矿用气体传感器自动标校系统研究

王静

山西工程职业学院计算机信息系，山西太原，030032

0 引言

气体传感器在煤矿环境监控系统当中发挥着至关重要的作用。因此，在所有气体传感器出厂之前，生产厂家需要对其性能指标进行测试及检验，确保其传感作用在使用过程中的有效发挥。但是，传统的传感器标校很多环节都需要依靠人工方式来完成，不仅操作过程复杂，劳动强度较大，工作效率低下，所采用的标准气体还存在易燃易爆、有害有毒等风险，标校精度极易受到各种内外因素的影响，导致标校效果不够理想。为了全面解决上述问题，满足气体传感器出厂合格检验工作需求，相关技术人员推出一套更加先进科学的矿用气体传感器自动标校系统。该系统可以在无人值守的环境下，更加精准高效地完成传感器标校验证操作，值得对其进行大力推广。

1 传感器标校原理与方法

传感器标校的主要目的是检验传感器是否存在较大误差、响应时间是否达标等等，通过获取一系列性能指标判定其是否符合出厂标准，是否需要对传感器进行校正，以此来保证传感器的整体性能质量符合市场需求。在针对矿用气体传感器进行标校验证时，由于事关重大，所以需要严格执行国家相关标准，并且严格按照相关验证方法及步骤进行操作。比如在针对传感器进行调零时，务必在清洁的空气环境下进行；待传感器指针达到稳定状态之后，选择一个科学合理的流量控制标准，注入适量浓度的标准气体；待3 min后，需对传感器显示值进行校正调整，使其与标准值相一致，务必确保本次调整的精准度符合相关要求。此后，再次按照之前设定好的恒定流量，分别向传感器内注入不同浓度的CH4标准气体，由此完成传感器验证操作[1]。

2 矿用气体传感器自动标校系统架构

矿用气体传感器自动标校系统当中各个重要构成部件的功能为：（1）上位机：负责针对智能标校柜进行综合标校与检测，根据气体传感器的类型选择一种适合的通气标校控制程序，完成各项命令的发送。上位机还需要对智能标校柜反馈信息、柜内挂接传感器信息进行实时采集，并且依据实际需求对采集数据进行分析，并由此生成一份传感器标校测试报告。待上位机将相关数据发送到服务器上，即可完成自身操作任务；（2）服务器：服务器支撑着整个系统的正常运输，并且针对系统当中所有数据进行集成化管理与存储，并且生成统计报表记录，为工作人员随时进行信息查询或者打印提供便利条件；（3）智能标校柜：当智能标校柜接收到上位机发送过来的标校命令以后，便可以自动完成传感器标校验证、数据采集与整理分析等各项工作。智能标校柜不仅操作方法方便快捷，其配置数量还存在较大的扩展空间。现阶段，一台智能标校柜可同时接入60台传感器，而且可以同步完成所有接入传感器的标校验证工作，无疑使相关工作效率获得极大的提升。其工作流程为：当供排气控制箱接收到上位机发送过来的操作命令之后，就会自动开启加装于供气管道上的电磁阀，在传感器当中注入标所需要的标准气体。在完成标校环节以后，所形成的尾气同样会以自动分类的方式注入相应的排气管道，由此实现尾气的标准化排放[2]。

3 智能标校柜设计

在智能标校柜当中，包括电路单元和气路单元两个主要部分。电路单元主要包括工业一体计算机、调校接口板、柜体管理板、电流检测模块、温湿度传感器、继电器板、气体监测传感器等主要部件；气路单元主要由电磁阀、流量计、压力传感器、气体测试腔、排气泵、输气管等部件共同构成，主要完成标校气体输送、尾气排放等。上述部件的主要功能为：（1）工业一体计算机：承担着接收上位机发送命令这一重要职责[3]。待其接收到命令之后，便可以对电磁阀进行自动化控制，使其执行相应的动作命令。同时，工业一体计算机还负责对柜体管理板、压力传感器、气体监测传感器、温湿度传感器所生成的运行数据进行实时采集与整理分析，并且按照操作要求将相应的数据发送给上位机；（2）柜体管理板：主要负责将工业一体计算机发送过来的操作命令转发送给调校接口板。同时，还负责针对接入的60块调校接口板所生成的数据信息进行采集，还可以根据系统设置要求，对所有数据进行优化，之后将其统一上传到工业一体计算机当中，由此形成一个闭环状态；（3）调校接口板：主要负责对气体传感器的电气性能情况进行动态检测；同时，将柜体管理板发送过来的标定命令转发给相应的传感器；还负责针对系统当中所有的气体传感器标校反馈信息、电流检测模块信息以及传感器在线检测模块信息进行动态化采集，并且将采集数据发送到柜体管理板当中；（4）继电器板：该部件需要与工业一体计算机进地串联，负责接收来自于工业一体计算机所发出的控制命令。并且依据各项命令对电磁阀、排气泵开闭情况进行自动化控制，完成标校气体的输送以及尾气排放；（5）流量计：负责针对标校标准气体供给流量进行控制，使其形成一个恒定值；（6）气体测试腔：此装置为标校气体传感器提供了一个适宜、稳定的测试空间，使标校过程中的安全系数获得大幅提升；（7）压力传感器：负责针对供气管道压力进行常态化监测，一旦发现压力不稳定或者超标现象，立即发现警报；（8）排气泵：负责实现标校尾气的标准化排放[4]。

4 标校测试设计

4.1 多路自动标校方式

在气体标校的过程中，需要先在气体传感器内部通入一定量标准气体。此后，气体传感器测量便会测量气体浓度，将该数据与标准气体浓度之间进行对比，便可以通过二者之间的差值判断气体浓度是否超标。但是，实现定标校气体的自动输送、气体传感器标校值以及测量数值的自动获取，还需要采取更加多元化措施，方可达到提高工作效率的目的。为实现这一目标，可采取以下几项措施：

4.1.1 供气回路设计

供气回路主要包含以下两部分：第一，集中供气管道回路。该回路负责将标准标校气体输送至智能标校柜当中；第二，气路单元。负责对气体传感器进行分配。对于矿用气体传感器自动标校系统而言，所应用的标准气体具有易燃易爆、有毒有害等特性，直接凸显出标校过程中的安全保护工作的重要性。为了保证标校过程中的安全性，建议将气瓶与智能标校柜之间保持足够的安全距离，并且通过专用管道将气瓶当中的标准气体输送至相应的智能标校柜当中。必要时，为了保证安全性，可以考虑加装防回火装置[5]。在选择集中供气管道回路的建造材料时，要选用耐腐蚀、耐高温的不锈钢管材。在管道当中，根据实际需要加装减压阀、单向阀、回火器、开关球阀以及电磁阀等控制部件，确保传感器标校过程可以得到全程有效的控制。通过供排气控制箱对电磁阀进行控制，可使上位机得到同时控制，确保不同类型的气体通过相应的供气管道进行输送，以免相互之间造成干扰，引发安全事故。针对同一类型、不同浓度的气体，可以采用同一管道，采用分时输送的方式完成输送。在供气入口处安装有电磁阀，智能标校柜可以借助电磁阀对所需要的标校气体进行合理选择，再通过气体分配器将相应的标准气体通入到对应的气体测试腔当中，由此完成自动化控制。为了使标准气体流量得到科学合理的控制，每一个供气回路都要安装流量计。操作人员根据实际需求设定一个合理的恒定值，完成标校气体的输送。在同一个供气回路当中，最多可以同时接入10个气体传感器，并对其进行标准气体的供应。所以，有必要设置单向阀，避免通气回路之间发生串气现象，对标校过程造成负面影响。在标校开始、结束这两个阶段，务必将残留于供气管道和气体测试腔内的气体清除干净。另外，如果传感器当中装有高浓度CH4，则需要在吹气管内注入一定量的N2，对尾气起到稀释作用，确保尾气排放浓度符合相关要求[6]。

4.1.2 信息交互设计

在人工标校模式下，主红外遥控器发挥着主要作用。这种方式最大的弊端问题是整个操作过程极易受到内外环境因素的干扰，从而难以取得理想的标校质量，工作效率不够理想。为了解决这一问题，技术人员研发了一款较为先进的调校接口板。当调校接口板通过通信接口与气体传感器之间进行联接以后，便可以自动完成气体传感器标校、响应时间测试以及传感器声光报警功能测试等一系列操作。通常情况下，每一个调校接口板都设有3个通信接口。分别用于连接柜体管理板、待标校传感器和电流检测模块。当各部件全部接通后，便可以将柜体管理板所发送的标校命令转发到相应的校传感器当中，传感器接收到命令之后自动执行相关操作。同时，还可以将传感器浓度检测值、工作电流以及声光报警功能检测数据再反馈给柜体管理板，由此完成闭环操作[7]。

4.2 气体测试腔设计

在当前的气体传感器标校工作中，主要存在静态和动态两种标校方式。在使用静态方式进行标校时，需要将传感器放置在一个充满标准气体的气体测试柜当中。由此引发一系列弊端问题，例如气体用量大、柜内气体浓度不易控制、换气时间过长、效率低下等等，由于动态标校方式可以在很大程度上规避上述问题，动态标校的使用率较要远远高于静态标校。另外，在人工标校模式下，需要采用人式方式将标校气体注入到传感器当中，不仅工作效率低下，存在较大安全风险，而且标校之后所形成的尾气直接也只能直接排放在标校房内，进一步加大了安全风险。为了提高标校过程中的安全性，技术人员研发了一款气体测试腔，为待标校传感器提供了一个更加安全适宜的测试空间，并且确保尾气排放浓度符合相关要求，同时满足了标校验证需求和安全要求[8]。

5 矿用气体传感器自动标校系统安全设计

为了确保矿用气体传感器自动标校系统的安全可靠性，需融入以下安全设计思路：（1）针对排气系统进行合理设计。智能标校柜在运行过程中容易形成一种负压环境，由此加大了标校气体泄漏风险。为了防止发生此问题，在进行系统设计时，要单独设置输送有毒有害、易燃易爆气体的供气回路、尾气排放回路，确保输送助燃气体的回路相分离。另外，在通入高浓度CH4标校气体时，还要同步注入N2，使高浓度尾气得到有效稀释，确保尾气浓度符合国家相关要求[9]；（2）提高标校房和智能标校柜的合理性。在针对标校房和智能标校柜进行规划设计时，有必要在其内部加装标准气体传感器，使其内部标准气体的状态得到实时监测，一旦发现气体泄漏问题，传感器会立即切断其供电回路和供气回路，以免引发安全事故；（3）合理安装检测传感器。当检测传感器安装完毕后，切忌立即通气。正确的做法是先将下压装置下压到位，确认无误后，再进行通气；（4）在供气管道上安装压力传感器。因为压力传感器可以对管道压力进行动态监测，当压力值呈现出异常状态时，系统将自动发出警报；（5）加装防爆型电磁阀。当线路当中存在电火花时，防爆型电磁阀可以将气体管路进行切换，从而避免发生危险；（6）加装调校接口板。当电流超过设定值时，接口板会自动切断供电回路[10]。

6 矿用气体传感器自动标校系统测试

如果传感器生产企业对于标校效果不够满意，建议采用以下方式对其进行验证：首先，任意选取3台矿用自动标校气体传感器用于测试；之后，分别在这3台传感器当中通入浓度为0.5%、1.5%、3.5%的CH4标准气体以及洁净空气。在验证的过程中，需要3种不同标准气体下，分别测量3次，再求出平均值。将此平均值与标准值之间进行对比，即可得到验证结果。与以往那种每次只能标校1台传感器的人工方式相比，智能标校柜可同时接入10台气体传感器，并且针对这10台气体传感器进行同步标校。另外，由于所有接入到系统当中的智能标校柜可以同时开展气体标校工作，还可以针对测试结果进行实时采集与自动保存，并且完成标校气体的自动输送。这一系列新功能，使得传感器出厂标定工作效率实现了大幅度增长，而且标定精度也更加值得依赖[11]。

7 结语

使用传统的矿用气体传感器，无法在出厂标校时实现闭环标校，而且存在较大人身伤害风险。为了解决这些问题，技术人员依据国家颁布实施的相关技术标准及规范要求，研发设计了一款可脱离人式方式、自动化完成矿用气体传感器自动标校系统。在应用该系统时，可结合实际需求对所有智能标校柜进行科学合理的分布，并且保证所有智能标校柜的独立性，再将其分别接入到系统当中。此后，便可以自动执行系统命令，针对不同类型气体传感器进行同步标校。在智能标校柜的供气回路设计方面，采用的是气路单元这种非常科学合理的模块化方式。在执行标校工作时，一个气路单元可以一次性对应10台同类型气体传感器，同步完成标准气体的输送与标校工作，极大地提高了工作效率。另外，通过该系统进行标校以后，可将气体传感器精度误差在最小范围之内，从而提高工作质量。而且可以在无人值守的情况下自动完成标校工作，实现了真正意义上自动化、智能化操作。