矿用甲烷传感器标校系统设计研究

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摘要：针对煤矿用甲烷传感器检测劳动强度大、工作效率低、安全性差等问题，设计了一套矿用甲烷传感器标校测试系统。该系统硬件是将各个检测模块进行电气化改造。系统软件采用虚拟仪器作为软件开发平台。通过试验验证，设计的矿用甲烷传感器标校系统可实现检测的自动化、精确化和安全化，能够降低劳动强度、提高工作效率和安全性，保障了煤矿的安全生产。

关键词：甲烷传感器；标校系统；虚拟仪器；安全生产

0引言

煤矿安全生产事关人民群众的生命财产安全，是全国安全生产的重中之重[1]。全面推行危险气体防治和抽采利用工作，是完善煤矿企业安全生产保障体系，提升煤矿安全生产总体水平的主要任务[2]。瓦斯气体传感器作为煤矿安全监控系统的感知器，必须在其安全可靠工作的前提下，整个煤矿安全监控系统才可以实现准确的测量和检测数据的传输[3]。矿用甲烷传感器作为最关键的装置，它是煤矿安全监测监控系统能否有效地正确反映被测环境参数的基础[4]。因此，针对矿用甲烷传感器的检测检验就显得尤为重要。但是针对矿用甲烷传感器的检测检验工作劳动强度大、工作效率低、安全性差的问题，设计了一套矿用甲烷传感器标校系统。该标校系统可实现检测的自动化、精确化和安全化，能够降低劳动强度、提高工作效率和安全性，保障煤矿的安全生产。随着煤矿智能化的发展，检测控制系统的出现极大地提高了产品的测试速度和精度[5]。虚拟仪器技术主要应用于仪器设备的控制、测量分析和数据采集、显示分析，利用其进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统，可大大提高工作效率[6]。系统软件采用虚拟仪器作为开发平台，把虚拟仪器技术与测控技术有力地结合在一起，建立矿用甲烷传感器检测系统、数据采集系统、原始数据存储与调用为一体的标校平台。实现了矿用甲烷传感器的快速、准确、稳定检测，提高了检测效率。

1系统硬件结构设计

矿用甲烷传感器标校系统主要由气瓶、矿用甲烷传感器、质量流量控制器、减压阀、调压过滤阀、气路系统、上位机等组成。按照矿用甲烷传感器的检测检验要求进行系统设计，以矿用甲烷传感器作为被测对象，在对标校装置整体机构分析的基础上，设计了矿用甲烷传感器标校系统。系统结构设计图如图1所示。其中，气瓶选用腾龙公司的标准一级气体。减压阀选择费斯通生产的二级减压阀，用于瓶体的压力控制。过滤阀门用于气体介质过滤，为了确保进行检测校准气样中的高纯净度，提高检测检验的准确性。质量流量阀用于输入被测甲烷传感器的输入流量控制单元，可通过软件进行高步进精度控制，以达到准确测量。同时选用研华的数据采集卡，作为传感器以及阀体的数据上采工作。上位机选用研华的工控机，实现人机交互。同时还设置硬件手动结构，当软件系统出现故障时，为了不影响检测检验工作，还可以采用手动方式进行操作，增加矿用传感器检测检验的灵活性。针对已有矿用甲烷传感器的型号和种类，对应的标准气体种类、测量的量程、检验所需的气体流量各有不同，为了方便检测检验人员操作，系统选用数据库技术对被测传感器类型进行系统维护。针对矿用甲烷传感器检测的整个测试过程，系统根据标校装置采集上来的数据和被测矿用甲烷传感器的量程对传感器浓度进行换算，待采集数据稳定之后，再进行数据存储和报表与数据自动关联。根据标准气浓度进行甲烷传感器浓度的基本误差测定，并利用数据库技术实现传感器性能判定，以此来达到矿用甲烷传感器的快速、准确、稳定检测。

2系统软件流程设计

系统软件设计原则一是结构清晰，层次分明、各层内部结构简单，易维护，易查错；二是系统软件应具有一定的灵活性，尽可能满足不同的应用需求；三是交互界面友好，使检验操作人员尽可能的简单、直观；四是系统应具有一定的安全性和稳定性。为了使矿用甲烷传感器检测达到快速、高效率的测试效果，不仅要有合理设计和选用硬件电路之外，而且还要有较高质量的运行软件来对各个硬件部分进行有效的控制和管理工作。整个检测系统应用软件及测试用例使用NI公司的LabVIEW2020进行开发设计，软件运行环境为Windows10操作系统。矿用甲烷传感器标校系统软件在设计时运用由上而下的设计思想，并采用了模块化和层次化的设计方法。根据系统的总体要求和性能参数，将系统软件划分成几个不同的功能模块，然后再将各个功能模块逐步分解成为单独的模块。标校流程图如图2所示。在进行传感器标校时，首先是登录测试软件，根据被测传感器的硬件接入通道来确定选择的通道，然后对被测传感器以及通道参数进行设计，接下来需要确认气路是否处于可运行状态，开始校验。如果校验过程中发现有偏离，然后返回气路再次确认后，重复校验工作。校验合格或不合格后进行数据的存储和报告打印工作，标校流程就进行完毕了。在检验的过程中，还应该注意被测传感器的类型，在进行参数设置和通道选择时，应设置正确。其次，配气过程也应该确保输入被测传感器敏感元件，保持气流的稳定，可在检测过程中设置气流流量和时间，待数据稳定后再进行检测工作。

3甲烷传感器标校试验方法

3.1标校环境条件依据矿用甲烷传感器行业标准要求，针对传感器检测检验有着明确的环境要求，确保检测过程和数据的可靠性和稳定性，其检验环境条件如下：(1)温度：(15~35)℃。(2)相对湿度：45%~75%。(3)大气压力：(80~116)kPa。

3.2基本误差测定传感器基本误差测定是对被测传感器测量准确度的一个衡量，是表征其质量好坏的关键性参数，同时也是煤矿安全的关键性指标参数。其检验流程如下，首先要给被测甲烷传感器进行通电，让其稳定工作以后，再按照标准规定的流量，用压缩空气的标准气体校准传感器3次，等待传感器零点在洁净空气中稳定以后，按标准规定流量向传感器分别依次通入传感器，测量范围为0.5%、1.5%、2.0%、3.5%的标准甲烷气体各3分钟，同时记录传感器的显示值。然后重复测量，取测试的算术平均值与标准气样的差值作为基本误差的测量值。软件基本误差试验算法如图3所示。

3.3响应时间测定传感器响应时间测定是用来表征被检测传感器的响应质量的参数。检测方法如下，首先要给被测甲烷传感器进行通电，让其稳定工作以后，再按照标准规定的流量，用压缩空气的标准气体校准传感器等待传感器零点在洁净空气中稳定以后，通入传感器测量范围的2.0%甲烷标准气样，记录仪器显示值达到标准气体90%浓度时的时间，重复3次，取其平均值。响应时间试验算法如图4所示。

3.4工作稳定性测定工作稳定性是衡量传感器的关键的参数之一，它是矿用传感器稳定可靠运行的关键性测试项目。具体的检测方法如下，首先把适检的传感器放置在稳定性试验装置中，在稳定箱中连续通入0.5%的标准甲烷气体运行12h，然后再按标准规定流量依次通入压缩空气和1.5%的标准甲烷气体各3min，记录显示值和输出信号值，然后在空气中连续运行12h后，按标准流量通入1.5%的标准甲烷气样3min，记录显示值和输出信号值。连续试验15d，试验期间不能调整被测传感器的状态。工作稳定性试验算法如图5所示。3.5风速影响试验把适检的传感器放置在风洞之中，在风流为零时对被测甲烷传感器的基准进行记录，同时记录显示值，启动风机，调整风速为8m/s，人为使被测传感器绕悬挂轴线方向移动，寻找其受风速影响的点位位置，固定此位置，每30s记录1次指示值，共记录3次，取其算数平均值和基准点的差值作为漂移量。在这个过程中，需要注意的是，一是要确保被测传感器的状态，使其一直处于稳定工作条件下进行。二是要确保环境的稳定可靠，尤其是提供的风速场需要稳定。

4结论

（1）文章从矿用甲烷传感器的检测检验出发，为了提高检测效率、降低劳动强度、提升甲烷传感器的检测安全性问题，设计了一套矿用甲烷传感器标校测试系统。（2）设计的矿用甲烷传感器标校测试系统。硬件将气瓶、减压阀、过滤阀、质量流量计、采集卡以及工控机进行了电气化改造。软件应用虚拟仪器技术和测控技术，根据检测检验要求，针对不同型号类别的甲烷传感器进行了标校软件设计，形成检测检验的上位机人机交互系统。（3）针对矿用甲烷传感器的典型试验，基本误差测定、相应时间测定、工作稳定性测定试验以及风速影响试验进行了详细的描述，分步骤对检测检验过程进行了分析以及检测过程中的注意事项，并给出了软件后台运行程序。（4）通过实验验证，设计的矿用甲烷传感器标校测试系统可以实现矿用甲烷传感器的快速、准确、稳定、安全检测，提高了检测效率。

作者:谢文强 单位:中煤科工集团西安研究院有限公司