矿用智能化钻孔测温仪的开发与研制.doc

矿用智能化钻孔测温仪的开发与研制高尚青1，邬剑明1，李欣伟2 李春畴2，孟庆政2 （1太原理工大学，山西，太原 030024；2太原航空仪表厂，山西，太原030006）摘 要：根据温度传感器的相关理论并结合煤矿防灭火工作中的实际要求，研究开发了智能矿用防灭火钻孔测温仪，通过实践验证说明了该仪器在煤矿防灭火工作中的关键性作用和重要的推广应用价值。关键词：防灭火技术；温度；测氡；传感器中图分类号：TD 文献标识码：B前言*山西省归国留学人员基金项目： 项目编号2004095*作者简介：高尚青（1974），男，山东泰安人，在读硕士，主要从事安全技术及装备的研究。近年来在煤矿火区监测、煤炭自燃范围的发展趋势以及早期预防预报等相关工程中，火区内部信息的采集是一项关键性的技术，而火区钻孔中温度信息的读取尚没有有效的测量设备。一般的钻孔测温仪器主要应用于区域地温场和大地热流的研究工作，所测温度比较低，一般在100以下范围。而煤田自燃火区内部温度通常在300800甚至更高，已有的钻孔测温仪器已不能适合此工作环境下进行测量，同时煤田自燃火区区域的恶劣环境也给钻孔温度测量仪器提出了更高的技术要求。 因此，根据煤矿现场实际中的需要，研制了一种便携式、多功能、数字化的测温仪器：XD-1型测温仪。该仪器不仅功能多、精度高、携带方便以外，还具有成本低、功耗低等显著特点，适合在矿山工作中推广应用。1 XD-1测温仪的基本原理及性能 该仪器主要以接触式测温为基础，以MCS-511系列单片机为中心处理单元，利用高精度铂电阻作为温度传感器，在主要电路设计方案及防干扰设计等方面充分优化设计，成为服务于矿山防灭火工作中的专用测温仪器。仪器的基本结构如图1 所示。图 1 仪器原理结构1.1 数据处理器 该测温仪器采用AT89C522,3作为数据处理芯片，它是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）。芯片采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。单片机技术及集成电路在此仪器中的应用，很大程度的克服了以往测温仪器中的各种缺陷，有效的简化了仪表线路，减小了仪器的体积和重量，增加便携性，同时也提高了仪表的测量精度和可靠性，降低成本和加快仪器的研究开发速度。数据处理器中的温度采样处理程序使用C语言开发设计和编译，经不断仿真调试后写入单片机芯片存储器，由仪器独立进行自动测温。测温仪器软件系统的程序框图如下所示。图2 软件程序框图1.2 温度传感器目前国内外测温仪器可按测量方法、测量原理、记录方式和传感器类型进行分类。在传感器的分类中主要包括：热电偶、热敏电阻、铂电阻4、集成电路芯片（如AD5905）等。其中铂电阻传感器是由铂丝绕制而成，一般电阻值为几十欧姆，多者达几百欧姆。铂的电阻与温度的关系为： 式中，、分别为0和时的阻值；A、B为与铂有关的常数，可根据硫、水和氧三相点时铂电阻的阻值R求得。铂电阻的电阻温度系数在0100范围内为0.0038/。由于铂电阻相比其它具有测温范围宽，一般测温范围可在-200900调整，还具有精度高，制作误差小，结构简单且已有统一的国际标准等特点，因此该仪器采用铂电阻作为温度传感器。考虑到火区钻孔内复杂苛刻的地质条件对铂电阻的热响应时间、绝缘电阻等性能参数的影响，该仪器采用耐高温铠装式铂电阻温度传感器，弥补以往工作中环境对传感器正常工作的影响。 1.3 信号传输电缆的特性矿山地下火区一般多在几百米的地下，因此在进行钻孔测温时，信号传输电缆也相应较长。为了减小铂电阻传输线引线电阻随温度变化而引起的测量误差，设计电路中采用了四线制接线方式。实际应用中应保证四芯线为同芯传输线，以使其各线随温度的变化量基本相等。经实验室测试，该仪器测量数值非线性误差可做到小于0.5%，能满足较高精度使用要求，具体结果见表1。表1 铂电阻Pt100标准温度铂电阻值显示温度绝对误差标准温度铂电阻值显示温度绝对误差010000.00100138.4610010010103.910.00110142.30109.9-0.120107.7920.00120146.06120.0030111.6829.8-0.2130149.80130.10.140115.5539.9-0.1140153.58140.0050119.4249.7-0.3150157.31150.10.160123.2659.6-0.4160161.02160.30.370127.0569.7-0.3170164.76170.40.480130.8980.10.1180168.46180.20.290134.70900190172.16190.40.4另外，火区附近区域的温度较高，所采用的信号传输电缆的耐高温性能也不同于一般信号电缆。本仪器信号传输电缆采用聚全氟乙丙烯可改性聚四氟乙烯材料6作为绝缘耐温层，具有比普通控制电缆更高的耐热等级，耐油、防水、耐磨、耐酸碱及各种腐蚀性气体、耐老化、不燃烧、强度高等优异性能，可在-60260长时间稳定工作。因此对仪器在矿山恶劣环境条件下长时间的使用提供可靠的保证。1.4 仪器主要性能参数该仪器在信号传输电缆的耐高温、信号传输补偿技术、防震与信号失真、低功耗等方面进行了改进优化处理，达到以下主要性能指标：1） 测温范围0500，精度1，满足火区温度测量的要求。2） 报警温度：100500，间隔50，同时应用不同的语音声光报警。3） 测量深度300m，适于深煤层火区的测量与监视工作。4） 传输电缆耐高温、高强度和抗干扰，适于矿山恶劣环境的应用。5） 供电方式可采用普通干电池与矿灯电源两种方式，携带方便。 2. 工业性试验该仪器研制后已在内蒙、神华、大同等地矿务局进行了实际应用，取得了良好的使用效果。以晋城三八煤矿实际应用为例，说明该仪器在煤矿防灭火工作中的关键性作用。2.1 火区注浆钻孔分布晋城三八煤矿2002年一水平北五盘区工作面发生CO中毒事故。经查，三八矿井田区域发生自燃火灾，且呈蔓延趋势，直接威胁三八矿及周边乡镇煤矿安全生产。由于周边废弃矿井多，地质情况复杂及其它原因，无法完全隔绝火区，而且火势呈增强和蔓延趋势。该矿采用煤层自燃火源位置精确探测技术测氡法7，探得四个火区，其B火区注浆钻孔分布如图3所示。B图3 火源位置及钻孔分布2.2 注浆钻孔测温监测在B火区的灭火治理工作中，应用该钻孔测温仪对地面观测孔15#、16#中一定深度的钻孔温度值进行连续监测，根据获得的温度变化数值，预测出火势的发展方向，并且及时调整注浆灭火材料的配比及用量参数，临时修改部分灭火方案，提高灭火工作效率。B区15#、16#观测孔钻孔温度值监测曲线如图4、图5所示：2.3 火灾气体结果验证 在灭火工作进行的同时，通过对火区火灾气体的采样分析表明，CO等有害气体成份的含量也随之呈减少的状态发展，其CO监测曲线如图6所示，直至其含量标准达到煤矿安全规程的范围之内，表明火区基本已呈熄灭状态。3 结论1）该测温仪在晋城三八煤矿的实际应用中，通过对火区钻孔温度信息的连续监测，及时的为防灭火工作的具体实施方案提供可靠的参数依据，从而快速有效的扑灭了火区，避免了更大的损失，达到了应有的防灭火效果。2）该仪器的研制与应用可为矿山防灭火工作中注浆材料的优选及配比参数的确定提供可靠的科学理论依据，为火灾的预测预报提供了可靠的手段，节省大量的防灭火资金，提高防灭火工作效率。3）钻孔测温仪器是煤矿防灭火和矿井热害等工程中具有特殊用途的现代化仪器，特别是在矿山防灭火工作中，对于火区内部信息的采集与监测将对防灭火工作起着关键性的作用。该仪器的推广应用可减少煤矿火灾事故，避免火灾造成的资源浪费，逐步提高矿山安全装备的整体水平，具有重要的推广应用价值。参考文献1 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术M北京:北京航空航天大学出版社，1993. 2 黄苑虹. 梁慧冰. 基于AT89C52的温度测控系统J.仪表技术，2002，01：2728.3 AT89C52 datasheet, Atmel Corporation, 1999.4 袁希光.传感器技术手册M.北京:国防工业出版社，1986：58.5 Analog Devices CO. SHORT FORM GUIDE. Electronic products for precision measurement & control. New York: Analog Devices CO，1986：38.6 吕俊英. 游金宗. 聚全氟乙丙烯的聚合J. 有机氟工业，1997，03：1315.7 邬剑明.煤矿自燃火灾治理关键技术的研究与应用J.中国安全科学学报，1998，8(4)：4750. 作者简介：高尚青（1974），男，山东泰安人，在读硕士，主要从事安全技术及装备的研究联系方式: E_mail: esearch and Production of intelligent Temperature Test instrument GAO Shang-qing1，WU Jian-ming1 ,Li Xin-wei2，LI Chun-chou2，Meng Qing-zheng2(1Taiyuan University of Technology ,Taiyuan 030024，China；2 Taiyuan aircraft Instrument and meter plant，030006，China)Abstract：According to the theories of temperature sensor and requirement in the work of coal mine , a new temperature test instrument of mine was invented. And the application of this instrum