煤层瓦斯含量拟合装备的设计

刘永涛，刘 佳，马尚权，邸 炜

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

如何准确快速地测定煤层原始瓦斯含量，是煤矿瓦斯防治领域多年研究的课题。煤层瓦斯含量是确定瓦斯涌出量的基础数据，是矿井瓦斯抽放设计和矿井通风设计的重要参数之一。现有的测量设备存在着功能不完备、智能化程度不高等问题。因此设计和研制一款高性能的煤层瓦斯含量测试仪具有重要的理论意义和实用价值［1］。

本文主要介绍了基于微机电系统(MEMS)流量传感器FS4001－200－CV－CH4的煤层瓦斯解吸记录仪的研究与设计方法。实现了对微量、低压损气体的体积及流速的测量。

上位机软件设计采用VC++进行程序开发，完成了线性拟合及基于非线性最小二乘法的曲线拟合设计，从而对下位机数据做进一步精确运算和后期处理。

1 FS4001－200－CV－CH4气体流量传感器的基本原理

FS4001是应用微机电系统(MEMS)芯片传感技术，在硅芯片上集成了具有机械和电子特征的微米级热膜式传感器。它并不是简单地将机械和电子功能微缩在芯片上，而是采用了现代材料制作技术与大规模集成电路技术相结合获得新的特性。微机电系统芯片可获得某些宏观机电器件所不能达到的功效。

热膜式气体流量传感器是利用热传导和热耗散的原理制成的。传感器采用了热质量气体流量传感芯片，属于质量流量传感方式的流量计。它通过气体流动产生的热场变化来测量气体流量。这个变化量与流体的流速、加热电流、热膜的表面温度等因素有关。从这些关系中可导出热膜散失的热量Q与流体的速度v之间的关系［2］。由于不同质量的气体对热场的变化具有不同的影响，因此，该传感器所测量的流量为质量流量，因而不需温度压力抵偿。同时，由于采用了多传感器和微热源技术，使其还具备了优良的零点稳定性、响应时间短以及低压损等特性［3－4］。

不同于其它MEMS传感技术，FS4001在单个传感芯片上集成多个传感器。芯片表面采用具有高导热性能的陶瓷材料钝化处理，在保证传感器有极小的始动流量的同时，避免传感器与气体介质直接接触以提高其可靠性。当没有气体介质流过MEMS传感器芯片时，传感器周围保持稳定的温度场(温度分布)。当气体介质流过传感器芯片时，温度场因为流体介质带走热量导致局部温度重分布［5－6］。测量原理如图1所示。

图1 传感器工作原理图

这种局部温度场变化取决于流体介质的质量及流速。集成在芯片上的传感器对此温度分布进行测量，通过校准，专门设计的信号处理电路将介质质量流速换算成与体积流速成线性关系的电压值输出［7］。

2 预测系统功能的研究

瓦斯含量记录仪的设计采用了较科学的解吸法。解吸法的步骤是利用普通煤芯管钻取煤芯，当煤芯提出孔口后，用密封罐采集含瓦斯煤样，利用解吸仪测定样煤瓦斯解吸量随时间变化的规律，并根据样煤暴露时间计算采样过程中损失的瓦斯量，然后将测完解吸规律的样煤密封罐送到实验室，测定煤芯中残存瓦斯含量。在进行温度和压强校正后，用解吸瓦斯量(包括解吸量与损失量)与残存瓦斯量的总和，除以煤芯重量，即得出煤的瓦斯含量。此方法测定煤层瓦斯含量适应于在地质勘探钻孔中采取煤芯测定煤层瓦斯含量及瓦斯成分。

具体步骤为:首先从通过煤芯管煤层钻取样煤，样煤瓦斯含量包括粉碎前的瓦斯解吸数据(第一次测定过程，此过程需要测量粉碎前煤样瓦斯解吸量Q2和损失瓦斯量Q1)和粉碎后的解吸数据(第二次测定过程，此过程测定粉碎后瓦斯解吸量Q3)。其中Q2的解吸速率满足如图2所示的规律形状，系统利用这些数据采用以下公式进行拟合。

式中，Vt——解吸时间为t时瓦斯解吸速率，ml/min;

图2 解吸率曲线图

V0——解吸时间开始(t=0)时刻煤的瓦斯解吸速率，ml/min;

k——常数。

然后处理器根据实测数据Q2的值，拟合出系数V0和k，代回公式得到Vt的表达式，根据系数已知的公式推算暴露时间段内瓦斯的损失量Q1。最后测量粉碎开始到解吸结束时间内总的累积解吸量Q3，当解吸量小于1 ml/min时，仪表自动结束Q3的测量，处理并保存数据。

总的瓦斯含量计算:

Q含量——煤层瓦斯含量，ml/g;

Q1——损失瓦斯量，ml;

Q2——煤样粉碎前解吸瓦斯量，ml;

Q3——煤样粉碎后解吸量，ml;

M——所取煤样总质量，g;

M0——粉碎用煤样的质量，g。

按此公式计算时，只需通过仪表键盘输入样煤总质量M以及粉碎样煤质量M0，即可推导出总的瓦斯含量Q总。

数据处理结束Q1、Q2、Q3和Q总的数值能随时查询并显示，累计解吸量随时间变化的解吸速率曲线能查询并显示［8］。

3 下位机设计

系统采用MSP430F149混合信号处理器作为主控制器，配合FS4001气体质量流量传感器完成瓦斯含量的测试。整体功能电路包括MCU处理模块、铁电存储模块、时钟模块、键盘模块、LCD显示模块、USB通信模块等单元电路［9］。

系统采用了单元电路设计，集成度较高。这就保证了仪表的稳定性，但也增加了系统软件设计的难度。仪器设计核心和难点是由Q2的各点数据拟合推导Q1的数值以及Q2解吸速率的曲线绘制。

由于处理器的运算能力有限，在Q1的数据拟合过程当中不能运用全部Q2的数值来准确拟合出Q1的数值。所以系统采取了就近法则，根据最初始的三个数值点带入幂函数Vt=V0(1+t)－k列方程组，从而求出起始速率V0和时间常数k。再使t分别等于1、2、3将V0和带入公式，最终求得数据 V1、V2、V3的值，由此推导出 Q1的结果。

系统程序编制难点和核心集中在LCD曲线拟合显示，数据拟合以及多菜单界面操作的设计。

4 上位机拟合预测算法数据比较

将同组数据，通过下位机USB端口传入智能瓦斯含量预测系统上位机进行观察。运行上位机软件，设置COM端口和波特率，选择数据拟合算法。从仪表上输入待上传的数据组别，运行上传菜单。上位机首界面如图3所示。

软件采用了两种数据拟合处理方法，传统曲线拟合和非线性最小二乘法拟合。通过两种方法测试，多元线性回归系数分别为0.991308和0.988942，由此产生的拟合误差均控制在了2%以内。后面处理在选择好的相似度曲线后，输入具体测试点编号和M、M0的值进行数据处理，即可得出需要结果并保存到数据库当中。测量数据Q2和拟合数据Q1可通过首界面导出，曲线分布图可直接复制或打印。

在查看数据界面，进行数据查询过程当中可以设定按地点、时间、Q总阈值进行单独或综合查询。将需要研究分析的数据直接以图形打印或者导出到Excel表格中。导出数据见图4所示，其中拟合1为分段曲线拟合数据，拟合2为最小二乘法曲线拟合数据。

5 结束语

图3 上位机数据拟合处理界面

图4 数据查询界面

本仪器的设计具有体积小、重量轻、时效性好的特点。当气体解吸量小于1ml/min时，能够自动完成数据保存处理，无需人员介入，实现了设备的智能化操作。系统通过多种软硬件优化来降低功耗，可以满足长时间、多组别测试。仪表通过USB口与电脑连接，数据传输准确稳定，操作方便。设计对现有仪器无法显示曲线、不能进行直接的逻辑拟合和推导总瓦斯解吸量等缺点进行了研究改进。仪表的成功研制对井下煤层瓦斯含量快速测量提供了良好的科学手段和支撑。

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