CN105261138A - 基于mems技术皮带火灾无线监测装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置，包括地面设置的工控机通过传输信号线顺序电连接以太网-CAN总线转换器、矿井巷道内的基站，特点在于：矿井巷道内的基站无线电连接多个镶嵌在带式输送机支架托辊处的微电子机械测温***（MEMS）。实现了带式输送机温度的实时、在线监测与矿井带式输送机外因火灾的提前预警，实现了监测核心装置的小型化，温度测量精度可达到±0.1℃，单台基站传输距离超过500m，***预警距离大于10km，结构简单，成本低廉，同时提供了监测及报警方法，确定发生故障类型、时间、地点及温度值并声光报警。

Description

基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及一种带式输送机火灾无线监测装置及监测方法，尤其涉及一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置及监测方法。
背景技术
带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械，尤其是重型带式输送机，是目前我国煤矿井工开采、露天开采、金属矿山、洗煤厂、电厂输送煤炭、散装物料应用最广泛的运输方式，也是高产高效矿井提高产能的关键环节，同时带式输送机火灾也是煤矿外因火灾的主要表现形式之一，主要分为两类即皮带摩擦原因引起的火灾和非皮带摩擦原因引起的火灾。前者主要是由皮带被卡死，主动滚筒完全打滑、托辊被卡死与皮带之间发生高速摩擦生热引起；后者主要是由皮带输送机电机和主滚筒之间的液压联轴节的过热保护不良，过热的油蒸汽喷出与空气中的氧气作用导致火灾，以及皮带上的煤自燃发热引燃皮带而引起的皮带输送机火灾，根据相关资料统计，绝大多数带式输送机火灾事故是由皮带被卡死，主滚筒打滑摩擦或托辊被卡死与皮带发生高速摩擦生热引起。带式输送机发生火灾时会产生大量有毒有害气体，往往造成井下作业人员严重伤亡与重大经济损失，且极易诱发瓦斯、煤尘***继发性重大灾害，使事故危害进一步扩大，是煤炭企业的安全生产的严重隐患。近年来，随着我国煤矿开采深度的逐渐延伸（开采深度平均每年增加10～20m）以及生产机械化程度的不断提升，煤炭生产逐步向大型化、集约化方式转变，在带式输送机数量和长度均出现大幅度增长的同时，带式输送机火灾的监测预警难度也日益加大，传统监测技术已越来越不适应新形势下带式输送机火灾防控的需要。
现阶段，我国传统带式输送机火灾监测的技术方法有烟雾传感法、PN结半导体测温法、红外线测温法、光纤测温法。其中：
（1）带式运输机火灾烟雾传感法主要用于对煤矿井下橡胶、煤尘因摩擦起热或其它原因产生的烟雾进行监测。该方法在皮带火灾预警方面存在明显滞后性，其发出报警时，皮带火灾已快速蔓延，同时产生的大量有毒有害气体已随风流向井下各地点扩散，并丧失了火灾治理的最佳时期，但由于该方法使用的传感器价格便宜，技术成熟，目前在我国煤矿得到了较为广泛的应用。
（2）PN结半导体测温法，该方法主要利用PN结（也被称为晶体二极管）在温度升高时，其反向电流呈指数规律增加的特性进行温度监测，采用PN结温度传感器测带式输送机全线的异常的温度变化。PN结半导体测温法在皮带火灾预警方面存在明显缺点，其所利用的PN结半导体技术较目前电子工业发展水平来讲已经较为落后，***精度较低，无法进行煤矿井下、地面同步报警，且涉及的PN结温度传感器价格较高，进一步限制了其在煤矿带式运输机火灾监控领域的应用。
（3）红外线测温方法是利用红外测温仪测量皮带上煤炭的实时温度进行火灾预警，其将数据传送至控制单元，并根据分析数据研判当前皮带温度是否发生异常，若异常则控制单元发出指令使电磁阀动作且与控制皮带速度的变频模块进行连锁，将皮带速度降低运行速度的二分之一，消防水通过电磁阀控制由喷淋头喷出，扑灭或降低煤炭温度。红外线测温法在现场应用中受到煤矿井下粉尘影响较大，且其主体设备红外测温探头落灰严重且难以维护清洗，粉尘影响下测温准确性低且红外测温探头为点式测温，测温效率低且造价昂贵，限制了其在煤矿皮带火灾监控领域的推广与应用。
（4）煤矿带式输送机火灾监控领域应用的主流光纤测温方法为分布式光纤测温法，其利用拉曼散射光时域反射技术，通过DTS（OpticalfiberTemperatureInformationSystem，光纤测温***的英文缩写）测量光纤上各点的温度，测温光纤本身即是温度感应器，从而精确、不间断地监视皮带的温度分布状况。该方法能够实现大范围、实时监测，无需重复布线，但无法直接测量皮带温度，只能将光线安装在运输机侧方间接测量，测温误差较大，且光纤较易发生拉断事故，维修率高（光纤焊接技术在井下无法应用，只能使用插接技术进行光纤拉断修复）修复后光纤在信号传输距离、信号准确性上都将大打折扣。另外，***整体造价高昂，限制了其在煤矿带式输送机火灾监控领域的进一步应用。
综上所述，目前我国煤矿领域缺乏一种技术先进、测量精度高、***简单可靠、***成本低的带式输送机火灾无线监测技术，无法实现带式输送机火灾的超前预警以及外界热源干扰排除，导致重特大带式输送机火灾事故时有发生，因此，结合带式输送机火灾发生与发展规律，研发符合煤炭行业需求的带式输送机火灾监测技术，对于有效控制我国煤矿外因火灾事故具有重要现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有煤矿带式输送机火灾监测技术成本高、精度低、可靠性差的不利影响，提供一种基于MEMS技术（MicroElectroMechanicalsystems，即微电子机械***）的，采用无线传输方式，通过近距离测量皮带温度，实现高精度、高可靠性、高性价比的煤矿带式输送机火灾无线监测装备及监测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置，包括地面设置的工控机通过传输信号线顺序电连接以太网-CAN总线转换器、矿井巷道内的基站，特点在于：矿井巷道内的基站无线电连接多个镶嵌在带式输送机支架托辊处的微电子机械测温***（MEMS）。
其中：基站采用KJ405T-F1矿用本安型读卡分站，微电子机械测温***（MEMS）电路包括以主控芯片为核心，主控芯片通过对应管脚分别电连接去耦滤波电路、状态指示电路、复位电路、编辑程序及下载程序接口电路、电池电源接入端子电路、巴伦电路及天线、主时钟晶振电路、晶振电路、测温电路。
其中：主控芯片电路中R1为电阻，C5为电容，D3.3V为数字电压端，A3.3V为模拟电压端，去耦滤波电路中FB1、FB2为磁珠，3.3V为可充电电池正极，C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12为电容，状态指示电路中R2为电阻，V2为发光二极管，复位电路中R4为电阻，C15为电容，编辑程序及下载程序接口电路中J3为编程接口，电池电源接入端子电路中J1为电池接线端子，巴伦电路及天线中N1为巴伦滤波器，F1为天线，主时钟晶振电路中G1为晶振，C13、C14为电容，晶振电路中G2为晶振，C1、C2为电容，测温电路中ICI为温度传感器，R101、R102为电阻，C101为电容，以上电路中GND为可充电电池负极。
一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置的监测方法，特点在于：镶嵌在带式输送机支架托辊处的微电子机械测温***（MEMS）每隔一定时间将测得的温度数值无线发射到基站后，通过传输信号线顺序电连接以太网-CAN总线转换器上传至地面工控机，地面工控机记录、存储并显示温度值及实时温度曲线，当监测温度数值大于或等于报警温度时，工控机界面显示发生故障点温度值、时间及位置预警信息并声光报警。
其中：报警温度通过实测获得，取用大于温度稳定点的温度值为报警温度值，做从动轮卡死实验获得温度大于或等于报警温度值时tanα值，做主动轮打滑实验获得温度大于或等于报警温度值时tanβ值，确定从动轮卡死及主动轮打滑判定系数K=（tanα+tanβ）/2，实际监测温度时，在到达温度稳定点之前时间段出现监测温度数值大于或等于报警温度值时，工控机界面显示发生故障点温度值、时间及位置预警信息并声光报警，在温度稳定点之后时间段，当监测温度大于或等于报警温度时，计算tanxi，当tanxi≧K时从动轮卡死，tanxi<K时主动轮打滑，工控机界面显示发生故障点故障类型、温度值、时间及位置预警信息并声光报警。
本发明的有益效果是：本发明通过地面设置的工控机顺序电连接以太网-CAN总线转换器、矿井巷道内的基站，矿井巷道内的基站无线电连接多个镶嵌在带式输送机支架托辊处的微电子机械测温***（MEMS），实现了带式输送机温度的实时、在线监测与矿井带式输送机外因火灾的提前预警，实现了监测核心装置的小型化，温度测量精度可达到±0.1℃，单台基站传输距离超过500m，***预警距离大于10km，结构简单，成本低廉，同时提供了监测及报警方法，确定发生故障类型、时间、地点及温度值并声光报警。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1.本发明结构原理图；
图2.本发明微电子机械测温***安放位置图；
图3.本发明主控芯片电路原理图；
图4.本发明去耦滤波电路原理图；
图5.本发明状态指示电路原理图；
图6.本发明复位电路电路原理图；
图7.本发明编辑程序及下载程序接口电路原理图；
图8.本发明电池电源接入端子电路原理图；
图9.本发明巴伦电路及天线原理图；
图10.本发明主时钟晶振电路原理图；
图11.本发明晶振电路原理图；
图12.本发明测温电路原理图。
图中:1.矿井巷道，2.带式输送机，3.托辊，4.微电子机械测温***，5.基站，6.传输信号线，7.RS485/232转换器，8.工控机，9.支架。
具体实施方式
实施例一
参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12，一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置，包括地面设置的工控机8通过传输信号线6顺序电连接以太网-CAN总线转换器7、矿井巷道1内的基站5，特点在于：矿井巷道1内的基站5无线电连接多个镶嵌在带式输送机2支架9托辊3处的微电子机械测温***4（MEMS）。
其中：基站5采用KJ405T-F1矿用本安型读卡分站，微电子机械测温***4（MEMS）电路包括以主控芯片为核心，主控芯片通过对应管脚分别电连接去耦滤波电路、状态指示电路、复位电路、编辑程序及下载程序接口电路、电池电源接入端子电路、巴伦电路及天线、主时钟晶振电路、晶振电路、测温电路。
其中：主控芯片选用CC2530型号。
实施例二
参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12，一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置，包括地面设置的工控机8通过传输信号线6顺序电连接以太网-CAN总线转换器7、矿井巷道1内的基站5，特点在于：矿井巷道1内的基站5无线电连接多个镶嵌在带式输送机2支架9托辊3处的微电子机械测温***4（MEMS）。
其中：基站5采用KJ405T-F1矿用本安型读卡分站，微电子机械测温***4（MEMS）电路包括以主控芯片为核心，主控芯片通过对应管脚分别电连接去耦滤波电路、状态指示电路、复位电路、编辑程序及下载程序接口电路、电池电源接入端子电路、巴伦电路及天线、主时钟晶振电路、晶振电路、测温电路。
其中：主控芯片选用CC2530型号。
其中：主控芯片电路中R1为电阻，C5为电容，D3.3V为数字电压端，A3.3V为模拟电压端，去耦滤波电路中FB1、FB2为磁珠，3.3V为可充电电池正极，C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12为电容，状态指示电路中R2为电阻，V2为发光二极管，复位电路中R4为电阻，C15为电容，编辑程序及下载程序接口电路中J3为编程接口，电池电源接入端子电路中J1为电池接线端子，巴伦电路及天线中N1为巴伦滤波器，F1为天线，主时钟晶振电路中G1为晶振，C13、C14为电容，晶振电路中G2为晶振，C1、C2为电容，测温电路中ICI为温度传感器，R101、R102为电阻，C101为电容，以上电路中GND为可充电电池负极。
其中：微电子机械测温***4（MEMS）电路中，发光二极管V2选用LED-SMD型号，编程接口J3选用SIP5-2.0型号，巴伦滤波器N1选用2450BM15A0002型号，晶振G1选用32MHZ的，晶振G2选用32KHZ的，温度传感器ICI选用SMP103型号的。
实施例三
参见图1，一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置的监测方法，特点在于：镶嵌在带式输送机2支架9托辊3处的微电子机械测温***4（MEMS）每隔10分钟将测得的温度数值无线发射到基站5后，通过传输信号线6顺序电连接以太网-CAN总线转换器7上传至地面工控机8，地面工控机8记录、存储并显示温度值及实时温度曲线，当测得的温度数值大于或等于报警温度60度时，工控机8界面显示发生故障点温度值、时间及位置预警信息并声光报警。
实施例四
参见图1，一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置的监测方法，特点在于：镶嵌在带式输送机2支架9托辊3处的微电子机械测温***4（MEMS）每隔一定时间将测得的温度数值无线发射到基站5后，通过传输信号线6顺序电连接以太网-CAN总线转换器7上传至地面工控机8，地面工控机8记录、存储并显示温度值及实时温度曲线，当监测温度数值大于或等于报警温度60度时，工控机8界面显示发生故障点温度值、时间及位置预警信息并声光报警。
其中：报警温度通过实测获得，取用大于温度稳定点的温度值40度左右为报警温度值60度，做从动轮卡死实验获得温度大于或等于报警温度值60度时tanα值，做主动轮打滑实验获得温度大于或等于报警温度值60度时tanβ值，确定从动轮卡死及主动轮打滑判定系数K=（tanα+tanβ）/2，从动轮卡死时tanα=2.05（α=64°），主动轮打滑时tanβ=0.80（β=39°），K=1.425，实际监测温度时，在到达温度稳定点之前时间段出现监测温度数值大于或等于报警温度值60度时，工控机8界面显示发生故障点温度值、时间及位置预警信息并声光报警，在温度稳定点之后时间段，当监测温度大于或等于报警温度值60度时，计算tanxi，当tanxi=tanα=2.05>K=1.425时从动轮卡死，tanxi=tanβ=0.80<K=1.425时主动轮打滑，工控机8界面显示发生故障点故障类型、温度值、时间及位置预警信息并声光报警。

Claims (6)

1.一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置，包括地面设置的工控机通过传输信号线顺序电连接以太网-CAN总线转换器、矿井巷道内的基站，特征在于：矿井巷道内的基站无线电连接多个镶嵌在带式输送机支架托辊处的微电子机械测温***。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置，其特征在于：基站采用KJ405T-F1矿用本安型读卡分站，微电子机械测温***电路包括以主控芯片为核心，主控芯片通过对应管脚分别电连接去耦滤波电路、状态指示电路、复位电路、编辑程序及下载程序接口电路、电池电源接入端子电路、巴伦电路及天线、主时钟晶振电路、晶振电路、测温电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置，其特征在于：主控芯片电路中R1为电阻，C5为电容，D3.3V为数字电压端，A3.3V为模拟电压端，去耦滤波电路中FB1、FB2为磁珠，3.3V为可充电电池正极，C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12为电容，状态指示电路中R2为电阻，V2为发光二极管，复位电路中R4为电阻，C15为电容，编辑程序及下载程序接口电路中J3为编程接口，电池电源接入端子电路中J1为电池接线端子，巴伦电路及天线中N1为巴伦滤波器，F1为天线，主时钟晶振电路中G1为晶振，C13、C14为电容，晶振电路中G2为晶振，C1、C2为电容，测温电路中ICI为温度传感器，R101、R102为电阻，C101为电容，以上电路中GND为可充电电池负极。
4.根据权利要求2所述的一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置，其特征在于：主控芯片电路中R1为电阻，C5为电容，D3.3V为数字电压端，A3.3V为模拟电压端，去耦滤波电路中FB1、FB2为磁珠，3.3V为可充电电池正极，C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12为电容，状态指示电路中R2为电阻，V2为发光二极管，复位电路中R4为电阻，C15为电容，编辑程序及下载程序接口电路中J3为编程接口，电池电源接入端子电路中J1为电池接线端子，巴伦电路及天线中N1为巴伦滤波器，F1为天线，主时钟晶振电路中G1为晶振，C13、C14为电容，晶振电路中G2为晶振，C1、C2为电容，测温电路中ICI为温度传感器，R101、R102为电阻，C101为电容，以上电路中GND为可充电电池负极。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置的监测方法，其特征在于：镶嵌在带式输送机支架托辊处的微电子机械测温***每隔一定时间将测得的温度数值无线发射到基站后，通过传输信号线顺序电连接以太网-CAN总线转换器上传至地面工控机，地面工控机记录、存储并显示温度值及实时温度曲线，当监测温度数值大于或等于报警温度时，工控机界面显示发生故障点温度值、时间及位置预警信息并声光报警。
6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS技术皮带火灾无线监测装置的监测方法，其特征在于：报警温度通过实测获得，取用大于温度稳定点的温度值为报警温度值，做从动轮卡死实验获得温度大于或等于报警温度值时tanα值，做主动轮打滑实验获得温度大于或等于报警温度值时tanβ值，确定从动轮卡死及主动轮打滑判定系数K=（tanα+tanβ）/2，实际监测温度时，在到达温度稳定点之前时间段出现监测温度数值大于或等于报警温度值时，工控机界面显示发生故障点温度值、时间及位置预警信息并声光报警，在温度稳定点之后时间段，当监测温度大于或等于报警温度时，计算tanxi，当tanxi≧K时从动轮卡死，tanxi<K时主动轮打滑，工控机界面显示发生故障点故障类型、温度值、时间及位置预警信息并声光报警。
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