巷道煤体温度探测仪的开发与应用*

朱兆伟，刘佳媛，宝银昙，3

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054;2.陕西煤业股份有限责任公司，陕西西安710075;3. 陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳712000)

0 引 言

矿井火灾是影响矿井安全生产的五大自然灾害之一，矿井火灾的防治也是矿山工作者工作研究的重点内容之一［1］。为了降低矿井煤层自燃火灾的发生可能性，世界各主要产煤国家的矿山工作者都对矿井火灾的发生机理及物理化学作用［2］进行了深入研究，并研制出诸多性能良好的监测监控仪器，以期得到更可靠、更有效的矿井火灾预测预报方法，努力降低煤体自燃火灾的造成的损失。因此，根据煤矿安全生的现实需求，研制一种便携式的数字化煤体温度探测仪，以实现对巷道煤体温度进行实时监测和及时预报，从而预先掌握巷道煤体的温度的变化和发展趋势，为巷道煤层自燃火灾的预报预测提供必要的温度参数，以帮助解决生产中存在的自然发火隐患就显得十分必要。本文根据防灭火工作的需要并结合单片机、温度传感器等基本原理开发研制出了一种新型巷道煤体温度探测仪，这种新型巷道煤体温度探测仪可准确显示巷道煤体温度，有效提高防灭火工作的针对性，并为煤自燃的有效预测预报提供了可靠的数据参考。对于巷道煤自燃温度的测量，其主要包括两方面［3-4］:其一是对煤体本身温度的测量［5］;其二是存在于自燃后期，对自燃烟流温度的测量［6］。

综上所述，煤体内自身温度的测量可采用测温仪表和传感器及打钻孔测温相结合的方法;煤体表面或外部温度的测量可采用红外探测仪测温法，或者采用光纤测温法［7-8］。近年来，对于矿井火区的监测、煤自然发火的发展趋势和早期预测预报等相关工作中，测量特定区域温度的方法也是一项关键的技术。由于煤炭资源埋藏深、地层厚等一些苛刻地质条件的限制［9-10］，在实际工作中，通常为了测量不同钻孔深度的地层温度，采取向可疑位置打钻孔［11］，进而获取相关数据，目前煤矿及地质等相关工作中［12］主要的测温方法就是钻孔测温。

1 巷道煤体温度探测仪的系统设计

拟设计的巷道煤体温度探测仪主要基于接触式测温的基本原理，以MCS -51［13］系列单片机为中心处理单元，利用高精度热电偶作为温度传感器，针对主要电路设计方案等进行系统优化设计，服务于矿山防灭火工作中的有效的测量煤体温度仪器。系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall structure of the system

1.1 系统工作原理

在所设计的巷道煤体温度探测仪的系统中，电源电路为整个系统提供稳定的+5 V 直流电压，其中温度处理芯片、主控芯片是此系统的主要功率消耗器件。选用K 型热电偶作为温度传感器，热电偶将温度信号感应为相应的电压信号，并连接到温度处理芯片。温度处理芯片MAX6675［14］将采集热电偶的电动势，通过冷端补偿、线性校正处理，实现模数转换，其温度分辨精度为0.25 ℃.虽然MAX6675 采取了缩小误差的必要措施，但系统仍存在一定的误差，具体可通过温度微调校正电路，在对测量温度进行微调之后显示，从而实现温度的校正功能。系统显示由4 位LED 显示电路完成，其主控芯片的主要作用是读取温度处理芯片中的温度数字量和热电偶断线标志，根据微调电路的调整，对温度进行校正，控制LED 的电源和码字，以实现动态显示。

图2 单片机结构Fig.2 Structure of single chip microcomputer

1.2 主控芯片

巷道煤体温度探测仪器选用STC12C5A60S2单片机［5］芯片作为仪器的核心控制处理元件。STC12C5A60S2 是一款单时钟/机器周期(1 T)的单片机，此单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051 单片机，其指令码完全兼容传统8051，但速度要比传统类型快8 ～12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路，2 路PWM，8 路高速10 位A/D 转换(250 k/s)，针对电机控制，适用于强干扰场合。STC12C5A60S2 系列工作电压为5. 5 ～3.3 V(5 V 单片机);工作频率范围为0 ～35 MHz，相当于普通8051 的0 ～420 MHz;且具有看门狗功能。

表1 热电偶的分度号与测温范围关系表Tab.1 Relationship between graduation mark of thermocouple and measurement range of temperature

1.3 温度传感器

中国常用的标准化热电偶可分为S，B，E，K，R，J，T，7 种分度号［15］。表1 是热电偶的分度号与测温范围的关系［16］。

图3 电热偶的工作原理图Fig.3 Working principle of the thermocouple

巷道煤体温度探测仪的接触式温度传感器所选用的K 型防爆热电偶是主要的隔爆热电偶类型之一。K 型防爆电热偶在化学工业自控系统中应用极广，防爆热电偶通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号，传递给显示、记录和调节仪，并对系统实行检测、调节和控制。选用此种防爆热电偶作为温度传感器的工作原理为:若由两种不同成分的均质导体(热电极)组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就有电流通过，则在均质导体两端之间即存在热电势。其防爆原理是利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有可能产生火花、电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火焰和温度不传到腔外。如图3 所示为热电偶的工作原理图。

图4 时钟电路Fig.4 Clock circuit diagram

1.4 单片机外围电路

1.4.1 时钟电路

单片机的时钟电路亦即晶振电路，它结合单片机内部电路可以产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，则单片机运行速度就越快。由于时钟电路控制着单片机的工作节奏，因此它是单片机的核心部分［17］。51 单片机内部方式的时钟电路如图4所示。51 单片机的内部振荡电路必须要和外接元件相连才能形成时钟。外接晶振和外接电容C1，C2 构成并联谐振电路，与单片机内的放大器反馈回路相连。而C1 和C2 电容值的大小直接影响振荡器的频率高低，以及振荡器和温度的稳定性。其中振荡器的频率取决于晶振的频率，而晶振频率的选择范围1.2 ～12 MHz，一般采用6 和12 MHz.其中电容C1，C2 是帮助起振的谐振电容，所以经常通过调节C1，C2 的值对频率进行微调。本文所采用的晶振频率为12 MHz，电容相应的值即为20 pF.

1.4.2 温度微调校正电路

图5 温度微调校正电路Fig.5 Fine-tuning of the temperature in the correction circuit

温度微调校正电路如图5 所示，由一个固定电阻R20和一个可变电阻Rx组成。滑动端的输出电压变化范围为

若R20和Rx均取为10 kΩ，则温度的微调范围为-10 ～10 ℃.

1.4.3 复位电路

对于MCS -51 系列单片机的复位引脚RST上只要出现10 ms 以上的高电平，单片机就会实现复位。单片机的复位分为上电复位和按钮复位。上电复位是指单片机在加电瞬间，要在RST 引脚上出现大于10 ms 的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，是单片机进入复位状态［18］。图6 是一个典型的复位电路设计图，可以实现上电复位和按键手动复位。当手动按下BUTTON1 按键时，“1”与“4”接通，Rres1一端接地，另一端与单片机的RESET 引脚连接，出现高电平，就可实现复位功能。

图6 复位电路Fig.6 Reset circuit

1.4.4 电源电路

电源电路如图7 所示，包括自锁开关、稳压芯片、电源指示灯，以及电源防反接保护。稳压芯片采用7805，能够将输出电压稳定在+5 V.图中二极管可以确保只有在电源正负极连接正确的情况下才导通。自锁开关是一种常见的按钮开关。在开关按钮第一次按时，开关接通并保持，即自锁，在开关按钮第二次按时，开关断开，同时开关按钮弹出。

图7 自锁开关电路Fig.7 Self-locking switch circuit

1.5 温度处理芯片(MAX6675)

温度处理芯片MAX6675 内含热电偶断线检测电路，其温度分辨率达0.25 ℃，可将温度信号转换成12 位数字量。冷端补偿的温度范围-20 ～80℃，可以测量0 ～1 023.75 ℃间的温度，基本符合工业上温度测量的需要。值得指出的是此芯片的A/D 转换速度在0.17 ～0.22 s 之间，比一般的A/D转换芯片微秒级的转换速度要长的多［19］。温度处理芯片MAX6755 与主控芯片、热电偶的连接电路如图8 所示。

图8 MAX6755 与主控芯片、热电偶的连接电路图Fig.8 Circuit diagram of the MAX6755 connected to the master control chip and the thermocouple

2 主程序设计

主程序工作流程拟设计如下:单片机上电后，首先进行一系列的初始化，包括A/D 初始化、I/O初始化、定时初始化等。初始化的完成后，从MAX6675 中读取16 位数据，先判断断线标志位，若断线，则显示“1”，警示工作人员重新连接热电偶，在连接正常之后，重新开机。若不断线，那么将读取温度值，温度微调校正子程序进行修正后再由4 位数码管显示温度值。主程序流程如图9所示。

3 现场应用

3.1 现场探测方法

根据温度传感器测点的布置原则，为了测得煤体内的温度分布规律，在13519 工作面的巷道顶部以及左右两帮进行了钻孔测温。

3.1.1 钻孔实施方案

图9 主程序流程图Fig.9 Main program flow chart

采用煤电钻干式进行打眼，孔深1 ～4 m，孔径φ30 mm，钻孔间距为5 m，巷道左右帮壁钻孔位置离巷道底板垂直高度1.2 m.

3.1.2 钻孔布局

在13519 工作面巷道一定范围内共布置20 个测温钻孔，其中5 个钻孔为一组，布置在巷道的同一切面，离煤壁距离分别是1.0，1.5，2.0，3.0，4.0 m.左右两帮的钻孔距底板高度相同。

3.2 结果分析

通过对布置于巷道煤壁内的20 个温度传感器进行为期15 d 的温度观测，所测量的温度数据相应的温度变化曲线如图10 所示。

图10 温度数据相应的温度变化曲线Fig.10 Temperature change curve of the temperature data

通过分析巷道煤壁内测点的温度变化规律，可以得出:在15 d 的时间内20 个测点温度变化范围不大，距煤壁1 m 深度的煤体最低温度达到22.8 ℃，最高温度达到23.7 ℃，直至观测结束，其测点温度变化依然保持在22 ～24 ℃左右变化。距煤壁1.5 m 深度的煤体最低温度达到24.4 ℃，最高温度达到25.8 ℃，直至观测结束，其测点温度变化依然保持在24 ～26 ℃左右变化。距煤壁2m 深度的煤体最低温度达到24.0 ℃，最高温度达到25.4 ℃，直至观测结束，其测点温度变化范围略小于1.5 m 深的测温范围。距煤壁3 m 深度的煤体最低温度达到23.3 ℃，最高温度达到24.5 ℃，距煤壁4 m 深度的煤体最低温度达到23.4 ℃，最高温度达到24.6 ℃，此后，随着离煤壁距离深度的增加，温度趋于稳定。

4 结 论

1)通过软件与硬件相结合，研究实现了对煤体温度探测仪的研发。

2)该温度探测仪选用的MAX6675 芯片在应用中，既可以完成温度信号冷端补偿功能、也可以实现温度信号的线性化与模数转换，选用该芯片可大大简化电路的设计。

3)在巷道煤体一定深度范围内，温度有不同程度的升降，具有波动性。但是各测点的温度变化幅度有不同程度的差别，煤壁内高温点距煤壁距离一般都在1 ～2 m 左右，大于2 m 以后煤体内温度趋于稳定。

4)经现场试验验证，此仪器操作简便，测试温度准确稳定，能够较好地反映煤壁内部的温度数据。该系统使用温度传感器对井下煤自燃高发区域的温度场以及不同节点位置的温差等数据进行采集和监测，可实时监测这些区域温度场的细微变化，对温度异常变化及时预警和定位，从而做出合理决策并采取相应的指导措施，提高预测预报准确率。

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