CN110208140B - 一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪 - Google Patents

一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，解决煤粉采出时需要人为按传统机械表以获得时间参数，且人为的将时间参数输入至瓦斯突出预测仪都存在人为误差的问题。本发明包括获取压力上升信号后发送压力状态信号的压力传感器，接收压力状态信号后发送开启信号并发送计时信号的处理单元、获取开启信号后打开第一直孔的电磁阀、获取计时信号并完成计时后发送计时完成信号的计时器、获取完成计时信号后发送关闭的控制信号的处理单元、获取关闭信号后关闭第一直孔的电磁阀；所述压力传感器设置在气室内。本发明具有提高了测量时间精度、检测气室的气密性时没有井下条件限制等优点。

Description

一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯突出检测，具体涉及一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪。
背景技术
煤矿区瓦斯作为一种高能洁净的能源，其探勘、开发和利用技术越来越受到世界多国的重视。我国煤炭开采历史悠久，遗留有大量的密闭采空区或废弃矿井，采空区瓦斯地面抽采技术能够充分利用煤层开采的卸压增透效应，避开岩层的剧烈活动期，实现地面井抽采寿命的最大化。煤炭是我国重要的基础能源和材料，为国民经济做出了巨大的贡献。近10年来，瓦斯事故占煤矿重特大事故近六成。瓦斯事故是威胁我国煤矿安全的主要灾害之一。可见瓦斯精准预测在煤炭安全生产中具有重要的意义。煤矿瓦斯含量测定是矿井瓦斯综合治理等领域一项重要工作，准确获取煤矿瓦斯含量数据对评价矿井开采设计、矿井通风、瓦斯灾害综合治理及煤矿安全治理有比较重大意义。
瓦斯含量测量装置在测量时需要将煤粉放进气室然后拧紧气室盖，气室盖在拧紧过程中，对气室内空气进行了压缩，此时内部气压高于外部大气压，传统需要通过平衡阀来平衡大气压，然后关闭平衡阀再进行测量。具体的步骤为：将煤粉放进气室，拧紧气室盖，再打开平衡阀，等待一段时间让气室的气压与外界的大气压平衡，再次拧紧平衡阀，完成气压平衡，之后开始测量。(存在的问题有：操作繁琐，对人员的细致要求高，同时加大了测量失败的可能性。)
因为煤粉开采出来就会马上释放瓦斯，所以需要记录煤粉采出到开始测量的这一段时间，此外，开始测量到测量结束这段时间也需要记录，现有技术具体测量步骤为：煤粉采出时人为按下传统机械表的计时按钮记录该时刻为T1，正常情况下盖子打开气室与外界的大气压也是一致的，当气室与外界的大气压一致后再次按下传统机械表的计时按钮记录该时刻为T2，当煤粉内瓦斯含量测量完成时再次按下传统机械表的计时按钮记录该时刻为T3，最后工作人员将参数T2-T1和参数T3-T2输入至瓦斯突出预测仪；人为按三次传统机械表以获得时间参数，且人为的将时间参数输入至瓦斯突出预测仪都存在人为误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：煤粉采出时需要人为按传统机械表以获得时间参数，且人为的将时间参数输入至瓦斯突出预测仪都存在人为误差；本发明提供了解决上述问题的一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，包括带有第一直孔的气室，
获取压力上升信号后发送压力状态信号的压力传感器，接收压力状态信号后发送开启信号并发送计时信号的处理单元、获取开启信号后打开第一直孔的电磁阀、获取计时信号并完成计时后发送计时完成信号的计时器、获取完成计时信号后发送关闭的控制信号的处理单元、获取关闭信号后关闭第一直孔的电磁阀；所述第一直孔处设置有压力传感器。
现有技术中，气室盖在拧紧过程中，对气室内空气进行了压缩，此时内部气压高于外部大气压，传统方法为：需要通过平衡阀来平衡大气压，然后关闭平衡阀再进行测量；具体的步骤为：将煤粉放进气室，拧紧气室盖，再打开平衡阀，等待一段时间让气室的气压与外界的大气压平衡，再次拧紧平衡阀，完成气压平衡，记录该时刻并开始测量。存在的问题有：操作繁琐，对人员的细致要求高，存在人为读数误差，且实用传统机械表计时，传统机械表本身也存在误差，测量的时间不够精确，加大了测量失败的可能性。获得了时间参数后需要，人为的将时间参数输入至瓦斯突出预测仪都存在人为输入误差，本技术方案只在煤粉采出时按一下计时按钮即可采集时间参数，提高了时间精度，具体的，煤粉采出时按一下计时按钮后处理单元记录这一时刻为T1，将煤粉放入气室后拧紧气室盖，由于盖子在拧紧过程中，对气室内空气进行了压缩，此时内部气压高于外部大气压，压力传感器则获取压力上升信号后发送压力状态信号给处理单元，处理单元接收到压力状态信号后发送开启信号给电磁阀，同时发送计时信号给计时器，电磁阀获取开启信号后打开第一直孔，计时器获取计时信号后开始计时，并在计时完成后反馈计时完成信号给处理单元，处理单元收到计时完成信号后发送关闭信号给电磁阀，电磁阀获取关闭信号后关闭第一直孔，且处理单元记录该时刻为T2，之后，处理单元将参数T2-T1发送给预测仪进行瓦斯突出预测。
进一步的，当转孔时即为触发信号，计时器收到触发信号后记录这一时刻后记录这一时刻T1，当放入煤样并拧紧之后，产生压力上升信号，压力传感器获取压力上升信号后发送给处理单元，处理单元接收到压力上升信号则发送开启信号给电磁阀并同时发送计时信号给计时器，计时器收到计时后开始计时，计时时间为X，且在计时完成之后反馈第一次计时完成信号给处理单元，处理单元收到第一次计时完成信号后则发送关闭信号给电磁阀且记录这一时刻为T2，电磁阀关闭第一直孔，处理单元获取第一次时间段是T2-T1。
进一步的，所述电磁阀关闭第一直孔后发生又一次发送计时信号给处理单元，处理单元获取后发送计时信号给计时器，计时器收到计时后开始计时，计时时间为预设时间Y，且在计时完成之后反馈第二次计时完成信号给处理单元，处理单元收到第二次计时完成信号后则发送开启信号给电磁阀且记录这一时刻为T3，电磁阀开启第一直孔，处理单元获取第二次时间段是T3-T2。
进一步的，X取值为289MS。
进一步的，当拧紧气室盖时压力传感器获取压力上升信号后以间隔X发送压力值信号给处理单元，处理单元收到的各压力值信号后按照时间戳的顺序进行排列，当压力值逐渐上升到一个数值后并维持这一数值不变时，则处理单元发送低电平信号，当压力值逐渐上升到一个数值后开始突变下降，则处理单元发送高电平信号。
进一步的，所述气室内还设置有温度传感器，温度传感器获取温度值以时间间隔Y发送给处理单元。
进一步的，包括相互连接的面板和底座，所述面板上连接有显示单元、气室盖、量杯、盖固定座和处理单元，底座上设置有通过第一直孔连通的气室和小气室，所述小气室内设置有电磁阀，第一直孔处插接压力传感器，所述小气室设有与外界连通的第二直孔，所述压力传感器通过第二直孔引出电缆线。
进一步的，所述处理单元包括阀控制电路、主控制电路、压差传感器电路和显示电路。
进一步的，所述阀控制电路中，控制信号经电阻R6后输入至PNP型三极管Q1的基极，PNP型三极管Q1的发射极接地，集电极接二极管D2的正极，二极管D2的负极接输出端；主控制电路包括下载电路、复位控制电路、晶振和芯片，所述下载电路包括：4号引脚接电阻R26，电阻R26的另一端接入3.3V电压，下载电路的3号引脚接电阻R25，电阻R25的另一端接入3.3V电压；复位控制电路中包括：复位单元的电源端VCC引脚接3.3V电压，复位单元的VCC引脚与GND引脚之间连接电容C24，复位单元的复位端RST引脚与GND引脚之间连接电阻R31，电容C25与电阻R31并联，电容C25与电阻R31公共端连接电阻R29，电阻R29的另一端接芯片的复位端NRST引脚；所述压差传感器电路包括集成电路U5的数据线端SDA引脚接电阻R28，集成电路U5的控制线端SCL引脚接电阻R30，电阻R28与电阻R30的公共端接电容C23，电容C23的另一端接地，集成电路U5的电源端VCC引脚接3.3V电压；所述显示电路包括：电容C9、电容C10、电容C11、电容C12和C13的公共端接地，电容C9的另一端接5号端口，电容C10的另一端接6号端口，电容C11的另一端接7号端口，电容C12的另一端接1号、2号、3号公共端口，电容C12的另一端接5V电压。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，传统测量操作为：人为机械表计时，且传统机械表本身也存在误差，人为读数也存在误差，加大了测量失败的可能性；本申请测量操作：只在煤粉采出时按一下计时按钮即可采集时间参数，提高了测量时间精度。
2、本发明一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，传统气密性测量方法为：气室会在实验室进行加压后放入水中观察是否损害漏气，但在现场取样过程中，因井下条件限制，在测量现场无法对煤粉罐进行气密性检查；本申请气密性测量方法：通过压力传感器测量气室内的压力变化值即可检测气室的气密性，没有井下条件限制。
3、本发明一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，使用预测仪自带的时钟芯片，相较于传统机械表计时更加精准。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明中面板的结构示意图。
图3为本发明中面板的A-A面结构示意图。
图4为本发明中底座的结构示意图。
图5为本发明中底座的解剖示意图。
图6为本发明中阀控制电路的电路结构示意图。
图7为本发明中主控制电路的电路结构示意图。
图8为本发明中压差传感器的电路结构示意图。
图9为本发明中显示电路的电路结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-显示单元，2-气室盖，3-面板，4-量杯，5-盖固定座，6-底座，7-处理单元，9-压力传感器，10-第一直孔，11-第二直孔，12-小气室，13-气室。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，包括带有第一直孔10的气室13，还包括：获取压力上升信号后发送压力状态信号的压力传感器9，接收压力状态信号后发送开启信号并发送计时信号的处理单元7、获取开启信号后打开第一直孔10的电磁阀、获取计时信号并完成计时后发送计时完成信号的计时器、获取完成计时信号后发送关闭的控制信号的处理单元7、获取关闭信号后关闭第一直孔10的电磁阀；所述第一直孔10处设置有压力传感器9。
现有技术中，气室盖2在拧紧过程中，对气室内空气进行了压缩，此时内部气压高于外部大气压，传统方法为：需要通过平衡阀来平衡大气压，然后关闭平衡阀再进行测量；具体的步骤为：将煤粉放进气室，拧紧气室盖2，再打开平衡阀，等待一段时间让气室的气压与外界的大气压平衡，再次拧紧平衡阀，完成气压平衡，记录该时刻并开始测量。存在的问题有：操作繁琐，对人员的细致要求高，存在人为读数误差，且实用传统机械表计时，传统机械表本身也存在误差，测量的时间不够精确，加大了测量失败的可能性。获得了时间参数后需要，人为的将时间参数输入至瓦斯突出预测仪都存在人为输入误差，本技术方案只在煤粉采出时按一下计时按钮即可采集时间参数，提高了时间精度，具体的，煤粉采出时按一下计时按钮后处理单元7记录这一时刻为T1，将煤粉放入气室后拧紧气室盖2，由于盖子在拧紧过程中，对气室内空气进行了压缩，此时内部气压高于外部大气压，压力传感器9则获取压力上升信号后发送压力状态信号给处理单元7，处理单元7接收到压力状态信号后发送开启信号给电磁阀，同时发送计时信号给计时器，电磁阀获取开启信号后打开第一直孔8，计时器获取计时信号后开始计时，并在计时完成后反馈计时完成信号给处理单元7，处理单元7收到计时完成信号后发送关闭信号给电磁阀，电磁阀获取关闭信号后关闭第一直孔8，且处理单元7记录该时刻为T2，之后，处理单元7将参数T2-T1发送给预测仪，预测仪根据参数T1-T0进行瓦斯突出预测。
实施例2
如图1所示，本实施例在实施例1的基础上提供瓦斯突出预测方法，当转孔时即为触发信号，计时器收到触发信号后记录这一时刻后记录这一时刻T1，当放入煤样并拧紧之后，产生压力上升信号，压力传感器9获取压力上升信号后发送给处理单元7，处理单元7接收到压力上升信号则发送开启信号给电磁阀并同时发送计时信号给计时器，计时器收到计时后开始计时，计时时间为X，且在计时完成之后反馈第一次计时完成信号给处理单元7，处理单元7收到第一次计时完成信号后则发送关闭信号给电磁阀且记录这一时刻为T2，电磁阀关闭第一直孔10，处理单元7获取第一次时间段是T2-T1。时间段T2-T1对于后续精确测量起到关键的作用。进一步的，X取值为289MS。
下表为电磁阀压力平衡时间测试
初始压力值 到达平衡时刻即压力到达0的压力值
21.97KP 228MS
25.60KP 289MS
46.33KP 335MS
由上表可知，电磁阀到达平衡的时间分别是228MS、289MS、335MS，取中间值289MS，如果通过人工来控制则肯定无法达到精确控制要求，时间过短则气室内无法平衡气压，时间过长，气室内的瓦斯会释放出去，造成损失。
实施例3
如图1所示，本实施例在实施例2的基础上进行改进；
所述电磁阀关闭第一直孔10后发生又一次发送计时信号给处理单元7，处理单元7获取后发送计时信号给计时器，计时器收到计时后开始计时，计时时间为预设时间Y，且在计时完成之后反馈第二次计时完成信号给处理单元7，处理单元7收到第二次计时完成信号后则发送开启信号给电磁阀且记录这一时刻为T3，电磁阀开启第一直孔10，处理单元7获取第二次时间段是T3-T2。时间段T3-T2对于后续精确测量起到关键的作用
实施例4
如图1所示，本实施例在实施例1的基础上提高一种气密性测试方法；当拧紧气室盖2时压力传感器9获取压力上升信号后以间隔X发送压力值信号给处理单元7，处理单元7收到的各压力值信号后按照时间戳的顺序进行排列，当压力值逐渐上升到一个数值后并维持这一数值不变时，则处理单元7发送低电平信号，当压力值逐渐上升到一个数值后开始突变下降，则处理单元7发送高电平信号；所述气室内还设置有温度传感器，温度传感器获取温度值以时间间隔Y发送给处理单元7。在不放入煤粉时将气室拧紧，由于气室盖2在拧紧过程中，对气室内空气进行了压缩，此时内部气压高于外部大气压，当电磁阀一直不打开时，此时在气室13不漏气的情况下压力值上升到一个数值后并维持这一数值不变，当压力值逐渐上升到一个数值后开始突变下降则判定为漏气，可以用于实时检测气室的气密性，提高了结果的可靠性。
实施例5
如图2-5所示，包括相互连接的面板3和底座6，所述面板3上连接有显示单元1、气室盖2、量杯4、盖固定座5和处理单元7，底座6上设置有通过第一直孔10连通的气室13和小气室12，所述小气室12内设置有电磁阀，第一直孔10处插接压力传感器9，所述小气室12设有与外界连通的第二直孔11，所述压力传感器9通过第二直孔11引出电缆线。第一直孔10和第二直孔11的直径为2mm，深度为7mm。
小气室12与气室13分开，所述小气室12内安装电磁阀的地方，根据安标认证规定，矿用设备内的大电感是需要浇封的，气室12是用来浇封电磁阀。
实施例6
如图6-9所示，本实施例对实施例1的处理单元7进一步改进；
所述处理单元7包括阀控制电路、主控制电路、压差传感器电路和显示电路；所述阀控制电路中，控制信号经电阻R6后输入至PNP型三极管Q1的基极，PNP型三极管Q1的发射极接地，集电极接二极管D2的正极，二极管D2的负极接输出端；主控制电路包括下载电路、复位控制电路、晶振和芯片，芯片的型号为STM32F103C8T6，所述下载电路包括：4号引脚接电阻R26，电阻R26的另一端接入3.3V电压，下载电路的3号引脚接电阻R25，电阻R25的另一端接入3.3V电压；复位控制电路中包括：复位单元的电源端VCC引脚接3.3V电压，复位单元的VCC引脚与GND引脚之间连接电容C24，复位单元的复位端RST引脚与GND引脚之间连接电阻R31，电容C25与电阻R31并联，电容C25与电阻R31公共端连接电阻R29，电阻R29的另一端接芯片的复位端NRST引脚；所述压差传感器电路包括集成电路U5的数据线端SDA引脚接电阻R28，集成电路U5的控制线端SCL引脚接电阻R30，电阻R28与电阻R30的公共端接电容C23，电容C23的另一端接地，集成电路U5的电源端VCC引脚接3.3V电压；所述显示电路包括：电容C9、电容C10、电容C11、电容C12和C13的公共端接地，电容C9的另一端接5号端口，电容C10的另一端接6号端口，电容C11的另一端接7号端口，电容C12的另一端接1号、2号、3号公共端口，电容C12的另一端接5V电压。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，包括带有第一直孔(10)的气室(13)，其特征在于，还包括：
获取压力上升信号后发送压力状态信号的压力传感器(9)，接收压力状态信号后发送开启信号并发送计时信号的处理单元(7)、获取开启信号后打开第一直孔(10)的电磁阀、获取计时信号并完成计时后发送计时完成信号的计时器、获取完成计时信号后发送关闭的控制信号的处理单元(7)、获取关闭信号后关闭第一直孔(10)的电磁阀；所述第一直孔(10)处设置有压力传感器(9)；
当转孔时即为触发信号，计时器收到触发信号后记录这一时刻为T1，当气室中放入煤样并拧紧气室盖，所述气室盖在拧紧过程中产生压力上升信号，压力传感器(9)获取压力上升信号后发送给处理单元(7)，处理单元(7)接收到压力上升信号则发送开启信号给电磁阀并同时发送计时信号给计时器，计时器收到计时信号后开始计时，计时时间为X，且在计时完成之后反馈第一次计时完成信号给处理单元(7)，处理单元(7)收到第一次计时完成信号后则发送关闭信号给电磁阀且记录这一时刻为T2，电磁阀关闭第一直孔(10)，处理单元(7)获取第一次时间段是T2-T1；
所述电磁阀关闭第一直孔(10)后发生又一次发送计时信号给处理单元(7)，处理单元(7)获取后发送计时信号给计时器，计时器收到计时信号后开始计时，计时时间为预设时间Y，且在计时完成之后反馈第二次计时完成信号给处理单元(7)，处理单元(7)收到第二次计时完成信号后则发送开启信号给电磁阀且记录这一时刻为T3，电磁阀开启第一直孔(10)，处理单元(7)获取第二次时间段是T3-T2。
2.根据权利要求1所述的一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述计时器为预测仪自带的时钟芯片。
3.根据权利要求1所述的一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述处理单元(7)包括阀控制电路、主控制电路、压差传感器电路和显示电路。
4.根据权利要求3所述的一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪，其特征在于，所述阀控制电路中，控制信号经电阻R6后输入至PNP型三极管Q1的基极，PNP型三极管Q1的发射极接地，集电极接二极管D2的正极，二极管D2的负极接输出端；主控制电路包括下载电路、复位控制电路、晶振和芯片，所述下载电路包括：4号引脚接电阻R26，电阻R26的另一端接入3.3V电压，下载电路的3号引脚接电阻R25，电阻R25的另一端接入3.3V电压；复位控制电路中包括：复位单元的电源端VCC引脚接3.3V电压，复位单元的VCC引脚与GND引脚之间连接电容C24，复位单元的复位端RST引脚与GND引脚之间连接电阻R31，电容C25与电阻R31并联，电容C25与电阻R31公共端连接电阻R29，电阻R29的另一端接芯片的复位端NRST引脚；所述压差传感器电路包括集成电路U5的数据线端SDA引脚接电阻R28，集成电路U5的控制线端SCL引脚接电阻R30，电阻R28与电阻R30的公共端接电容C23，电容C23的另一端接地，集成电路U5的电源端VCC引脚接3.3V电压；所述显示电路包括：电容C9、电容C10、电容C11、电容C12和C13的公共端接地，电容C9的另一端接5号端口，电容C10的另一端接6号端口，电容C11的另一端接7号端口，电容C12的另一端接1号、2号、3号公共端口，电容C13的另一端接5V电压。
5.根据权利要求1所述的一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪的瓦斯突出预测方法，其特征在于，X取值为289MS。
6.根据权利要求1所述的一种高精度智能便携式煤矿瓦斯突出预测仪的装置组件，其特征在于，包括相互连接的面板(3)和底座(6)，所述面板(3)上连接有显示单元(1)、气室盖(2)、量杯(4)、盖固定座(5)和处理单元(7)，底座(6)上设置有通过第一直孔(10)连通的气室(13)和小气室(12)，所述小气室(12)内设置有电磁阀，第一直孔(10)处插接压力传感器(9)，所述小气室(12)设有与外界连通的第二直孔(11)，所述压力传感器(9)通过第二直孔(11)引出电缆线。
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