多通道瓦斯参数监测仪的设计与应用

孟 涛，周自强，陈启东

（常熟理工学院 机械工程学院，常熟 215500）

0 引言

煤矿在采煤作业过程中，为了保证安全，需要通过向井下通风的方式将矿井内的瓦斯气体排出，这些瓦斯气体集中通过井口排入大气。这些瓦斯气体虽然浓度不高，但是数量很大，一般称为乏风瓦斯。另外，这些瓦斯气体排入大气层后具有很高的温室效应，瓦斯气体所造成的温室效应是二氧化碳的二十倍，因而会对环境造成严重危害。如果能将这些瓦斯气体收集起来进行利用，一方面可以减少对大气环境的破坏，另一方面也可以充分利用自然资源。其收集的方式是通过密度层分和吸附分离的方式来实现的。在这一过程中，需要对分离装置的多个关键位置的乏风瓦斯进行在线监测，并进而控制分离设备的动作。为了便于后续工作的进行，本文采用基于虚拟仪器的工作原理来构建多通道（目前实现了16通道）的瓦斯参数监测仪[1,2]。

1 瓦斯参数监测仪的系统组成

多通道瓦斯参数监测仪的总体结构如图1所示。首先在计算机的主机箱内插入多串口数据采集卡，并通过专用的通讯电缆与仪器机箱后面上的专用插孔连接。为了便于在矿井附近的工作现场进行数据采集，将仪器设计成便携式机箱和PC机数据处理的 结构。仪器的后面板通过航空接头与瓦斯传感器的工作电缆进行连接。电缆内的电源线和信号线集成在一起，这样大大方便了测点的安装和调整。整个主机箱内部由外部的220V交流电源进行供电，通过电源线将交流电引入主机箱内的开关电源，通过开关电源将交流电转换为低压直流电，然后再分流到各个通道的电源模块上，通过该电源模块将低压直流电转换为3.3V的直流电作为瓦斯传感器的工作电源。另外瓦斯传感器所采集的瓦斯浓度信号和环境温度信号通过信号电缆上传到数字信号转换模块模块，通过该模块将瓦斯浓度信号和环境温度信号转换为数据采集卡2能够接受的标准的Rs232串行通讯信号并最终进入计算机。最后由计算机内的数字信号处理软件对瓦斯信号进行记录和处理。该软件能够对不同的通道分别进行处理，并对所采集的瓦斯信号进行波形记录、数字滤波、信号特征提取等处理工作。

图1 瓦斯参数监测仪总体结构

2 硬件组成

多通道瓦斯参数监测仪的下位机采用Premiere公司的智能红外瓦斯传感器构成采集模块。其主要功能是：1）对数据模块中的max3232芯片以及传感器提供3.3V直流电压；2）将上位机的指令通过max3232的电平匹配发送到传感器，并将传感器接收的数据返回给上位机。采集原理是根据红外散射来检测瓦斯气体的浓度，可根据接收到的命令字来执行相应的检测命令，且上传的数据符合IEEE-754标准。具体来说是将上位机的命令指令通过串口的2口传到max3232的13脚RIIN，通过电平匹配由12脚RIOUT发送到传感器的1脚Tx，传感器接收指令后开始读取瓦斯浓度的数据，将数据通过2脚Rx发送至max3232的11脚TIIN，由14脚TIOUT输出，发送至串口的4脚，由串口将数据返回给上位机。

多通道瓦斯参数监测仪的主机箱内主要包括信号转换模块、通道控制模块和电源控制模块。其中信号转换模块的作用是把接收到的串行数据转换成符合Rs232要求的工作电平；通道控制模块的作用是根据面板上的按钮对各通道对应的信号转换模块进行控制，控制的结果通过内嵌在按钮中的LED指示灯来显示；电源控制模块的作用是为主机箱内的各部分提供所需要的工作电源。其中信号转换模块的工作电压为3.3v，多串口模块的工作电压为5V。

上位机采用普通PC机，但其主板采用具有多个PCI扩展槽的专用主板。将16通道的PCI串口数据采集卡插入PC机主板的扩展槽内，然后将串口数据采集卡与仪器的主机箱通过专用电缆进行联接，从而构成了多通道瓦斯参数监测仪的硬件平台。

3 软件设计

图2 上位机数据处理软件

上位机软件采用面向对象的程序设计语言Visual Basic进行设计和开发。这也是Windows环境下通过串口进行数据采集较好的一种方式[3]。测量点上的智能瓦斯传感器将获得的瓦斯参数按照IEEE-754标准来上传数据的，因此必须将串行通信控件所接收到的数据转换成计算机内一般的浮点型数据来进行处理。为了提高工作效率，本文采用Delphi编写了专用的动态链接库来进行这种数据转换。

通过上位机的设置可以接收两种类型的数据：瓦斯浓度和瓦斯温度。系统默认设置为每0.5秒采集各通道的瓦斯浓度参数一次，每5分钟采集温度参数一次。时间的间隔参数也可以通过软件界面进行设置。瓦斯参数通过数据库进行记录和保存，这样做的好处是可以长时间记录并进行局部查询，数据精度为0.001%。还可以根据需要将数据库数据导出为Matlab等软件可以接收的中间文件然后进行处理。

4 瓦斯参数监测仪的应用

多通道瓦斯参数监测仪的实物如图3所示，在监测仪的面板上可以对需要的通道进行是否开始工作的控制。本文设计的监测仪目前实现了16通道的瓦斯参数监测，今后根据实验装置的实际需要，基于目前的架构，可以很方面地扩充到32通道。通过本仪器已经获得了乏风瓦斯密度层分装置主要工作点的瓦斯参数和工作时间之间的关系，并验证了理论研究工作正确性。由于本监测仪在软件和硬件上都采用开放式结构，因此能很方便地与控制系统进行联接，通过基于PCI接口的IO控制板将可以对实验装置进行在线控制。

图3 多通道瓦斯参数检测仪实物图

5 结束语

采用虚拟仪器架构的多通道瓦斯参数监测仪实现了瓦斯参数的多点实时在线监测，瓦斯参数的测量和采集点可以灵活方便地进行调整，需要采集的通道数也可以根据实际需要从面板上进行控制。基于面向对象的程序语言VB6并实现了测量数据的记录和处理。在后续的研究工作中将进一步丰富软件的信号处理能力，如多通道间的参数相关性分析。

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