朱兆偉，劉佳媛，寶銀曇，3

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054;2.陜西煤業(yè)股份有限責(zé)任公司，陜西西安710075;3. 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽712000)

0 引 言

礦井火災(zāi)是影響礦井安全生產(chǎn)的五大自然災(zāi)害之一，礦井火災(zāi)的防治也是礦山工作者工作研究的重點內(nèi)容之一［1］。為了降低礦井煤層自燃火災(zāi)的發(fā)生可能性，世界各主要產(chǎn)煤國家的礦山工作者都對礦井火災(zāi)的發(fā)生機理及物理化學(xué)作用［2］進行了深入研究，并研制出諸多性能良好的監(jiān)測監(jiān)控儀器，以期得到更可靠、更有效的礦井火災(zāi)預(yù)測預(yù)報方法，努力降低煤體自燃火災(zāi)的造成的損失。因此，根據(jù)煤礦安全生的現(xiàn)實需求，研制一種便攜式的數(shù)字化煤體溫度探測儀，以實現(xiàn)對巷道煤體溫度進行實時監(jiān)測和及時預(yù)報，從而預(yù)先掌握巷道煤體的溫度的變化和發(fā)展趨勢，為巷道煤層自燃火災(zāi)的預(yù)報預(yù)測提供必要的溫度參數(shù)，以幫助解決生產(chǎn)中存在的自然發(fā)火隱患就顯得十分必要。本文根據(jù)防滅火工作的需要并結(jié)合單片機、溫度傳感器等基本原理開發(fā)研制出了一種新型巷道煤體溫度探測儀，這種新型巷道煤體溫度探測儀可準(zhǔn)確顯示巷道煤體溫度，有效提高防滅火工作的針對性，并為煤自燃的有效預(yù)測預(yù)報提供了可靠的數(shù)據(jù)參考。對于巷道煤自燃溫度的測量，其主要包括兩方面［3-4］:其一是對煤體本身溫度的測量［5］;其二是存在于自燃后期，對自燃煙流溫度的測量［6］。

綜上所述，煤體內(nèi)自身溫度的測量可采用測溫儀表和傳感器及打鉆孔測溫相結(jié)合的方法;煤體表面或外部溫度的測量可采用紅外探測儀測溫法，或者采用光纖測溫法［7-8］。近年來，對于礦井火區(qū)的監(jiān)測、煤自然發(fā)火的發(fā)展趨勢和早期預(yù)測預(yù)報等相關(guān)工作中，測量特定區(qū)域溫度的方法也是一項關(guān)鍵的技術(shù)。由于煤炭資源埋藏深、地層厚等一些苛刻地質(zhì)條件的限制［9-10］，在實際工作中，通常為了測量不同鉆孔深度的地層溫度，采取向可疑位置打鉆孔［11］，進而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，目前煤礦及地質(zhì)等相關(guān)工作中［12］主要的測溫方法就是鉆孔測溫。

1 巷道煤體溫度探測儀的系統(tǒng)設(shè)計

擬設(shè)計的巷道煤體溫度探測儀主要基于接觸式測溫的基本原理，以MCS -51［13］系列單片機為中心處理單元，利用高精度熱電偶作為溫度傳感器，針對主要電路設(shè)計方案等進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，服務(wù)于礦山防滅火工作中的有效的測量煤體溫度儀器。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

1.1 系統(tǒng)工作原理

在所設(shè)計的巷道煤體溫度探測儀的系統(tǒng)中，電源電路為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5 V 直流電壓，其中溫度處理芯片、主控芯片是此系統(tǒng)的主要功率消耗器件。選用K 型熱電偶作為溫度傳感器，熱電偶將溫度信號感應(yīng)為相應(yīng)的電壓信號，并連接到溫度處理芯片。溫度處理芯片MAX6675［14］將采集熱電偶的電動勢，通過冷端補償、線性校正處理，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，其溫度分辨精度為0.25 ℃.雖然MAX6675 采取了縮小誤差的必要措施，但系統(tǒng)仍存在一定的誤差，具體可通過溫度微調(diào)校正電路，在對測量溫度進行微調(diào)之后顯示，從而實現(xiàn)溫度的校正功能。系統(tǒng)顯示由4 位LED 顯示電路完成，其主控芯片的主要作用是讀取溫度處理芯片中的溫度數(shù)字量和熱電偶斷線標(biāo)志，根據(jù)微調(diào)電路的調(diào)整，對溫度進行校正，控制LED 的電源和碼字，以實現(xiàn)動態(tài)顯示。

圖2 單片機結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of single chip microcomputer

1.2 主控芯片

巷道煤體溫度探測儀器選用STC12C5A60S2單片機［5］芯片作為儀器的核心控制處理元件。STC12C5A60S2 是一款單時鐘/機器周期(1 T)的單片機，此單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051 單片機，其指令碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度要比傳統(tǒng)類型快8 ～12 倍。內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，2 路PWM，8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換(250 k/s)，針對電機控制，適用于強干擾場合。STC12C5A60S2 系列工作電壓為5. 5 ～3.3 V(5 V 單片機);工作頻率范圍為0 ～35 MHz，相當(dāng)于普通8051 的0 ～420 MHz;且具有看門狗功能。

表1 熱電偶的分度號與測溫范圍關(guān)系表Tab.1 Relationship between graduation mark of thermocouple and measurement range of temperature

1.3 溫度傳感器

中國常用的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可分為S，B，E，K，R，J，T，7 種分度號［15］。表1 是熱電偶的分度號與測溫范圍的關(guān)系［16］。

圖3 電熱偶的工作原理圖Fig.3 Working principle of the thermocouple

巷道煤體溫度探測儀的接觸式溫度傳感器所選用的K 型防爆熱電偶是主要的隔爆熱電偶類型之一。K 型防爆電熱偶在化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中應(yīng)用極廣，防爆熱電偶通過溫度傳感器，可將控制對象的溫度參數(shù)變成電信號，傳遞給顯示、記錄和調(diào)節(jié)儀，并對系統(tǒng)實行檢測、調(diào)節(jié)和控制。選用此種防爆熱電偶作為溫度傳感器的工作原理為:若由兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體(熱電極)組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就有電流通過，則在均質(zhì)導(dǎo)體兩端之間即存在熱電勢。其防爆原理是利用間隙隔爆原理，設(shè)計具有足夠強度的接線盒等部件，將所有可能產(chǎn)生火花、電弧和危險溫度的零部件都密封在接線盒內(nèi)，當(dāng)腔內(nèi)發(fā)生爆炸時，能通過接合面間隙熄火和冷卻，使爆炸后的火焰和溫度不傳到腔外。如圖3 所示為熱電偶的工作原理圖。

圖4 時鐘電路Fig.4 Clock circuit diagram

1.4 單片機外圍電路

1.4.1 時鐘電路

單片機的時鐘電路亦即晶振電路，它結(jié)合單片機內(nèi)部電路可以產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，則單片機運行速度就越快。由于時鐘電路控制著單片機的工作節(jié)奏，因此它是單片機的核心部分［17］。51 單片機內(nèi)部方式的時鐘電路如圖4所示。51 單片機的內(nèi)部振蕩電路必須要和外接元件相連才能形成時鐘。外接晶振和外接電容C1，C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，與單片機內(nèi)的放大器反饋回路相連。而C1 和C2 電容值的大小直接影響振蕩器的頻率高低，以及振蕩器和溫度的穩(wěn)定性。其中振蕩器的頻率取決于晶振的頻率，而晶振頻率的選擇范圍1.2 ～12 MHz，一般采用6 和12 MHz.其中電容C1，C2 是幫助起振的諧振電容，所以經(jīng)常通過調(diào)節(jié)C1，C2 的值對頻率進行微調(diào)。本文所采用的晶振頻率為12 MHz，電容相應(yīng)的值即為20 pF.

1.4.2 溫度微調(diào)校正電路

圖5 溫度微調(diào)校正電路Fig.5 Fine-tuning of the temperature in the correction circuit

溫度微調(diào)校正電路如圖5 所示，由一個固定電阻R20和一個可變電阻Rx組成?；瑒佣说妮敵鲭妷鹤兓秶鸀?/p>

若R20和Rx均取為10 kΩ，則溫度的微調(diào)范圍為-10 ～10 ℃.

1.4.3 復(fù)位電路

對于MCS -51 系列單片機的復(fù)位引腳RST上只要出現(xiàn)10 ms 以上的高電平，單片機就會實現(xiàn)復(fù)位。單片機的復(fù)位分為上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。上電復(fù)位是指單片機在加電瞬間，要在RST 引腳上出現(xiàn)大于10 ms 的正脈沖，使單片機進入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕，是單片機進入復(fù)位狀態(tài)［18］。圖6 是一個典型的復(fù)位電路設(shè)計圖，可以實現(xiàn)上電復(fù)位和按鍵手動復(fù)位。當(dāng)手動按下BUTTON1 按鍵時，“1”與“4”接通，Rres1一端接地，另一端與單片機的RESET 引腳連接，出現(xiàn)高電平，就可實現(xiàn)復(fù)位功能。

圖6 復(fù)位電路Fig.6 Reset circuit

1.4.4 電源電路

電源電路如圖7 所示，包括自鎖開關(guān)、穩(wěn)壓芯片、電源指示燈，以及電源防反接保護。穩(wěn)壓芯片采用7805，能夠?qū)⑤敵鲭妷悍€(wěn)定在+5 V.圖中二極管可以確保只有在電源正負極連接正確的情況下才導(dǎo)通。自鎖開關(guān)是一種常見的按鈕開關(guān)。在開關(guān)按鈕第一次按時，開關(guān)接通并保持，即自鎖，在開關(guān)按鈕第二次按時，開關(guān)斷開，同時開關(guān)按鈕彈出。

圖7 自鎖開關(guān)電路Fig.7 Self-locking switch circuit

1.5 溫度處理芯片(MAX6675)

溫度處理芯片MAX6675 內(nèi)含熱電偶斷線檢測電路，其溫度分辨率達0.25 ℃，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成12 位數(shù)字量。冷端補償?shù)臏囟确秶?20 ～80℃，可以測量0 ～1 023.75 ℃間的溫度，基本符合工業(yè)上溫度測量的需要。值得指出的是此芯片的A/D 轉(zhuǎn)換速度在0.17 ～0.22 s 之間，比一般的A/D轉(zhuǎn)換芯片微秒級的轉(zhuǎn)換速度要長的多［19］。溫度處理芯片MAX6755 與主控芯片、熱電偶的連接電路如圖8 所示。

圖8 MAX6755 與主控芯片、熱電偶的連接電路圖Fig.8 Circuit diagram of the MAX6755 connected to the master control chip and the thermocouple

2 主程序設(shè)計

主程序工作流程擬設(shè)計如下:單片機上電后，首先進行一系列的初始化，包括A/D 初始化、I/O初始化、定時初始化等。初始化的完成后，從MAX6675 中讀取16 位數(shù)據(jù)，先判斷斷線標(biāo)志位，若斷線，則顯示“1”，警示工作人員重新連接熱電偶，在連接正常之后，重新開機。若不斷線，那么將讀取溫度值，溫度微調(diào)校正子程序進行修正后再由4 位數(shù)碼管顯示溫度值。主程序流程如圖9所示。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場探測方法

根據(jù)溫度傳感器測點的布置原則，為了測得煤體內(nèi)的溫度分布規(guī)律，在13519 工作面的巷道頂部以及左右兩幫進行了鉆孔測溫。

3.1.1 鉆孔實施方案

圖9 主程序流程圖Fig.9 Main program flow chart

采用煤電鉆干式進行打眼，孔深1 ～4 m，孔徑φ30 mm，鉆孔間距為5 m，巷道左右?guī)捅阢@孔位置離巷道底板垂直高度1.2 m.

3.1.2 鉆孔布局

在13519 工作面巷道一定范圍內(nèi)共布置20 個測溫鉆孔，其中5 個鉆孔為一組，布置在巷道的同一切面，離煤壁距離分別是1.0，1.5，2.0，3.0，4.0 m.左右兩幫的鉆孔距底板高度相同。

3.2 結(jié)果分析

通過對布置于巷道煤壁內(nèi)的20 個溫度傳感器進行為期15 d 的溫度觀測，所測量的溫度數(shù)據(jù)相應(yīng)的溫度變化曲線如圖10 所示。

圖10 溫度數(shù)據(jù)相應(yīng)的溫度變化曲線Fig.10 Temperature change curve of the temperature data

通過分析巷道煤壁內(nèi)測點的溫度變化規(guī)律，可以得出:在15 d 的時間內(nèi)20 個測點溫度變化范圍不大，距煤壁1 m 深度的煤體最低溫度達到22.8 ℃，最高溫度達到23.7 ℃，直至觀測結(jié)束，其測點溫度變化依然保持在22 ～24 ℃左右變化。距煤壁1.5 m 深度的煤體最低溫度達到24.4 ℃，最高溫度達到25.8 ℃，直至觀測結(jié)束，其測點溫度變化依然保持在24 ～26 ℃左右變化。距煤壁2m 深度的煤體最低溫度達到24.0 ℃，最高溫度達到25.4 ℃，直至觀測結(jié)束，其測點溫度變化范圍略小于1.5 m 深的測溫范圍。距煤壁3 m 深度的煤體最低溫度達到23.3 ℃，最高溫度達到24.5 ℃，距煤壁4 m 深度的煤體最低溫度達到23.4 ℃，最高溫度達到24.6 ℃，此后，隨著離煤壁距離深度的增加，溫度趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1)通過軟件與硬件相結(jié)合，研究實現(xiàn)了對煤體溫度探測儀的研發(fā)。

2)該溫度探測儀選用的MAX6675 芯片在應(yīng)用中，既可以完成溫度信號冷端補償功能、也可以實現(xiàn)溫度信號的線性化與模數(shù)轉(zhuǎn)換，選用該芯片可大大簡化電路的設(shè)計。

3)在巷道煤體一定深度范圍內(nèi)，溫度有不同程度的升降，具有波動性。但是各測點的溫度變化幅度有不同程度的差別，煤壁內(nèi)高溫點距煤壁距離一般都在1 ～2 m 左右，大于2 m 以后煤體內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定。

4)經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，此儀器操作簡便，測試溫度準(zhǔn)確穩(wěn)定，能夠較好地反映煤壁內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)使用溫度傳感器對井下煤自燃高發(fā)區(qū)域的溫度場以及不同節(jié)點位置的溫差等數(shù)據(jù)進行采集和監(jiān)測，可實時監(jiān)測這些區(qū)域溫度場的細微變化，對溫度異常變化及時預(yù)警和定位，從而做出合理決策并采取相應(yīng)的指導(dǎo)措施，提高預(yù)測預(yù)報準(zhǔn)確率。

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