矿井煤炭自燃红外火源探测1234

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,2021/9/21,*,*,矿井煤炭自燃红外火源探测仪 的研制与应用论证报告,兖州煤业股份有限公司安全监察部,山 东 科 技 大 学,济 宁 二 号 煤 矿,2003.5.22,2021/9/21,1,项目意义,红外探测技术新颖，近距离隐蔽火源点位置的反演理论先进，具有显著的创新性和较强的实用性；,红外探测仪测定准确、精度高、能存储大量数据，可在井下使用,该产品的的应用可,有效地解决兖矿集团的防灭火红外探测设备的技术问题，全面掌握红外火源探测技术。,2021/9/21,2,项目目标,根据兖州矿区煤层自燃发火的实际情况，研制适用于,该兖州矿区的本质安全型红外井下火源探测仪.,2021/9/21,3,主要技术指标,探测范围：深度10m以内 ；,煤层自燃最低探测温度：70 ；,探测准确率：探测25次的准确率在80以上 ；,探测纵向误差3m ；,矿用本质安全型：最高开路电压：6v；最大短路电流：25mA；,精度：,场 强 挡：,分辨率为：,0.5J,度 挡：-30500，精度1%或1响应时间：250毫秒发 射 率：预置 0.95 (可调0.3-1.0)D:S: 大于60:1,使用环境：温度： 040,湿 度： 96%,大气压力：,0.8,1.1,10,5,Pa,2021/9/21,4,主要技术指标,与井上计算机在井上进行通讯，整个系统能输出火源探测点位置、时间温度、红外场强等数据报表曲线。,存储测点数：2000个 。,2021/9/21,5,主要研究内容,a.,探测仪的矿山应用环境与分析,b.,结构设计；,c.,数据存储设计；,d.,探测仪与计算机的接口设计；,e.探测仪的本质安全电路设计及防爆检验 。,(1),在继续对红外火源探测技术研究的基础上，采用该技术研制一套矿用本质安全型用于井下煤炭自燃红外火源探测仪,(,系统,),。,系统结构见图,1,2021/9/21,6,主要研究内容,红外井下火源探测仪系统组成图,数据处理计算机,火灾探测软件,2021/9/21,7,主要研究内容,该系统主要由矿用本质安全型红外井下数据采集记录、井上数据处理两部分构成。,a.,矿用本质安全型红外井下数据采集记录部分数据由温度场强测试单元和数据存储记录单元构成；,b.,井上计算机与红外井下数据采集记录仪在井上通过进行数据通讯，传送数信息；,c,.,红外井下火源探测软件。,在原软件基础上进行升级和完善，其主要是对红外探测数据进行整理、存储、计算、查询、打印、分析与判断，是红外探测数据整理与火源位置反演的专用软件，可打印各设备运行数据、曲线报表。可显示各子系统模拟图及数据、曲线。丰富的绘图功能，能绘制巷道探测点的趋势图、平面图和立体图；根据数据处理的结果进行分析，给出火源探测结果的分析报告，其内容包括：易氧化区域的位置和范围。自燃火源的位置和范围。自燃的程度。,2021/9/21,8,主要研究内容,矿用本质安全型红外井下数据采集电路设计,整机采用本质安全型电路、低电压和低功耗设计，尽量减少感性和容性储能元件的使用；电路板采用SMT表面贴工艺，既减小了体积，又保障了硬件电路的可靠性；,a.信号处理电路,负责接收经放大器传来的有关温度的电信号，完成模拟/数字转换，并将转换后的数据经过接口电路，传送到CPU；其中A/D芯片采用10位IC，分辨率为1024，温度分辨率可达0.5度 (测温范围-30+500)；,2021/9/21,9,主要研究内容,矿用本质安全型红外井下数据采集电路设计,b.CPU,采用,MCS-51,系列,8,位单片机，时钟频率为,10MHZ,，程序容量,32K,，是仪器的核心器件；,CPU,接收键盘的操作，按照程序要求，自动完成各种数据运算处理和智能控制，将运算结果通过,LCD,显示出来，同时将有关数据进行存储记录；同时，,CPU,还设计有与外界计算机的通讯协议，在确认协议正确后，将有关的测量数据或者状态，上传至外界计算机；,2021/9/21,10,主要研究内容,矿用本质安全型红外井下数据采集电路设计,c.数据存储单元,采用串行接口的,E2PROM,芯片，具有掉电保护功能，存储容量为,64K,（视情况可进一步扩展），在,CPU,的控制之下，可以完成对测量事件的时间、位置、顺序、测量值等大量数据的存储和记录；同样，在,CPU,的控制之下，也可以按照要求将测量的存储数据传输到外界的计算机中，完成数据传输通信；,d.数据输出单元,以串口通信形式完成与外界计算机的数据通信，在系统分析软件中实现测量数据的智能化处理；该接口采用,RS232,标准接口，并且具有光电隔离设计，通用性强;,2021/9/21,11,主要研究内容,矿用本质安全型红外井下数据采集电路设计,e.键盘单元,键盘单元是仪器的命令输入接口；它采用表面薄膜按键，设计为,5V,直流电压，回路电流很小（小于,100uA,），操作安全可靠；,f.显示单元,采用128*64点阵带背光的LCD，可以显示数据，背光功能可以使仪器在各种环境下工作；,2021/9/21,12,主要研究内容,矿用本质安全型红外井下数据采集电路设计,g.电源单元,仪器的电源电路采用高效率的DC/DC模块设计，完成不同工作电源的分别输出，并且具有很好的稳压特性和自我保护功能（比如：欠压自动关机功能）；仪器的电池采用可充电锂电，容量为1400mAh，结合整机的低功耗设计，可以确保仪器的连续工作时间不低于8小时；电路原理如下图2,2021/9/21,13,主要研究内容,电路原理图,2021/9/21,14,主要研究内容,关键技术,a,.红外井下火源探测技术；,b,.矿用本质安全型电路设计,;,c,.井下外数据的检测、存储、传输技术。,2021/9/21,15,研究开发的技术路线,研究开发路线图,矿山环境分析,整体结构设计,接 口 设 计,数据存储设计,型式试验,防爆试验,验收,2021/9/21,16,研究开发的技术路线,1.,在深入调研的基础上，根据兖州矿区的实际情况，在研究红外火源探测技术的基础上进行红外井下火源探测仪的设计。,2.,进行项目的总体设计，根据矿用本质安全型红外井下数据采集记录仪的电气原理，通过计算设计出达到其检测与存储功能的矿用本质安全型红外井下数据采集记录仪的本质安全型电路、所需本质安全型电源及相关技术参数；,3.,进行本质安全型红外井下数据采集记录仪的电气原理模拟试验，检验其能不能达到技术要求,。,2021/9/21,17,研究开发的技术路线,4.,根据电气原理模拟试验结果，修改电器原理图纸。一要保证其性能要求，二要达到,GB3836.4,本质安全型电气设备的要求。,5.,进行整套系统的电气模拟试验，达到使用要求后，重新修改图纸，设计出矿用本质安全型外壳，并准备好相关资料，到国家指定的防爆检验检测机构进行图纸送审。,6.,图纸送审合格后，按照通过检验合格的图纸加工样机，并对合格样机到国家指定的检测检验机构进行相关的型式试验和电气性能试验,(12,天的湿热试验、高低温电气性能、绝缘性能、外壳机械性能、外壳阻燃抗静电性能等,),。,2021/9/21,18,研究开发的技术路线,7.,型式试验通过后，进行防爆检验的本质安全性试验，取得防爆合格证。,8.,同时根据煤矿井下红外火源探测技术, 完善红外井下火源探测软件，更加适合现场情况。并从以下几方面考虑：,(1),该系统采用目前流行的模块集成方式，可视化，面向对象，界面友好，使用方便，满足现场的使用要求；,(2),系统功能全。能完成从红外探测数据的存储、查询、整理、绘图到反演计算的整个红外探测数据的处理过程。红外探测数据库易于用户进行数据的管理与维护；,2021/9/21,19,研究开发的技术路线,(3),丰富的绘图功能，能绘制巷道探测点的趋势图、平面图和立体图；,(4),可靠的计算功能，能方便的给出反演火源的位置、深度与火源的近似温度；该系统的开发工具为,VF,、,C+,和,Matlab,，该系统的操作环境为,Windows9X,。,9.,取得防爆合格证后，在济宁二号煤矿进行工业性试验问题及时解决，进一步完善矿用本质安全型红外井下火源探测仪系统。,10.,试验期间，收集资料，写好相关技术文件，为项目验收做好验收通过后。,2021/9/21,20,可行性、可靠性分析,矿用本质安全型红外井下火源探测仪系统的设计本着实用、安全可靠的原则开展工作，力求在系统的软硬件设计上与关键元器件选型上对系统的成功形成强有力的支持，并在兼顾较高性能价格比的前提下，充分考虑系统的实用性与易维护性。下面就本系统的整体设计与元器件的选型等方面作可行性与可靠性分析。1、系统设计,1. 系统设计,由于本系统特点是保持检测、存储、数据处理上的相对独立。红外井下数据采集记录仪直接采集数据，并将采集数据存储。井上通过RS232口与数据处理计算机传输，井上计算机负责处理数据，这种分开时的结构使系统更加可靠。它界面明确，操作方便，便于维护 .,2021/9/21,21,可行性、可靠性分析,2.软硬件设计与选型,系统的软硬件设计是保证系统性能与功能的前提条件，硬件是构成系统的基础，要求技术先进，适合现场条件。软件设计工作量大，要满足系统各项要求。下面就主要设备及元器件的选型及软件的设计思路进行简述。,(1)数据处理计算机,可使用普通计算机 。,(2)红外井下数据采集记录仪,采用单片机作为控制核心。能适应各种恶劣现场条件，现场抗干扰能力强的特点，设计具有RS232通讯端口，便于在井上井上与数据处理计算机进行通讯。完全可以满足现场使用要求。,2021/9/21,22,可行性、可靠性分析,软硬件设计与选型,(3)红外测温仪的选择,本仪器系统使用的红外传感器检测精度高，性能可靠，寿命长。,选择红外测温仪可以分为三个方面：性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等；环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等；其它选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等，也对测温仪的选择产生一定的影响。,除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。,2021/9/21,23,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,a.测温范围,测温范围是红外测温仪最重要的一个性能指标。每个型号的红外测温仪都有自己特定的测温范围。因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。一般来说，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精度可靠性容易解决。对于矿井测温，一般在低温区，选用波长在8-14微米为宜。,2021/9/21,24,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,b.目标尺寸,红外测温仪根据其原理可分为亮度测温仪和辐射比测温仪。对于亮度测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪的视场。在井下测温时，若要测面或点，要注意这一问题。,如图下所示，建议被测目标尺寸超过视场50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射就会进入测温仪的视场，会干扰测温读数，造成误差。,2021/9/21,25,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,确定目标尺寸图,目标大于测量现场,红外测温仪,目标小于测量现场,目标等于测量现场,最好,一般,差,2021/9/21,26,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,c.响应时间,响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%所需的时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。在确定响应时间时，主要根据目标的运动速度和目标的温度变化速度。当测量运动的或快速加热的目标时，要选用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，降低测量精度然而，并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪，对于静止的或目标热过程存在热惯性时，或现有控制设备的速度受到限制时，测温仪的响应时间就可以防宽要求了。因此，红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。,2021/9/21,27,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,d.光学分辨率,光学分辨率是测温仪距目标之间的距离D与测量光斑直径S的比值，其比值在2:1-300:1之间。选择D:S取决于目标尺寸与测温仪到目标的距离。光学分辨率越高，测温仪成本就越高。在井下使用时，单纯进行煤巷探测时，光学分辨率在8:1-20:1之间即可，考虑到采空区等其他区域，光学分辨率在30:1-75:1之间为宜。,2021/9/21,28,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,e.信号处理功能,测量离散过程（如零件生产）和连续过程不同，要求红外测温仪有信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。,f.环境条件考虑,测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，主要考虑具有温度补偿功能。,2021/9/21,29,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,g.操作简单，使用方便,红外测温仪应该是直观的，操作简单，易于用户操作人员使用，其中便携式红外测温仪是一种集测温和显示输出为一体的小型、轻便、由人携带进行测温的仪器。,目前，红外测温仪产品已形成系列化、规格化。主要有美国Raytek公司、英国Land公司、瑞典AGA公司、日本航空、西安仪器仪表厂等公司与厂家生产红外测温仪。从价格、精度、灵敏度、防爆性、操作简单性等方面综合考虑，拟从以下几种测温仪中选择,：,2021/9/21,30,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,a.美国Raytek公司生产的ST6型红外测温仪,精度：场强挡 分辨率为： 0.5J,温度挡： -18400，精度2%或2,响应时间：500毫秒;,D:S: 8:1,使用环境：温度： 040,湿度： 96%,大气压力： 0.81.110,5,Pa,采用手工记数记录，无输出。,2021/9/21,31,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,b.美国Raytek公司生产的Raynger Mx型红外测温仪,美国Raytek公司生产的Raynger Mx型红外测温仪是当今市场上唯一带环形测光瞄准的高性能测温仪Mx提供最大/最小/差值/平均值计算，并内置30种常用材料的辐射系数。,精度：场强挡 分辨率为： 0.5J,温度挡： -30500，精度1%或1,响应时间：250毫秒;,重复性：精度1%或1,分辨率：0.1D:S: 60:1,使用环境：温度： 040； 湿度： 96%,大气压力： 0.81.110,5,Pa,距离系数大，精度高，响应时间短。,2021/9/21,32,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,它们和真实温度之间的关系是线形关系，根据探测数据，可得出如下回归关系。,摄氏温度：,华氏温度：,摄氏与华氏辐射单位量：,式中：,E,2,、E,3,、E,2,、E,3,-分别为摄氏和华氏温度下的辐射单位量。,2021/9/21,33,可行性、可靠性分析,红外测温仪的选择,3.,从煤巷近距离自然火源的探测工艺上保证其可靠性,a.红外探测区域原始温度的确定,在不同的开采水平,测取煤层的原始温度和地温梯度。做为探测的基础对比数据，因此，对兖州矿区进行了详细的地温测定，详细数据见本章第4部分,。,b. 探测点的布置原则,探测点在巷道横向和纵向上的布置如图5。一般情况下，我们把纵向方向的布置称为测站，横断面上布置测点。在巷道两帮、顶、底板各布置3-4个测点，进行探测，若出现自燃现象，可按实际增加测点数目至6-10个测点。要更详尽的探测煤巷煤层的自燃状态，以便形成探测区域，而不是单一的探测点，1m,2,测点数可控制在100-150个之间，这样就与红外热成像仪探测相似。巷道测站间距视实际情况而定，一般为4-5米，若有特殊情况，测点间距缩短为2-3米。对巷道要连续的探测，每周测1-2次，测点一定要对应；并要注意环境的变化情况。,2021/9/21,34,可行性、可靠性分析,煤巷红外探测点布置图,右帮,左帮,顶板,横向,顶板,测站,底板,纵向,2021/9/21,35,可行性、可靠性分析,3.从煤巷近距离自然火源的探测工艺上保证其可靠性,c.探测方法,据探测点的位置，通过仪器内的激光照准器，瞄准探目标，要求目标要占满整个视场。若使用,Mx,红外探测仪，仪器到目标的距离与要求目标的大小如下：,D: 50cm 1m 1.5m 3m 6m,S: 1cm 1.6cm 2.5cm 5cm 10cm,而采用ST6时：,D: 15cm 50cm 1m 1.5m 3m,S: 2cm 6.25cm 12.5cm 20cm 40cm,显然采用Mx比ST6高。,2021/9/21,36,可行性、可靠性分析,3.从煤巷近距离自然火源的探测工艺上保证其可靠性,d.探测的类别,在煤巷掘进过程中的初次探测, 称为易氧化区域的预防探测, 即根据易氧化区域的性质，据探测数据确定，目的是重点防范，缩小监测范围，并采取相应的堵漏措施。,2021/9/21,37,项目进度安排,1,、,2003,1,4,调研；,2,、,2002,4,项目论证,3,、,2003,5,2003,9,图纸设计。,4,、,2003,9,2003,10,电气原理模拟试验。,5,、,2003,11,图纸防爆送审。,6,2003,12,样机试制。,7,2004,1-2004.3,型式试验、防爆检验。,8,2004,5,工业性试验（济宁二号煤矿）,9,、,2004,7,项目验收,2021/9/21,38,经费概算,1、 调研、资料 0.5万元,2、 图纸设计与电气模拟试验 2.5万元,3、 图纸送审 1 万元,4、 样机试制 4 万元,5、 外壳阻燃抗静电检验 1 万元,6、 型式试验 2 万元,7、 防爆检验 2 万元,8、 工业性试验 1 万元,9、 设计研究费 1 万元,10、软件设计费 1 万元,11、共计 16万元,2021/9/21,39,承担单位和协作单位分工,煤业公司安全监察部,山东科技大学,济宁二号煤矿,2021/9/21,40,谢 谢,2021/9/21,41,