首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 嵌入式系统基础上煤层压裂气体监测仪研究

嵌入式系统基础上煤层压裂气体监测仪研究

2020-12-09 153 上传者：管理员

摘要：针对目前使用的煤层压裂气体监测设备中，传统半导体气体监测体积大、气体检测精度低且响应时间长等缺点，设计了一种小体积多气体监测仪。测试结果表明，该仪器检测气体浓度精度高且响应时间短，可满足煤矿工业标准要求。

关键词：
GS1010
STM32F103ZET6
数据采集
气体监测设备
电化学传感器
加入收藏

在煤层气压裂过程中，会发生瓦斯突出以及人员伤亡事故，为了保障安全生产，要求对这类气体进行准确实时监测，从而避免气体超标所带来的危害。

目前，气体监测仪多以电池供电，需要维护人员定期更换电池以保证仪器的持续运行，维护人员进入压裂现场，会对其安全带来隐患。传统半导体气体传感器是广谱性敏感材料，具有灵敏度低、选择性不好、稳定性较差、必须工作于高温下、功耗较高等缺点。同时，为了实现对多种气体的有效监测，气体传感器必须分时复用地监测不同气体。这就导致整个仪器的功耗非常大，削弱了仪器的实用优势。因此，本文设计了一款基于嵌入式系统的煤层压裂气体监测仪。

1、基于嵌入式系统的煤层压裂气体监测仪总体方案设计

本文基于嵌入式系统的煤层压裂气体监测仪设计的气体监测仪，能够实现在煤层压裂技术中对H2S、CO气体的监测。主要功能单元包括电化学传感器、核心主控制器单元、无线发射单元、串口单元、电源供电单元。总体设计方案如图1所示。灵活的接口方式和无线射频板扩展接口可以支持多种传感器采集板。

图1总体设计方案

2、气体监测仪硬件设计

(1）气体传感器信号调理电路设计

电化学传感器功耗低，能满足严格的煤矿防爆要求；有较好的抗干扰性能；有稳定的、较高的输出性能，测量精度高；有较好的线性特性与温度性能；传感器灵敏度不易受到环境因素的影响。综上所述，电化学传感器适用于为煤矿工业生产环境中监测气体浓度。本文使用电化学传感器监测H2S、CO浓度。具体选型如表1所示。

表1气体传感器选型

信号调理电路如图2所示，如无该电路，传感器输出的信号比较微弱。通过该电路后，输出信号可以被滤波放大。传感器输出的微弱电流信号，需要先转换成电压信号，然后再滤波放大，便于A/D采样后处理运算。

图2信号调理电路

1.CO传感器调理电路2.H2S传感器调理电路

(2）硬件电路设计

硬件电路功能上主要有数据采集接口、数据存储接口、数据通信接口、下载调试、晶振及电源等。电源采用5V直流电，STM32需要3.3V电源供电。因此，选用TPS79533转换电源电压，为整个系统供电。硬件设计电路如图3所示。

图3电路设计

AD芯片是数据采集电路的核心。考虑到多路气体信号，因此在AD7663采样之前加ADG706作为多路复用开关。经调理后的传感器信号连接至ADG706的16个输入端S1～S16。ADG706的地址端A0～A3确定通道的选址。A0～A3连接STM32的PE2～PE5端口，EN使能端与STM32的PE6端口相连。REF3025的2.5V基准电压源输出端与AD7663的REF管脚连接。ADC7663的输出端采用16位并行输出模式，数据总线D0～D15连接STM32的PF0～PF15。

本设计使用的GS1010模块集成了射频电路、晶振及电源模块，用户只需要设计下载调试电路以及外部数据接口。GS1010与微控制器之间的数据传输采用SPI总线方式。GS1010的ALARM引脚与STM32的PAI口相连。GS＿INT引脚的高低电平变化来唤醒GS1010，实现后续通信处理。

3、气体监测仪软件设计

软件设计采用模块化的设计思路，分别设计了主控制器程序、数据采集程序以及GS1010无线通信程序等。主控制器软件基于RT-Thread/STM32Q嵌入式系统平台开发。首先初始化STM32的系统时钟，然后调用rtthread＿startup()函数。该设计中创建了3个用户线程，分别为数据采集线程、数据存储线程和数据通信线程。软件总体流程图如图4所示。

图4主程序设计

4、试验数据分析

煤矿用气体监测仪的行业标准对气体检测精度、响应时间都有具体的指标约定。对这两项指标的测试是检测所设计的气体监测仪能否满足煤矿工业使用要求的先决条件。

(1）测试方法

(1)环境条件温度15～35℃；湿度45%～75%；大气压80～116kPa。

(2)测试气样如表2所示。试验用主要仪器气体流量计（30～300mL/min），秒表（分度值为0.01s）。

表2传感器测试气样

(2）仪器检测精度测试

以CO气体检测为样例记录测试过程。流量计设定为40mL/min，按照规定的40mL/min流量分别向CO传感器通入20×10-6、500×10-6、750×10-6三种不同浓度气样3min后，读取上位机显示的浓度值，重复4次，取后3次的算术平均值与标准气样的差值做对比，得到CO测试基本误差，结果如表3所示。

表3CO气体测试基本误差测定

(3）仪器响应时间测试

按照规定流量通入洁净空气，以相同的流量分别通入50%的标准气样3min，记录显示值。然后通入清洁空气，待传感器零点稳定后，把以相同的流量通入量程50%的标准气样的注气装置迅速换到取样头上，并开始记录传感器的指示值达到原显示测量值90%所需要的时间，测量3次，取其平均值，气体响应时间的测试结果如表4所示。

表4气体传感器响应时间

两项指标测试后的数据表明，该气体监测仪检测气体浓度精确度高，且响应时间短，符合煤矿工业使用气体监测装置的标准。

(4）无线通信性能测试

使用Wireshark软件自带工具，捕捉数据包到达时刻。对100m处节点在无信道竞争情况下测试，测试结果如图5所示。

图5上位机收包间隔

5、结语

本文提出了一种基于嵌入式系统的煤层压裂气体监测仪设计方案，给出了主要软硬件的具体实现方案，并通过真实气体测试了仪器的检测精确度、响应时间等性能。试验结果表明，该仪器检测精度高、响应时间短，且无线通信性能较好，较好地解决了传统气体监测仪存在的不足。

参考文献：

[1]刘甜甜.工业有毒气体无线自动监控系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2012.

[2]何荣哲,唐祯安.新型太阳能供电的气体传感器网络节点[J].仪表技术与传感器,2015(9):63-66.

[3]韩卫济,孙鹤,徐光,等.气体传感器综述[J].计算机产品与流通,2018(2):277.

[4]冉多钢,丰柱坤,刘伟玲,等.气体传感器信号提取关键技术研究[J].仪表技术与传感器,2016(10):24-27.

[5]胡森荣,朱宗玖.基于LoRa与HMM的煤矿安全监测系统设计[J].煤矿机械,2020,41(7):7-9.

[6]林彬.基于Wi-Fi的无线传感器网络检测系统的设计[D].成都:西南交通大学,2016

[7]吕乃侠,邓光峰.煤矿用高低浓度甲烷传感器检定/校准作业指导书[J].工业计量,2011,21(S1):148-150.

王晴晴,左羽,崔忠伟,吴恋.基于嵌入式系统的煤层压裂气体监测仪设计[J].煤矿机械,2020,41(12):14-16.

基金:2020年贵州省科技厅基础研究计划(黔科合基础[2020]1Y258);国家自然科学基金资助项目(11761023);2020贵州省教育厅自然科学研究项目(创新群体[023]);贵州师范学院一流大学建设一流平台项目“大学生创新创业训练计划项目管理系统”(贵师院发[2018]100号);2016年贵州省省级重点支持学科“计算机应用技术”(黔学位合字ZDXK[2016]20号).