煤质检测中的煤质快速检测系统应用及探讨

冯利

摘  要：煤作为一种重要的能源供给之一，煤炭品质的好坏与企业的安全生产有着莫大联系，如果煤炭中有煤矸石、泥土和矿渣等杂质，将会给企业带来较大的损失，我国的煤质快速检测系统目前还不够完善，因此进一步完善与创新煤质快速检测技术对煤质检测行业具有意义。文章通过多传感器煤质检测的方法对煤质进行检测试验，从而验证煤质快速检测系统的实用性。

关键词：煤质检测;煤质快速检测系统;应用

中图分类号：TQ533 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）17-0153-03

Abstract： Coal is one of the most important energy supplies， and the quality of coal is closely related to the safety of production. If there are impurities such as gangue， soil and slag in coal， it will bring great losses to enterprises. At present， the rapid detection system for coal quality in China is not perfect， so further improvement and innovation of the rapid testing technology is of great significance to the coal quality testing industry. In this paper， the multi-sensor coal quality detection method is used to test the coal quality， so as to verify the practicability of the rapid detection system for coal quality.

Keywords： coal quality detection; rapid detection system for coal quality; application

煤在工业领域的应用广泛，比如火电、建筑以及化工等，不同的工业领域对煤的质量要求检测标准不同，煤炭的质量性能决定了煤炭的应用价值。因此，社会中使用煤炭的相关领域对煤炭质量的快速检测非常关心。随着工业的快速发展，对煤的需求日益增长，逐渐呈现出了供不应求的趋势。煤質检测是进行煤炭开采的关键环节，更是煤炭储存的重要依据，因此煤质检测是工业领域关注的热点[1]。煤以有机矿物质为主要的成分，碳、氢、氧等元素，也有少量的无机矿物质，煤炭品质越高，含碳量越高。现有的快速检验煤炭品质的检测技术，主要检测煤炭中的水分、灰分、固定碳的含量成分，常用的检测技术有近红外光普检测技术、实验室分析以及感官检测，但是现有的煤质检验技术都有着或多或少的缺点，比如近红外光谱技术，建模成本较高，需求量较大，具有一定的局限性，稳定性不足;感官检测技术准确度不高，容易在煤的品质方面引起不必要的纠纷。基于此，研究一种新型的煤质快速检测系统，实现对煤炭质量的准确检测，是目前煤炭检测领域的重要任务。

1 交流阻抗谱技术

交流阻抗谱技术是一种电测量技术，以正弦波激励作为扰动信号，对系统施加电信号，能够避免损害系统本身的结构，被认为是一种频率域的检测技术。交流阻抗技术测量方法快，范围广，不损害结构，在生物科学、元器件、地球学科以及快速检测领域都得到了广泛的应用。交流阻抗谱技术如何在煤炭领域中进行运用呢[2]？

分析交流阻抗谱检测方法在煤炭工业中的应用，国内使用在线分析的方法对煤炭的内部元素进行讨论的较多，但是对使用交流阻抗原理检测煤炭杂质的研究较少，只有一些初步的研究，比如交流阻抗谱技术对演示内部结构的检测;在不同环境下对水果新鲜度的检测等，因此，将交流阻抗原理对煤炭杂质进行检测也具有一定的可行性。

2 煤的交流导电特点

对煤炭施加不同的频率信号，导电能力会随着频率的变化而不断变化。如图1所示。当频率较低时，煤的阻抗频率会降低;阻抗值也会随着频率的变化而降低;然后随着频率的升高阻抗值也会升高;煤炭品质不同，其边沿频率也不同，煤阻抗具有一定的灵敏性，在2～3.5kHz频带内是没阻抗的敏感范围。煤阻抗不仅与含水量有关，还与煤的种类与形状有关，细沙状的煤炭阻抗值小;块状的煤炭阻抗值大[3]。

为了测试水分对煤炭阻抗造成的影响，设计2组实验。（1）煤阻抗与掺杂量之间的关系;（2）水分对煤阻抗的影响。第一组实验选取标准煤与掺杂煤进行重量对比，测试阻抗值Zc，则样品传感器输出煤炭阻抗值为：Zc=40，26.25，18，13，8;第二组实验中，选取六个含水率定点，分析煤炭阻抗值Z0在不同湿度下的输出值。如图2所示。在同样的情况下，测量值会随着函数率的增加而逐渐增加，水分越多，测量值越大，组抗性越小。同样的含水率下，煤炭杂质的提高会影响测量值，说明杂质含量与测量值有关，杂质越多，导电性越差，阻抗也就越大。如果含水率达到25%、35%时，传感器的测量值超过4.1%的输出值，表示将会无法辨别含有煤炭的质量[5]，需要对检测结果进行修改以解决煤炭阻抗造成的负面影响。

4 煤质快速检测系统在煤质检测中的设计应用

将传感器置于煤质快速检测系统中，对煤炭进行检测，不会破坏样品的外观和性能，也不会造成任何样品的损坏。设计框架如图3所示。

4.1 硬件设计

4.1.1 插杆式传感器

插杆式传感器对煤炭进行检测后容易留下残留物，如果不进行清理而继续检测容易影响测量数据的准确度，传感器的电极与锥头采用新型材料与聚四氟乙烯绝缘管，将激励源的信号加在传感器中，如图4所示，信号会经过传感器的发射端，然后对煤炭进行检测，接收端会接收到检测的信号，通过检测信号实现煤炭阻抗值的测量。

4.1.2 激励源

阻抗测量系统对激励源的设计要求较高，DDS作为激励源的关键技术，能够控制相位的变化，达到不同波形与频率信号的合成过程，DDS是一种数字化技术，其原理是利用采样定理，通过查表法得到需要的波形，在时钟脉冲内，每累加一次都会得到合成的相位，相位会转化为波形存储器，将相位的信息转化为数值，然后通过D/A转换器将其转换成模拟信号，然后将没有用的信息过滤掉形成正弦信号，目前DDS技术在通信系统、数字广播以及线性调频等领域得到了广泛的应用，是信号发生源的主要首选。

4.1.3 信号检测调理电路

激励源信号在经过煤炭后，会有所衰减，需要有适合的电路作为信号的支撑。为了让保持信号的稳定性，加入整流电路能够保证信号在转换时的稳定性，但是整流电路也存在一定的缺点，比如信号幅值如果太小，会带来较大的电压误差，失去整流电路的功能，为了解决这种问题，通过运算放大器避免二极管非线性造成的误差[6]。

4.1.4 A/D转换电路

采用CS5532转换器，该转换器可编程、噪音低，能够达到较高的分辨率输出结果。可以直接测量微伏信号，电路连接简单，其内部有一个能够编程的放大器，放大倍数可以自由选择，能够实现多个数据选择，提高了系统的动态特性。完整多个系统校正功能能够消除系统通道的误差。

4.2 软件设计

4.2.1 煤质快速检测系统流程

煤质检测系统采用模块化设计，通过激励源模块、转换模糊以及数据采集与处理完成快速检测的功能，模块之间只存在数据传递，不存在相互制约。如图5所示。

4.2.2 信息融合程序流程与煤炭质量结果判断

煤阻抗信息融合算法流程与煤炭质量结果判断如图6所示[7]。

其中Z表示煤阻抗信息的融合定值，构建煤质检测信息融合模型时，需要进行标定实验，采用插杆式传感器得到待检测的煤质含水率，数据预处理之后将较大的误差进行去除，得到煤阻抗的信息融合值Z。对煤质结果进行判断，需要获得煤水分含量以及插杆式传感器的电压值，经过滤波后将水分含量与测量值带入到回归方程中，计算融合值，通过串口将融合之傳到上位机中，然后上位机对检测结果进行判断。

5 煤质快速检测系统在煤质检验中的实验验证

完成硬件设计与软件设计之后，需要对系统进行调试，在保证系统功能完整的情况下，对煤炭质量进行判断。对系统模块调试完成后，下载程序到单片机中，对系统进行测试。硬件部分一般出现的故障为元件失效或者短路等，进行系统组装时要检查是否存在短路、插座引脚连接是否正确;电气连接是否正确，按照设计图排除线路故障。在IAR5.30平台上对系统软件进行测试，根据警告的信息进行修改。

系统重复性是在同一种工作条件下进行多次测量所得的误差，重复性越好说明进度越高。对煤炭进行检测时，先取一份没有任何杂质的煤炭，在室内的温度条件下每隔10分钟对需要抽检的煤炭进行检测，检测的方法是使用煤质快速检测系统，将插杆式传感器擦拭干净后插入到煤炭中，记录传感器检测煤炭的电压值，检测十次并记录传感器的数据，记录传感器检测的重复性。煤炭样品在常温条件下的测量数据如表1所示。

根据表1可得，传感器的重复性平均为：3.85%，检测重复性良好[8]。

6结束语

煤作为工业需求的主要能源之一，煤炭中掺有杂质将会对工业生产以及安全带来极大的危害，造成工程设备损坏甚至报废，通过分析现有的煤质检测技术的不足之处，提出了一种基于传感器检测的快速检测智能系统，实验数据证明，煤炭品质的好坏与煤的交流阻抗值有较大的差别，煤炭数据的采集与结果的判断需要通过通信进行实现，通过串口与下位机的连接实现相互之间的通信，对每一次检测的结果进行记录，构建非线性回归信息融合模型消除水分含量对煤质检测的影响，提高煤质检测的准确度。

参考文献：

[1]李金瑞，王永辉，张志美.浅谈煤质快速检测系统在煤质检验中的应用[J].煤质技术，2017（6）.

[2]宁石茂.近红外光谱煤质检测系统的设计与实现[J].煤质技术，2016（3）：1-3.

[3]顾闯.煤质检测管理系统与关键技术[J].煤质技术，2015（4）：1-5.

[4]庞敏，景士伟.煤质检测系统D-T中子源屏蔽的MC模拟研究[J].物理实验，2018（7）.

[5]董世涛，李虓峰，张园园，等.煤质检测信息统计分析系统设计[J].价值工程，2017（17）：204-206.

[6]夏文营.田庄煤矿煤质变化规律分析[J].山东煤炭科技，2017（8）：166-168.

[7]闫晓玲.恒温式自动热量计在煤质检测室中的应用研究[J].山东煤炭科技，2017（5）：132-133.

[8]吉晓林.煤质水分智能在线监测方法研究[J].山东煤炭科技，2017（1）：176-178.