基于多参数的煤矿井下避难硐室传感器设计

莫志刚,李 军，梁光清，张远征

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

0 引言

近年来，国家对煤矿井下避难场所(如井下移动式救生舱、避难硐室)越来越重视。在狭小空间及配电条件有限的情况下，实时监测各环境参数对煤矿的安全生产与保障矿工的生命安全尤为重要。国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局下发了《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》：“作为紧急避险设施的避难硐室应具备环境监测、通信等基本功能，在无任何外界支持的情况下，额定防护时间不低于96 h。配备独立的内外环境参数检测或监测仪器，在突发紧急情况下人员避险时，能够对避险设施过渡室(舱)内的氧气、一氧化碳，生存室(舱)内的氧气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、温度、湿度和避险设施外的氧气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳进行检测或监测。”2011年，中国矿业大学孙继平[1]教授论述了煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术，避难硐室与救生舱宜配备便携式氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、温度、湿度等检测仪。2015年，张建中[2]等介绍了一种煤矿井下避难硐室环境监测系统的设计方法,从总体上对监测系统的结构组成及工作原理进行了阐述。

目前，可用于煤矿井下环境检测的传感器种类繁多，但大都为单一参数检测传感器。这类传感器由于监测参数多而存在安装数量多、铺设电缆多、安装维护不便等问题。考虑到硐室供电备用电源容量限制，硐室空间有限，设备应具有低功耗、低复杂度和小体积的特点[3]。针对以上特殊需求，有必要设计一种实用的避难硐室多种环境检测参数矿用传感器。

1 避难硐室传感器设计要求

1.1 设计目标

避难硐室用多参数传感器(以下简称传感器)主要用于监测煤矿井下人员活动区域的环境参数，包括氧气浓度、大气压力、环境温度、相对湿度、瓦斯浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度，实现环境参数的显示、预警。通过RS-485转换模块，实现数据通信及数据上传功能。设备应具有体积小、铺设电缆少、安装维护方便等特征[4]。

传感器主要应用场所包括避难硐室、井下人员休息室以及井下应急避难场所等特定区域。

1.2 关键技术指标

传感器的关键技术指标如下。

①工作电压：9～25 VDC。

②测量范围指标：甲烷体积分数为0～100%；一氧化碳体积分数为0～0.1%；二氧化碳体积分数为0～5%[5]；氧气体积分数为0～25%；温度测量范围为0～50 ℃；压力测量范围为-5～0 kPa；湿度测量范围为0～100%RH。

③输出信号：信号制式为RS-485；波特率为2 400 bit/s。

2 避难硐室多参数传感器设计

传感器主要负责监测避难硐室内部环境参数，实现数据的就地显示、报警功能，并将监测数据上传至监控分站[6-7]；用户浏览从机的监测数据。多参数传感器包括传感探头、信号输出电路、液晶显示模块以及声光报警及遥控单元[8]。

①传感探头。7个参数监测传感探头(含元件处理电路)，用于监测各环境参数。

②信号输出电路。传感器主机配有1路RS-485通信接口，负责与监控系统分站(或者信号转换器)、数据显示屏通信；扩展1路通用数据接口，备用于外接其他类型传感模块，如气体、温度、压力、流量等标准传感模块；也可输出控制信号，连接声光报警类设备[9]。

③液晶显示模块。采用OLED显示屏，显示所有测量参数、实时时钟及电池电量，工作温度范围为-40～+70 ℃。

④声光报警及遥控单元。该单元用于参数超过设定界限时发出报警信息，负责传感器非开盖参数的设置及操作。 避难硐室多参数传感器原理图如图1所示。

图1 多参数传感器原理图 Fig.1 Schematic diagram of multi-parameter sensor

微处理器拟选用TI公司的Cortex-M4F系列ARM处理器，数据处理能力强，可同时实现2路通道A/D采样，分辨率为12位；具备8个UART、6个I2C、4个SPI，能满足本项目对微处理器的需要。开关电源拟选用TI公司的LM25010，工作稳定性好、效率较高。

传感探头采用模块化设计。各元件模块独立工作、自带元件性能参数，采用电磁等外界干扰处理，避免由外界因素导致的误报。

甲烷、二氧化碳探头采用E2V的红外甲烷元件和红外二氧化碳元件[5]。一氧化碳元件采用CITY公司的4CM系列。氧元件采用阿尔法公司的O2-A2系列。温度元件采用瑞士盛思锐公司的SHT75系列，可满足温度、湿度测量，精度均满足行业标准要求。压力元件采用飞思卡尔的MPX2200A元件。硫化氢采用CITY公司的4H系列元件。避难硐室多参数传感器结构图如图2所示。

图2 多参数传感器结构图 Fig.2 Schematic diagram of multi-parameter sensor structure

3 避难硐室内外环境参数检测应用

现场应用设备主要由避难硐室多参数传感器、数据内外显示屏、信号转换器等组成。

避难硐室多参数传感器主要用于监测避难硐室内部环境参数，并向监控分站、显示屏、信号转换器发送监测数据[9]。

数据显示内外屏主要用于接收、显示传感器主机发送的监测数据。室外显示屏置于避难硐室外，可显示硐室内部各环境参数情况；室内显示屏置于避难硐室内，可显示硐室外部各环境参数情况。数据显示屏采用点阵LED模块组成汉字点阵显示屏，参数信息采用单行滚动显示方式，以减少点阵数量、减低系统功耗。

信号转换器主要用于将传感器主机发出的RS-485信号转换成相应频率信号或电流信号，以接入不同厂家生产的监控系统[10]。转换器收到避难硐室多参数传感器发送的RS-485数字信号，将信号解析为不同环境参数的监测数据，并将数字信号转换成对应多参数量程的频率(200～1 000 Hz)或电流(4～20 mA)模拟信号，传输至上位机监控分站。应用框图如图3所示。

图3 多参数传感器应用框图 Fig.3 Application block diagram of multi-parameter sensor

4 结束语

硐室环境监测系统监测参数较多，采用传统单参数传感器监测的方式存在安装传感器多、铺设电缆多、安装维护不便等问题。对此，提出了一种针对避难硐室多参数传感器的设计方案。该传感器具备高精度、多参数、小体积、低复杂度和低能耗的特点。与以往单参数传感器组成的环境监测系统相比，该传感器完善了矿井应急救生系统，并使其与煤矿安全监控系统融为一体。自该多参数传感器推向市场以来，受到了煤矿用户的广泛关注。目前，该传感器已在山西朔州、乌海新街、山东淄博等地的煤矿逐步推广使用，应用效果良好。

参考文献:

[1] 孙继平.煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究[J].煤炭学报,2011(5):713-717.

[2] 张建中,张超,于洪绪,等.煤矿避难硐室环境监测系统的设计[J].煤炭技术,2015(1):272-274.

[3] 刘亚辉.基于KJ90监控系统的避难硐室用备用电源设计[J].煤炭技术,2017(2):274-277.

[4] 吕治忠,王瑞成,李孝常.钻井多参数监测系统的设计[J].自动化仪表,2010(5):31-33.

[5] 赵庆川.基于红外技术的全量程CO2传感器设计[J].自动化仪表,2016,37(12):79-81.

[6] 徐雷.救生舱环境控制系统的设计优化与实验研究[D].南京:南京航空航天大学,2015.

[7] 张世涛.煤矿避难硐室压风除湿试验研究[J].煤炭技术,2016(7):155-157.

[8] 张建中,张超,于洪绪,等.煤矿避难硐室环境监测系统的设计[J].煤炭技术,2015(1):272-274.

[9] 刘文强,颜静,郭斌.矿用避难硐室环境综合监测与通信传输系统设计[J].电子质量,2012(9):37-39.

[10]孟宪禹.监测监控系统在避难硐室中的应用[J].硅谷,2012(22):10-12.