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基于数据态势分析的矿井甲烷浓度检测技术研究

2024-08-05 55 上传者：管理员

摘要：甲烷是影响煤矿安全的主要隐患之一，甲烷传感器是检测矿井甲烷浓度的主要设备，广泛应用于高瓦斯矿井中。随着矿井巷道环境的日益复杂，甲烷传感器检测数据的可靠性面临严峻挑战。针对煤矿用甲烷浓度传感器的可靠性检测技术，提出了一种基于数据态势分析的矿井甲烷浓度检测方法，制定了一套甲烷浓度传感器的设计方案，旨在提高传感器的准确性和可靠性，提升传感器的智能化应用水平，为煤矿安全提供更有力的技术保障。

关键词：
干扰识别
抗干扰技术
数据态势分析
智能化
甲烷传感器
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甲烷浓度传感器是煤矿巷道甲烷浓度检测的重要感知设备。在煤矿环境中，由于存在一氧化碳、硫化氢等气体，特别是部分矿井因使用柴油机车等装备，井下巷道存在较高浓度的一氧化碳气体。而这正是部分甲烷浓度传感器较敏感的气体类型，易引起“误报警”,极大影响煤矿安全生产[1]。鉴于此，本文将针对煤矿用甲烷浓度传感器的可靠性检测技术进行研究，提出一种基于数据态势分析的矿井甲烷浓度检测方法，以提高传感器的准确性和可靠性，并提出甲烷浓度传感器设计方案，为煤矿安全监控系统提供可靠的感知数据提供参考。

1、煤矿甲烷浓度传感器的应用现状

目前，煤矿中广泛应用的甲烷传感器主要采用载体催化式、热导式、半导体、非色散红外式等技术原理，同时近年来激光检测技术也逐渐得到发展。基于载体催化燃烧原理的敏感元件，虽然价格相对较低，在煤矿中得到广泛应用，但它们也存在测量精度不高、零点易漂移、易中毒以及双值特性等问题[2-4]。相比之下，基于光学检测技术原理的甲烷浓度传感器在抗电磁干扰和其他干扰气体影响方面具有明显优势，近年来应用越来越广泛。其中，中煤科工集团重庆研究院有限公司(以下简称“重庆煤科院”)的GJJ100(A)型激光甲烷传感器就是典型的代表。随着科技的进步，煤矿甲烷浓度传感器的应用也在向智能化、网络化方向发展[5]。系统不仅应实现监测监控的功能，还应在软件技术上提供相应的研发能力，包括根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析并提出专家决策方案等，从而为煤矿安全生产提供更为可靠的保障。

2、数据态势分析技术

2.1 传感器数据态势分析必要性

一般情况下，甲烷浓度传感器无法避免地会受到多种外界干扰因素的影响，如电磁扰动、环境温度压力变化以及其他干扰气体的存在等，这些干扰因素使得传感器数据存在非规律性波动，进而引发传感器的“误报警”现象[6-7]。误报警的存在直接影响了煤矿安全监控系统数据的可靠性，严重的情况下甚至可能导致监控失效，从而对煤矿的安全生产构成威胁，并危及煤矿工人的人身安全。

2.2 数据态势分析技术原理

基于数据态势分析的甲烷浓度传感器自适应识别方法，核心在于分析甲烷检测数据的变化趋势，以甄别非规律性的异常数据(即伪数据)。

首先，采集监测点的甲烷浓度信号d1,d2,d3,…,dn,数据采样间隔为Δt。当有甲烷浓度产生时，判断甲烷浓度信号d1,d2,d3,…,dn是否构成递增数列。若不构成递增数列，则继续采集数据；若构成递增数列，则标记为一次疑似甲烷浓度发生过程。接着，计算所述甲烷浓度信号的d1,d2,d3,…,dn的斜率值kn。将计算得到的斜率值kn与参考斜率值k进行比较，若kn≥k,则标记为一次甲烷浓度变化发生过程。随后，计算甲烷浓度信号dn与基准零点Z的差值Δd。若Δd≥D(D为甲烷变化趋势预设的灵敏度阈值),则判定有甲烷浓度产生。这里，甲烷浓度信号斜率值kn按式(1)计算。

kn=(dn-dn-1)/Δt(1)

该方法采用基于数据态势分析的甲烷浓度传感器来采集监测点的甲烷浓度信号。这种甲烷浓度传感器具备自适应调整的能力，能够根据煤矿巷道空气环境的差异，自动调节其基准零点Z。

3、传感器设计

3.1 总体方案设计

基于数据态势分析的矿井甲烷传感器主要由以下3个部分组成：一是甲烷浓度采集单元，负责采集监测点的甲烷浓度信号；二是信号处理单元，负责将甲烷浓度信号转换成数字信号，并将转换后的甲烷浓度信号发送给控制器；三是微控制器，负责存储计算程序及算法。如图1所示，这些单元协同工作，共同构成了整个传感器系统。

图1 基于数据态势分析的传感器原理框图

信号处理单元包括模拟信号放大滤波电路和模数(A/D)转换器。模拟信号放大电路的输入端与甲烷浓度传感器的输出端连接，A/D转换器的输出端与微控制器的输入端连接。

3.2 核心硬件设计

基于数据态势分析的甲烷传感器电路原理图如图2所示，传感器电路的微控制器采用TI TM4C123系列单片机，主要包括电源模块、声光报警电路、信号处理电路、显示电路等部分功能电路组成。TI TM4C123采用Cortex M4内核，集成了ARM单精度浮点数内核和高性能模数转换器，同时提供低至 1.6 μA的低功耗模式，具有128 KiB以上的闪存和16 KiB SRAM的高速嵌入存储器，同时具有各种增强性外设和I/O,提供标准的通信接口(UART、CAN等),具有多路12位ADC接口以及通用16位/32位计时器，便于传感器的设计与功能拓展。

图2 基于数据态势分析的甲烷传感器电路原理图

传感器将甲烷气体浓度检测的电压信号输送至预处理电路，经过放大、滤波后进入A/D转换器。微控制器根据甲烷浓度函数及A/D数值计算出被测环境中甲烷气体的浓度值。在此过程中，微处理控制器还实时运行数据态势分析处理软件，以精准识别数据的可信度，并将识别结果进行显示和信号上传。最后，根据用户设定的报警值，微处理控制器触发声光报警以警示甲烷浓度超标。

3.3 数据处理软件设计

元件检测信号经过预处理后，微控制器会将转换后的数字信号输入嵌入式软件中，并按照数据态势分析的技术方案进行处理。整个处理流程如图3所示，主要包括数据单调性判断、数据变化斜率计算以及数据计算基准点修正等步骤，最终可以得出甲烷数据变化的预警识别结果。

图3 数据态势分析流程原理框图

4、应用实践

重庆煤科院开发的GJ4/100型高低浓度甲烷传感器、GJJ100(A)型激光甲烷传感器等产品，均采用了数据态势分析识别技术。这些技术通过对比监测点的甲烷浓度信号变化情况与甲烷浓度发生过程，有效判断采集到的甲烷浓度信号是否存在异常。这样一来，即使在煤矿巷道中存在硫化氢、一氧化碳等气体干扰的情况下，也能避免误识别现象的发生。这种技术能够剔除干扰数据，从而提高甲烷传感器的数据可信度，进而提升甲烷浓度报警的可靠性和稳定性。

目前，这些产品在乌海能源集团下属的煤矿进行了试点应用。在选取的工作面、上隅角、回风巷道等典型应用地点，共安装了100余套甲烷传感器。通过连续一个月的应用监测，这些传感器的检测数据及状态数据均正常上传至监控平台，在此期间并未出现任何干扰导致的误报警现象。这一应用实践充分证明了该技术的有效性和可靠性。

5、结语

本文采用基于数据态势分析的矿井甲烷浓度检测方法，从硬件和软件设计两方面入手，对甲烷浓度传感器进行了精心设计。这些技术措施旨在提升甲烷传感器的准确性和可靠性，从而为煤矿安全监测提供更为科学和准确的数据支持。在未来的研究工作中，仍需要持续优化硬件和软件设计，完善技术方案，以应对日益复杂和严苛的监测环境，增强甲烷传感器的测量稳定性，并推动其智能化应用水平的提升。

参考文献:

[1]史雪莹,邹亚囡,吴青云.对气体传感器数据集的处理分析方法[J].吉林化工学院学报,2022,39(11):1-5.

[2]吴玉峰,田彦文,韩元山.气体传感器研究进展和发展方向[J].计算机测量和控制,2003,11(10):731-734.

[3]石发强.矿用产品金属外壳的电磁屏蔽效能分析[J].工矿自动化,2014,40(12):18-21.

[4]朱前伟.煤矿安全监控系统及组成设备抗干扰设计[J].工矿自动化,2017,43(6):18-21.

[5]唐金元,王翠珍,任秀芳,等.带阻滤波器的设计与仿真研究[J].仪表技术,2023(1):64-68.

[6]唐金元,蔡慧敏,张鹏明.双调谐互感耦合谐振放大器电路特性分析与仿真研究[J].仪表技术,2023(4):65-69.

[7]王振廷,齐娜,宁金明,等.热电偶传感器外壳体交流干扰对电路输出的影响[J].传感器与微系统,2023,42(12):79-82.

基金资助:中煤科工集团天地科技创新重点项目(2023-TD-ZD001-005); 乌海能源公司科技项目(国乌-信息公司[2022]68号);

文章来源:薛艳龙,梁光清.基于数据态势分析的矿井甲烷浓度检测技术研究[J].仪表技术,2024,(04):71-73.