儲器用來存儲每次氣體濃度測量結(jié)果、監(jiān)視電池電壓、產(chǎn)生硬件看門狗并提供系統(tǒng)時鐘。其擴展電路如圖2所示。

　　2.4 鍵盤電路

　　利用鍵盤按鍵控制是實現(xiàn)現(xiàn)場實時調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)整和各種參數(shù)設(shè)置常用的方法。本裝置機殼上配有5個按鍵，分別為電源、菜單、整定、移位和調(diào)整數(shù)據(jù)鍵，可對測爆儀實時控制。其中電源鍵實現(xiàn)了裝置的一鍵開/關(guān)機并具有短路保護功能。

　　2.5 系統(tǒng)電源

　　本系統(tǒng)著眼于便攜式測爆儀，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 聲光報警電路

　　火災(zāi)報警器分有感煙探測器、感溫探測器及光輻射探測器等三大類?；馂?zāi)報警器一般安裝在陳列室和藏品庫房的天花板下。安裝火災(zāi)報警器應(yīng)根據(jù)場所特點，選擇適當?shù)奶綔y器，并須正確選定報警的靈敏度，做到既不漏報亦不誤報，安裝位置、分布密度要設(shè)計合理，符合消防規(guī)范，平時應(yīng)注意做好保養(yǎng)和維修工作。

　　若測爆裝置測出混合氣體有爆炸危險，則蜂鳴器鳴叫，同時紅色指示燈閃爍報警。DSP的GPIOB09輸出端控制Alarm,當有爆炸危險時，輸出低電平，三極管Q5導(dǎo)通，蜂鳴器報警，同時AlarmLight控制的報警指示燈點亮。其電路如圖4所示。

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 軟件設(shè)計流程

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

　　3.2 爆炸趨勢預(yù)測算法

　　爆炸趨勢預(yù)測要求根據(jù)氣體濃度變化趨勢預(yù)測下一段時間的氣體濃度，判斷氣體爆炸的可能性，及時提醒井下人員做好預(yù)防措施。下面介紹用正交多項式二乘法曲線擬合的方法實現(xiàn)爆炸趨勢預(yù)測，并對預(yù)測數(shù)據(jù)進行爆炸危險性判斷。

　　其中，T1為次測量時間，Tn為第n次測量時間，n為測量次數(shù)。

　　4 爆炸危險性判定

　　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時失爆臨界點，EN2為摻入N2時失爆臨界點，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。

　　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)點進入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)，但摻入甲烷可進入爆炸區(qū)（如封閉火區(qū)時），可向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，使其狀態(tài)點進入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)，但摻入空氣可進入爆炸區(qū)（如火區(qū)啟封時），可先向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，使其狀態(tài)點進入4區(qū)后再啟封通風，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)），摻入空氣可進入2區(qū)不爆，摻入甲烷可進入3區(qū)不爆。

　　這種劃分方法對火區(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，由于切斷供風，火區(qū)內(nèi)可爆氣體濃度逐漸增加，氧濃度減小，當甲烷濃度與氧濃度的坐標點落入△BCE區(qū)時，可能會發(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)點由2區(qū)移到4區(qū)失去爆炸性，然后再封閉，可進入3區(qū)，并可根據(jù)火區(qū)的范圍計算出需要注入惰氣的體積。還應(yīng)判斷預(yù)測點是否在爆炸三角形內(nèi)。如在三角形內(nèi)，則進行聲光報警，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)計時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，信號回路阻抗很小，差模干擾較低；元件電源管腳就近對地加去耦電容，該電容能提高數(shù)字信號突變時的電流，對模擬信號起濾波作用[5];布線時在重要的高速信號線周圍鋪設(shè)地線，減少信號間的互相干擾。

　　6 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

　　本裝置功能包括：測量氣體濃度及環(huán)境溫度、判斷爆炸可能性、聲光報警、記錄10次測試結(jié)果且掉電不丟失、校正傳感器、設(shè)定時鐘和人機界面顯示。據(jù)此設(shè)計出如下試驗[6]:

　　（1）測試時鐘功能試驗。給傳感器設(shè)定當前時間，在測爆儀關(guān)機的情況下，測試72 h時鐘誤差。測試結(jié)果表明，誤差小于1 s,說明裝置中使用FM31256內(nèi)嵌時鐘滿足要求。

　?。?）人機界面顯示測試試驗。找非設(shè)計人員操作此裝置，觀察人機界面顯示情況，多人操作后未見異常。

　?。?）傳感器校正試驗。本安型便攜式測爆儀用于井下氣體濃度的檢測，使用前需校正。校正方法為：在氣體濃度為零（純氮氣）、環(huán)境溫度為25 ℃時，記錄各種氣體A/D采樣值。4種氣體中CH4輸出的信號為4 Hz的正弦脈動信號，其他氣體輸出信號為直流信號。對于直流脈動信號采用傅氏級數(shù)算法計算其峰-峰值，對其他直流信號采用去極值取平均數(shù)的濾波算法計算采樣值。將這些值作為定值存儲在定值器件中。當氣體濃度達到測量范圍的滿刻度（CH4:20%,CO:0.05%,CO2:1%,O2:21%）且環(huán)境溫度為25 ℃時，記錄各種氣體A/D采樣值，并存儲到定值器件中。

　　測量范圍內(nèi)的其他氣體濃度時，可根據(jù)上述存儲值，在對A/D采樣值進行溫度補償后，計算相應(yīng)的氣體濃度。

　　在氣體濃度為0%及滿刻度時測試采樣值8次，結(jié)果如表1和表2.

　　試驗結(jié)果中，雖然每次測試結(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。

　?。?）測量氣體濃度、環(huán)境溫度試驗和判斷爆炸可能性及聲光報警試驗。根據(jù)實際應(yīng)用情況設(shè)計了常溫下，氣體濃度分別處于1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)時的試驗條件。

　　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，較理想，這與甲烷4 Hz的正弦輸出信號、軟件采用本身具有濾波功能的傅氏算法計算峰-峰值有關(guān)。氧氣、一氧化碳 、二氧化碳傳感器輸出信號受溫度影響，有非線性和誤差，但總體測量較高，判斷區(qū)間準確，達到了預(yù)期的目標。當氣體濃度處于1區(qū)時，裝置發(fā)出聲光報警。

　　（5）測試記錄掉電不丟失試驗。測爆儀開機時，檢查測試記錄是否正確；關(guān)機后再開機檢查記錄是否正確；關(guān)機并將電池拆除一段時間后，再供電開機，檢查記錄是否正確；測試結(jié)果均正確。

　　本設(shè)計的本安型便攜式測爆儀的主板、傳感器、液晶顯示均能可靠工作，性能參數(shù)也達到設(shè)計要求，軟硬件都具備一定的抗干擾能力。