無線節(jié)點(diǎn)式小孔徑鉆孔瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

陳 青

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

瓦斯事故作為煤礦井下主要災(zāi)害之一，長(zhǎng)期威脅著煤礦的人員及財(cái)產(chǎn)安全。鉆探技術(shù)是將在開采前將賦存于煤層內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽離，是消除瓦斯事故最有效和最直接的手段之一。在完成鉆探工藝后，對(duì)于高瓦斯或瓦斯突出的煤礦，必須建立一套實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能之一就是對(duì)形成鉆孔的管道參數(shù)監(jiān)測(cè)，即通過多種傳感技術(shù)，準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)抽采過程中管路內(nèi)氣體流量、瓦斯?jié)舛燃俺椴蓧毫Φ膮?shù)變化情況，進(jìn)而掌握各個(gè)區(qū)域的抽采進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)抽采效果的有效評(píng)價(jià)。因此，建立一個(gè)高性能的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能保障煤礦的安全生產(chǎn)，更能有效的提高采掘施工效率[1-4]。

目前，大部分煤礦采用的瓦斯管道參數(shù)監(jiān)測(cè)主要分為大直徑的匯流管和小直徑的單孔鉆孔監(jiān)測(cè)兩種方式。對(duì)于大直徑的匯流管監(jiān)測(cè)是在較大區(qū)域的總管路上安裝氣體流量、瓦斯?jié)舛燃俺椴蓧毫Φ葌鞲斜O(jiān)測(cè)裝置，涉及幾十甚至上百個(gè)鉆孔的總體監(jiān)測(cè)，該方式可以實(shí)現(xiàn)大面積的區(qū)域性監(jiān)測(cè)，但對(duì)于局部的抽采效果并不敏感，當(dāng)存在局部瓦斯賦存含量較大的情況，無法及時(shí)加強(qiáng)抽采力度，進(jìn)而延長(zhǎng)了抽采周期[5-6]。對(duì)于小直徑的單孔鉆孔監(jiān)測(cè)，礦方多采用人工巡檢方式，即巡檢人員配備便攜式氣體壓力計(jì)、瓦斯?jié)舛扔?jì)以天為單位對(duì)每個(gè)鉆孔進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行人工數(shù)據(jù)導(dǎo)入，該方式數(shù)據(jù)收集的實(shí)時(shí)性差且不連續(xù)，并且由于采用檢測(cè)的設(shè)備與人員技術(shù)水平存在差異，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)存在一定的人為誤差。

此外，由于瓦斯抽采鉆孔數(shù)量眾多，分布面廣，并且煤礦井下環(huán)境較差，大型設(shè)備多，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)上傳，無論采用CAN總線、485總線或是以太網(wǎng)、光纖等形式都需要鋪設(shè)大量的線纜，施工量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費(fèi)用較高，難以實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，針對(duì)局部區(qū)域瓦斯管路工況特點(diǎn)，該文提出研制一款礦用無線節(jié)點(diǎn)式瓦斯抽采監(jiān)測(cè)裝置，利用超聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體流量采集，并集成氣體壓力、瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)采集功能，進(jìn)而構(gòu)建瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該裝置能夠嵌入瓦斯抽采管路，并不對(duì)其抽采能力造成任何影響，實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域瓦斯管路內(nèi)準(zhǔn)確的氣體流量、瓦斯?jié)舛燃俺椴蓧毫θ齾?shù)數(shù)據(jù)采集，并且該裝置還具有LoRa通信技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，以保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及連續(xù)性，減小施工難度。

1 總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)上述論述中，傳統(tǒng)的瓦斯管道參數(shù)監(jiān)測(cè)存在的不足和和缺點(diǎn)，該系統(tǒng)必須從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)井下防爆要求

煤礦井下伴隨著大量的瓦斯等爆炸性氣體，因此系統(tǒng)必須滿足GB3836.1—2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》。煤礦井下裝備的防爆種類主要包括本質(zhì)安全型、隔爆型、澆封型等類型，鑒于該系統(tǒng)使用場(chǎng)合，依據(jù)GB3836.4—2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》，本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)分站按照礦用本質(zhì)安全型防爆設(shè)計(jì)。

(2)測(cè)量方式和精度要求

對(duì)于局部氣體流量參數(shù)的采集多采用定期以鉆場(chǎng)或數(shù)個(gè)鉆孔為單位的抽檢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用這種方式的主要原因是由于礦方常用的孔板流量計(jì)、V錐流量計(jì)、渦街流量計(jì)等機(jī)械式流量采集裝置，體積大、重量重、無法人工攜帶，并且該類流量計(jì)均存在較大的壓損，要實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)是必要的布置眾多采集裝置過大的壓損，導(dǎo)致極大的降低抽采效率，此外由于少量鉆孔的流量下限較低、動(dòng)態(tài)范圍大、氣體純凈度差、水汽雜質(zhì)含量多等因素的影響，機(jī)械式流量采集裝置由于自身測(cè)量原理特性很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。如何一次性解決上述問題，超聲波氣體流量計(jì)給出了答案，與礦方常用的機(jī)械式流量計(jì)相比較，超聲波氣體流量計(jì)屬于非接觸測(cè)量，不存在任何壓損，并且具有量程寬、工況適應(yīng)能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，能夠很好的適應(yīng)局部區(qū)域瓦斯管路工況流量采集需求。

(3)尺寸大小

該裝備集成了壓力、流量、濃度三個(gè)參數(shù)量的測(cè)量，煤礦井下巷道施工空間狹小，因此，該裝備必須方便安裝和拆卸，因此儀器結(jié)構(gòu)和尺寸必須較小。

(4)通信方式

實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)傳輸，目前，煤礦井下常用的無線通訊技術(shù)主要有泄露通信、蜂窩移動(dòng)通信、ZigBee通信、WiFi通信、藍(lán)牙通信等，這些通信技術(shù)具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，但其都存在功耗、傳輸距離、成本的矛盾，而LoRa通信技術(shù)有效的解決了這一問題，LoRa是近幾年新起的無線電擴(kuò)頻調(diào)制與解調(diào)的技術(shù)，其通信載波頻率主要包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等，其具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、容量大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，在遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程控制等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[7-10]。

表1 多參數(shù)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2 系統(tǒng)構(gòu)架

礦用無線節(jié)點(diǎn)式瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要分為地面和井下兩部分，地面部分主要是上位機(jī)瓦斯抽采分析軟件，井下部分主要由底層的瓦斯抽采監(jiān)測(cè)裝置、傳輸層的LoRa網(wǎng)關(guān)、井下環(huán)網(wǎng)服務(wù)器三部分組成，其連接結(jié)構(gòu)為典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。瓦斯抽采監(jiān)測(cè)裝置主要負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)氣體流量、瓦斯?jié)舛燃俺椴蓧毫θ齾?shù)數(shù)據(jù)采集，其內(nèi)部均嵌有LoRa通訊模塊，數(shù)據(jù)采集完成后由LoRa通訊模塊間跳傳，最終傳輸給LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)作為具有透明傳輸功能的中繼，將瓦斯抽采監(jiān)測(cè)裝置采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給井下環(huán)網(wǎng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的數(shù)據(jù)交互[11-12]。

圖1 系統(tǒng)總體框架

3 硬件設(shè)計(jì)

瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其主要包括瓦斯抽采監(jiān)測(cè)裝置與LoRa網(wǎng)關(guān)兩部分組成，其中監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部包含了本安電源保護(hù)電路、氣體流量采集單元、瓦斯?jié)舛炔杉瘑卧?、抽采壓力采集單元、主控芯片、?shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示及LoRa通訊模塊。LoRa網(wǎng)關(guān)主要由本安電源保護(hù)電路、LoRa通訊模塊、主控芯片、以太網(wǎng)通信模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

3.1 氣體流量采集單元設(shè)計(jì)

該裝置氣體流量采集單元采用超聲波為測(cè)量介質(zhì)，以時(shí)差法為測(cè)量原理設(shè)計(jì)。所謂時(shí)差法是通過一組超聲波換能器以一定角度且位置固定的形勢(shì)下，在被測(cè)空間內(nèi)部交替發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，當(dāng)空間內(nèi)有氣體介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，超聲波信號(hào)傳播速度與介質(zhì)在該方向上的流動(dòng)速度會(huì)有矢量疊加，當(dāng)兩方向相同時(shí)超聲波信號(hào)傳播速度加快，反之速度減慢，進(jìn)而順流發(fā)射與逆流發(fā)射超聲波信號(hào)的飛行時(shí)間會(huì)存在一定的時(shí)間差，通過該時(shí)間差就可以計(jì)算出介質(zhì)的流動(dòng)速度，因此，準(zhǔn)確的測(cè)量超聲波信號(hào)的飛行時(shí)間就成為了本單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

為了得到準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)量，氣體流量采集單元以高精度數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片MAX35104為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路原理圖如圖3所示，該芯片為MAXIM公司專門為氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)的專用芯片，與目前使用較為廣泛的TDC-GP系列芯片相比較該芯片做了大量的集成優(yōu)化處理，其內(nèi)部不僅包含了高精度的時(shí)間計(jì)量功能外，還集成了可編程的脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)射器、高精度固定增益放大器、可控增益放大器、帶通濾波器、模擬開關(guān)、低偏移比較器等一整套氣體流量測(cè)量所需的功能性電路，外圍僅需要晶振、阻容元件及簡(jiǎn)單的Boost補(bǔ)償電路，通過主控芯片SPI總線控制內(nèi)部寄存器，并配合其自帶的邊沿檢測(cè)算法就可以實(shí)現(xiàn)氣體流量的準(zhǔn)確測(cè)量。

圖3 MAX35104硬件電路設(shè)計(jì)

3.2 LoRa通信模塊設(shè)計(jì)[6-8]

Lora通信模塊采用Semtech公司的基于線性擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)的半雙工射頻收發(fā)器為核心設(shè)計(jì)，該模塊工作頻段為433 MHz，輸出功率則可以達(dá)到22 dB，信號(hào)接收靈敏度高達(dá)-148 dB，內(nèi)部采用向前糾錯(cuò)技術(shù)，使其在通信鏈路上的魯棒性極大提高，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠很好地適應(yīng)煤礦井下惡劣的工況環(huán)境。電路原理圖如圖4所示，設(shè)計(jì)了通過多個(gè)LC無源濾波電路對(duì)發(fā)射端和接收端的噪聲進(jìn)行抑制，有主控芯片通過SPI總線控制其配置、狀態(tài)及緩存寄存器，再結(jié)合PE4259射頻開關(guān)控制其收發(fā)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)通信[9-10]。

圖4 LoRa通訊模塊設(shè)計(jì)

3.3 本安電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于煤礦井下工作環(huán)境的特殊性，《煤礦井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備通用要求》規(guī)定，井下電氣設(shè)備必須屬于本質(zhì)安全型設(shè)備，需要對(duì)其輸入輸出的電氣功率進(jìn)行限制，進(jìn)而保證井下設(shè)備的使用安全。該系統(tǒng)考慮到井下工況環(huán)境惡劣，電源波動(dòng)大，噪聲強(qiáng)，電磁干擾嚴(yán)重等因素的影響，最終選用LT4356與IRLR2908設(shè)計(jì)了兩級(jí)本安電源保護(hù)電路，LT4356是一款工業(yè)級(jí)的浪涌抑制芯片，其內(nèi)部設(shè)計(jì)了過壓保護(hù)、過流保護(hù)及防反接保護(hù)功能，完全滿足了該系統(tǒng)電源本安化的處理要求。電路原理圖如圖5所示，R25為高精度電阻，由LT435通過VCC與SNS兩引腳進(jìn)行采樣，再通過其內(nèi)部的高精度比較器判斷電流狀態(tài)，通過GATE引腳控制場(chǎng)效應(yīng)管IRLR2908的關(guān)斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電源過流保護(hù)功能。過壓保護(hù)是通過FB引腳的電壓采樣值與其內(nèi)部另一高精度比較器進(jìn)行比較判定，同樣反饋到GATE引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)IRLR2908的關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)行控制。

圖5 本安電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)

4 軟件設(shè)計(jì)

該軟件系統(tǒng)作為瓦斯抽采監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行軟件，主要實(shí)現(xiàn)了氣體流量、瓦斯?jié)舛?、抽采壓力三參?shù)的數(shù)據(jù)采集，以及LoRa遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。該軟件的運(yùn)行流程如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行各硬件模塊的初始化設(shè)置，完成后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，若自檢不成功則重新進(jìn)行自檢，成功后讀取系統(tǒng)時(shí)間，若未到達(dá)設(shè)定的采樣時(shí)間則首先讀取LoRa模塊中的接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并判斷該數(shù)據(jù)是否符合轉(zhuǎn)發(fā)條件，若符合則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)完成后跳轉(zhuǎn)至采樣時(shí)間判斷流程，若不符合則直接跳轉(zhuǎn)至采樣時(shí)間判斷流程，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)采樣時(shí)間時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，首先通過SPI總線配置MAX35104寄存器，隨后發(fā)送采樣指令，當(dāng)采樣完成后從結(jié)果寄存器中讀取采樣結(jié)果，完成流量采集后再通過UART接口讀取瓦斯?jié)舛炔蓸咏Y(jié)果，最后再通過內(nèi)部ADC完成抽采壓力參數(shù)采樣，數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示，完成后判斷當(dāng)前LoRa模塊狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)占用中，則進(jìn)行等待，若網(wǎng)絡(luò)空閑則進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，完成后跳轉(zhuǎn)至采樣時(shí)間判斷流程，依次循環(huán)進(jìn)行瓦斯抽采的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

5 性能測(cè)試

為了更好地驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)于氣體流量、瓦斯?jié)舛燃俺椴蓧毫θ齾?shù)測(cè)量準(zhǔn)確性，分別通過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了性能測(cè)試[13-15]。

(1)氣體流量測(cè)量準(zhǔn)確性測(cè)試

氣體流量測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)裝置采用臨界流文丘里噴嘴標(biāo)定臺(tái)進(jìn)行，測(cè)試方法參照J(rèn)JG 1030—2007《超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》，測(cè)量點(diǎn)數(shù)為10，測(cè)試的流量范圍為0.2 m3/min ～4.5 m3/min，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 氣體流量測(cè)試曲線

(2)瓦斯?jié)舛葴y(cè)量準(zhǔn)確性測(cè)試

瓦斯?jié)舛葴y(cè)試?yán)脴?biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)比法進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試方法參照AQ6211—2008《煤礦用非色散紅外甲烷傳感器》進(jìn)行，在滿量程內(nèi)選擇0.5%，8.5%，20%，35%，60%，85%這6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試曲

(3)氣體壓力測(cè)量準(zhǔn)確性測(cè)試

氣體壓力測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)裝置采用高精度數(shù)字壓力計(jì)，測(cè)試方法參照MT 393—1995《礦用壓差傳感器通用技術(shù)條件》，測(cè)量點(diǎn)數(shù)為2，測(cè)試的氣體壓力范圍為0 kPa至200 kPa，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 壓力測(cè)試曲線

由上述三組測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果可知，本系統(tǒng)氣體流量參數(shù)的測(cè)量誤差小于±2%，滿足JJG 1030—2007《超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》中規(guī)定的2.0級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)要求；瓦斯?jié)舛葏?shù)測(cè)試結(jié)果表明測(cè)量誤差不足±3%，滿足AQ6211—2008《煤礦用非色散紅外甲烷傳感器》標(biāo)準(zhǔn)中B類傳感器小于6%甲烷濃度誤差的規(guī)定；氣體壓力參數(shù)測(cè)試的基本誤差小于±0.4%，達(dá)到了MT393—1995《礦用壓差傳感器通用技術(shù)條件》中0.5級(jí)的準(zhǔn)確度等級(jí)。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)小孔徑的瓦斯抽采孔為基本單元，該文構(gòu)建了礦用無線節(jié)點(diǎn)式瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管道流量、濃度、壓力三個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量和無線LoRa傳輸功能。

(2)完成了礦用無線節(jié)點(diǎn)式瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用高精度的時(shí)間轉(zhuǎn)換MAX35104為核心的氣體流量采集單元以及LoRa無線通信模塊；同時(shí)為了滿足煤礦井下條件，設(shè)計(jì)了LT3456與IRLR2908的兩級(jí)本安電源保護(hù)電路，并完成配套系統(tǒng)軟件。

(3)針對(duì)系統(tǒng)樣機(jī)的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：管道流量、濃度、壓力三個(gè)參數(shù)滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為煤礦井下瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了有力的流量監(jiān)測(cè)裝備。