【摘要】：隨著我國(guó)煤炭經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,煤礦的安全生產(chǎn)也越來(lái)越引起重視。伴隨在生產(chǎn)中的瓦斯事故在礦井事故總數(shù)中占比極重,且頻繁發(fā)生,嚴(yán)重地威脅到煤礦的生產(chǎn)安全,而采用甲烷監(jiān)控裝置對(duì)瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)控對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。甲烷監(jiān)控裝置是礦井安全生產(chǎn)中最重要的輔助設(shè)備,通過(guò)測(cè)量濃度、邏輯判斷和執(zhí)行輸出三個(gè)部分完成預(yù)定的報(bào)警閉鎖控制功能。裝備于煤礦輔助運(yùn)輸設(shè)備單軌吊車上的甲烷監(jiān)控裝置普遍采用黑白元件,檢測(cè)精度和可靠性不高,需要頻繁調(diào)校。其次,該裝置普遍工作于單機(jī)模式,僅僅對(duì)裝置附近的濃度進(jìn)行檢測(cè),不能與其他設(shè)備聯(lián)合工作實(shí)現(xiàn)更為安全的管理控制功能。除此之外,在輸出環(huán)節(jié)上,現(xiàn)有裝置采用了傳統(tǒng)的電磁繼電器,延時(shí)長(zhǎng),可靠性低,不能保證煤礦的安全生產(chǎn)。針對(duì)現(xiàn)有甲烷監(jiān)控裝置測(cè)量誤差大、閉鎖輸出可靠性低、通信功能不完善等問(wèn)題,自主設(shè)計(jì)了一套甲烷監(jiān)控裝置,并研發(fā)了裝置的硬件和軟件。具體研究?jī)?nèi)容如下:查閱相關(guān)文獻(xiàn),了解了目前的研究動(dòng)態(tài)和產(chǎn)品現(xiàn)狀,結(jié)合太原礦機(jī)電氣股份有限公司多年來(lái)對(duì)該類產(chǎn)品的使用體驗(yàn)以及新需求,構(gòu)建和規(guī)劃了裝置的總方案。采用面向?qū)ο�、系統(tǒng)化的方法開發(fā)裝置,在分析需求的基礎(chǔ)上,明確功能規(guī)劃,設(shè)計(jì)了裝置的框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)裝置框架結(jié)構(gòu),選擇基于半導(dǎo)體激光器的光譜吸收原理的檢測(cè)頭檢測(cè)濃度;選擇RS-485總線、CAN總線以及無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝置的數(shù)據(jù)通信功能;選擇新型固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)可靠閉鎖控制。在確定關(guān)鍵部位后,設(shè)計(jì)了STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、濃度檢測(cè)接口電路、緩啟動(dòng)電路、雙電源切換電路、電池充電管理電路、閉鎖輸出電路、聲光報(bào)警電路、頻率輸出電路、人機(jī)交互單元(包括按鍵和顯示部分)、RS-485、CAN以及無(wú)線通信接口等硬件電路。在硬件電路基礎(chǔ)上,采用自上而下和自下而上相結(jié)合的軟件設(shè)計(jì)方法,劃分多任務(wù)如故障處理任務(wù)、按鍵掃描任務(wù)等,編寫了存儲(chǔ)訪問(wèn)STM32的FLASH的讀寫程序、頻率輸出更新程序和禁止頻率輸出程序、用于實(shí)現(xiàn)信息交互的顯示和按鍵程序,以及CAN通信程序、無(wú)線模塊的串口與網(wǎng)絡(luò)的通信程序,最后,通過(guò)μC/OS-Ⅱ管理調(diào)度各任務(wù)及子程序,來(lái)實(shí)現(xiàn)通信、按鍵設(shè)置、濃度檢測(cè)與顯示、頻率輸出等功能。最后,在實(shí)驗(yàn)室條件下,進(jìn)行裝置的運(yùn)行調(diào)試,并用檢定裝置KA83J檢定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求,滿足功能需求,運(yùn)行可靠穩(wěn)定;實(shí)現(xiàn)了外部電源和備用電池的切換供電,以及對(duì)充電電路的供電控制;實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池的充電管理;能夠完成濃度檢測(cè)、存儲(chǔ)參數(shù)以及恢復(fù)初始化設(shè)置等任務(wù);能夠可靠閉鎖輸出以及聲光報(bào)警;能夠可靠通信,實(shí)現(xiàn)濃度上傳等功能。
【圖文】：

、表面化學(xué)、微電子學(xué)（如平面工藝）、ME件配對(duì)工藝的優(yōu)化，出現(xiàn)了泡沫金屬基整體使得在穩(wěn)定性與可靠性、抗毒能力、反應(yīng)產(chǎn)的檢測(cè)元件。除了對(duì)檢測(cè)元件進(jìn)行小型化等電路，使得濃度測(cè)量更準(zhǔn)確。目前，市場(chǎng)黑白元件檢測(cè)濃度，如加拿大 BW GP-WD工藝與技術(shù)的進(jìn)步，一定程度上解決了催化功耗大的問(wèn)題，但是依舊存在氣體選擇性差響，需要 7-14 天進(jìn)行一次調(diào)校。原理如圖 1-2，不同濃度的氣體的折射率不介質(zhì)中的傳播路程會(huì)變化，，導(dǎo)致干涉圖像產(chǎn)甲烷濃度的關(guān)系[7]。

圖 1-3 WMS 模型Fig.1-3 WMS model直接吸收法是最簡(jiǎn)單的氣體吸收光譜檢測(cè)技術(shù)。向氣體通入一定頻率的激光，激被氣體吸收，此時(shí)，檢測(cè)輸出與輸入光強(qiáng)，求得氣體濃度。而在實(shí)際中，檢測(cè)到的與輸入光強(qiáng)受光源影響大，尤其是將激光的波長(zhǎng)穩(wěn)定在吸收峰附近比較困難，而波變化將直接導(dǎo)致吸收強(qiáng)度的變化，產(chǎn)生檢測(cè)誤差；此外，由于甲烷對(duì)光的吸收比較，接收到的信號(hào)中會(huì)帶有很強(qiáng)的噪聲，所以很難用式（1-2）來(lái)直接推算甲烷濃度檢測(cè)中為了抑制干擾，使用一定的技術(shù)對(duì)吸收過(guò)程加以控制，常用的方法有對(duì)輸入和波長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制等，其中波長(zhǎng)（頻率）調(diào)制對(duì)光源的不穩(wěn)定和檢測(cè)端帶入的都有很好抑制作用，可以達(dá)到很高的測(cè)量精度。波長(zhǎng)調(diào)制法利用激光器可以發(fā)出窄帶寬的單色光束的特點(diǎn)，通過(guò)注入“鋸齒波+正弦”的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)激光頻率和輸入光強(qiáng)的掃描和調(diào)制，實(shí)現(xiàn)在吸收峰附近的精細(xì)掃描，圖 1-4（a）。由于吸收的非線性，此時(shí)，輸出波形如圖 1-4（b），包含有高次諧波信號(hào)
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD76

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本文編號(hào)：2599227