水力采煤与管道运输第.pdf

水 力采煤 与管 道运 输 第 3期 g试验研究 3 矿用瓦斯检测仪滤波器设计 张立萍 河北 能 源职 业技 术学 院 河北 唐 山 0 6 3 0 0 4 [ 摘要] 瓦斯检测是煤矿安全生产的重要环节。 由于井下环境恶劣， 存在着各种干扰 源 ， 甲烷传 感 器输 出的微弱信 号很容易受 到污染 。 本 文叙述 了甲炕检测仪 的硬件 和软 件 滤波模块 的设计方法 ， 该设计使浓度检测 与报 警的准确度得 到 了提 高。 [ 关键词] 瓦斯检测 滤波器 [ 中图分类号] T D 7 1 2 ． 5 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1 0 0 6 0 8 9 8 2 0 0 5 0 3 0 0 1 7 0 3 l 概述 瓦斯检测是煤矿安全生产的重要环节， 瓦斯 主要成分是甲烷 浓度的准确测量与预 报直接关系到井下人员与设备的安全。近年 来， 瓦斯事故呈现出多发态势， 造成了严重的 生命和财产损失。瓦斯检测的精度要求并不 苛刻， 但是对于检测的可靠性要求非常高。 要 求能够连续检测 ， 并在设定的百分 比浓度点 准确报警。 由于井下环境恶劣， 存在着各种干 扰源 ， 甲烷传感器输出的微弱信号很容易受 到污染L 1 J 。 因此 ， 在实现小信号放大的同时 ， 还要进行滤波， 以去除各种干扰。 采取硬件滤 波和软件滤波的综合方法可提高瓦斯检测仪 的抗干扰能力， 保证浓度检测与报警的准确 度 。 2 瓦斯检测仪的硬件滤波设计 瓦斯检测仪的硬件滤波设计 瓦斯气体浓度是一个慢变信号 ， 故在放 大器之后加入一个低通滤波器， 滤去 2 O H z 以上 的交流信 号 。这样 既可 以抑制 5 0 Hz工 频交流电干扰和其它高频干扰 ， 又不影响数 据的检测。此低通滤波器的技术指标如下 通带 O ～2 O H z 衰减≤3 d B 阻带 4 O H z ～o 。 衰减≥2 O d B 模拟低通滤波器设计的核 L - 是寻找一个 恰当的近似函数来逼近理想滤波器的特性。 目前 ， 有许多滤波器是基于不同类型的近似 函数 的滤 波器 ， 常 见的 类 型有 巴特 沃斯 b u t t e r w o r t h 型， 切 比雪 夫 C h e b y s h e v I 型， 切 比雪夫 Ⅱ 型和椭圆 E ll i p t i c 滤波器 。 巴 特沃斯 b u t t e r wo r t h 滤波器可使通带内滤波 器的增益恒定为 1 ， 通 带和阻带均为单调下 降， 具有 良好的相频特性。 能够满足以上的技 术要求。故采用巴特沃斯 b u t t e r w o r t h 滤波 器[ 。 滤波器的原形设计的过程为 频率归一 化 ， 滤波器阶次的确定， 滤波器的系统传递函 数极点位置的求取 。具体设计步骤如下 1 计算归一化低通阻带频率 A A 一 一 4 0 2 2 确定阶次 Ⅳ 当 A 一2 ， Ⅳ一4时， 衰减 A 2 O d B， 故取 3 求得 B u t t e r wo r t h函数极 点位置如 下 Ⅳ一4 q一0 ． 9 2 3 9 卢 1 0 ． 3 8 2 7 a 2 0 ． 3 8 2 7 2 0 ． 9 2 3 9 滤波电路结构选用低阶有源低通滤波电 路级联的形式 。两节二阶有源低通滤波电路 具有相同的电路结构， 如图 1 所示。 其传输函 数表达式为 H ㈤一 _ 掣 ‘ 赢 维普资讯 矿 用 瓦斯 检测仪 滤波 器设 计 第 3期 V C1 图 1 二阶有源低通滤波电路 3 数字滤波模块设计 在实现信号放大的过程中， 虽然模拟滤 波器电路信号已受到抑制和干扰， 但是信号 仍然会受环境因素的破坏和影响。为了更加 有效地抑制环境变化对测量精度的影响 ， 本 系统采用去极值移动平滑法对经过 A／ D转 换后的数字量进行软件滤波 。该方法是选择 一 个具有一定宽度的平滑窗口， 窗 口内有 n 个实验点， 一般取 2 ‘ 2 ， 如 6 ， 1 0 ， 1 8 ， 3 4 。窗 口内的数据采取先进先出的原则， ， 为最近 一 次采样值。把窗口内 次测量值去掉最大 值和最小值后， 取平均值代替第 点的值。 即 一 三 n n 一 ⋯ 一 ～ 其中 岛一 本系统采用 1 O点去极值移动平滑滤波。 采样数据 首先被存入一个队列中， 队列的 长度为 1 O ， 并从程序循环扫描队列的数据中 找出最大和最小值 ， 同时计算数据的累加和， 用和数 减去最大 和最小值， 然后求取 平均 值 j 。极值移动平滑法消除了数据随机的突 然变化对测量结果的影响， 既能滤除脉冲干 扰， 又能平滑滤波， 减少了误报警的概率。 上述数字滤波模块 ， 可通过编程在 C 5 1 单片机系统上实现。数据信号采集之后要通 过数字滤波实现对有用信号的提取。其中实 现上述算法的核心是在单片机的 R A M 空间 维持一个先进先出的线性数据结构 ， 用于暂 存采集的数据。即在 R A M 空间中构造一个 队列 Q， 队列 Q的长度为 n l O ， 作为存储 1 8 A／ D转换结果数值的数据缓冲区， 它是单片 机 R A M 中从基地址 A D D o开始， 长度为 2 n 的连续单元。由于转换结果为 1 2 位 b i t ， 需 占用 2 个字节 b y t e ， 故总字节长度为 2 O 。 每 个数据存入队列 Q的位置由地址指针 R 1 决 定。 地址指针 R 1 始终指向当前存入的数据 。 队列 Q中的数据随着时间变化不断更新， 可 以从队列 Q中读取数据l_ 6 ] ． 进行进一步的处 理 。 数据在队列 Q实时更新算法程序流程如 图 2所示 。 设最大值 ．72 ～和最小值 ．72 ⋯的地址指针 分别为 A DD O 2 n 1和 a d d ⋯ A D DO 2 2中的数值 ， 即 add ～ 一 * A D DO 2 1 ， a d d 一 * A DDO 2 n 2 ， 每 当队列 Q中的数据进行更新 ， 首先 比较地址 指针 R1是否与最大值 或最小值 ⋯的 地址相同， 如果相 同， 则说明队列 Q中最大 值或最小值出队列， 需要进行新的循环比较， 找出新的极值 。 否则， 只需进行求和 ， 而 ， 1 一 ⋯的数值则保持不变， 可见在去极值 移动平滑滤波的实现模块中， 将寻找极值与 数列求和分开， 可以达到减少循环 比较次数 的效果， 提高运算的实时性。 R I A ／ D转换 结果的高4 位 图 2 队列 Q的实现算法程序流程图 4 结论 在充分考虑瓦斯气体浓度检测环境干扰 的前提下， 综合采取硬件 下转第8 页 维普资讯 2 0 0 5年 9月 水力 采煤 与 管道 运输 第 3期 改造后的水采煤泥水处理工艺流程见图 一 ⋯ ⋯ 一 I 脱水车间筛下水 两 雨 防尘 用水 图 2 改造后的水采煤泥水处理工艺流程图 4 实施效果 水采煤泥水处理系统改造投资共计 3 2 7 万元 ， 改造后 ， 不但具有处理效果好 、 运行稳 定可靠等特点， 而且所带来的效益也十分显 著 经过污水净化器处理后的水采煤泥水， 不 但达 到 了 污 水 综合 排 放 标准 G B 8 9 7 8 1 9 9 6 一级标准， 减少了对南四湖的污染 该 矿紧邻南四湖 ， 减少了对湖区鱼类和南水北 调东线工程水质的影响， 而且 回用井下完全 能够满足高压水泵、 煤水泵及井下防尘对水 质的要求 ， 矿每年可免缴几十万元的罚款和 少缴十几万元的排污费， 最主要 的是避免了 停产整顿治理带来的巨大损失； 处理后的废 水回用井下防尘和密封煤水泵 ， 取代了以前 使用的深井水 ， 每年可节约地下水资源 1 O 0 万 m 。 左右 ， 同时该矿每年可少缴水资源费 约 6 5万元， 节约提升深井水费用近 2 0 万元。 经过斜板沉淀池处理后的水采煤泥水也完全 能够满足高压水泵的要求 ， 回用井下采煤， 对 高压水泵不再造成损害， 每年可减少对高压 水泵轴承、 转子等配件材料费用支出达 5 6万 元， 极大地减轻了工人的维修工作量， 保证了 水采生产的顺利进行， 每年可增加原煤提升 量近 3 0 万 t ， 多生产原煤 2 ． 5 万 t 。 同时 ， 每年 ．比改造前可减少煤泥流失 0 ． 9万 t 左右， 若 每吨按 1 5 0元计， 每年可增收 1 3 5 万元 。 综上 所述 ， 该矿对原有水采煤泥水处理系统进行 改造所取得的经济、 环境和社会效益是十分 显著的 。 [ 作者简介] 邢洪魁 1 9 7 3 一 ， 男， 助理 工程 师 ， 现在 枣 庄矿 业 集 团公 司高庄煤 矿 从 事环保 管理 工 作 ， 1 9 9 3年 毕业 于江 苏省 徐 州 煤炭 建筑 工程 学校环 境 监测 专业 。 [ 收稿 E l 期] 2 o o 5 0 2 2 5 上接 帚 1 8页 滤波和软件滤波相结合的方法， 设计了模拟 低通滤波器的结构和去极值移动平滑滤波算 法软件模块。模拟低通滤波器的原型选择了 4阶巴特沃斯低通滤波器 ， 采取了低阶滤波 器级连的形式 ， 较好地去除了 5 0 Hz 工频交 流电干扰和其它高频干扰 。软件滤波设计了 一 种基于单片机的实时滤波模块， 通过 队列 实现了对数据窗口的维持 ， 较好地解决了信 号处理过程中可能引入的其它干扰 ， 滤除了 脉冲干扰 ， 平滑了信号 ， 进一步提高了浓度检 测的准确度及报警的可靠性。 [ 参考文献] C 1 ] 陈捷 频 ．煤矿 爆炸 性 气体 瓦斯 的检测 ．煤 矿安 全 ， 8 1 9 9 8 ， 4 1 2 ～ 1 6 2 3王 一 丁， 钟 宏杰 ， 金 钦汉 等 ．红外 CH4检 测仪 ．吉林 大 学 自然科学 学报 ， 2 0 0 1 ， 4 6 9 ～ 7 0 E 3 ] 昊湘淇 ， 肖熙 ， 郝 晓莉 ．信 号 、 系境与信 号 处理 的软 硬 件 实现 ．北 京 电子工 业 出版杜 ， 2 0 0 2 1 2 1 ～ 1 2 3 C 4 ] S o p h o c l e s J ．Or f a n i d is ． I n t r o d u c t i o n t o S i g n a l P r o c e 一 i n g ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 2 6 0 3 6 0 6 5 ] 王 福瑞 ．单 片微机 测控 系统 设计 大全 ．北 京 北 京 航 空航 天 大学 出版社 ， 2 0 0 1 3 3 5 ～3 3 8 6 ] 严 蔚敏 ， 昊伟 民 ．数据 结构 ．北 京 清 华大 学 出版杜 ， 2 0 0 2 5 8 ～ 6 5 [ 作者简介] 张立 萍 1 9 6 4 一 ， 女 ， 河 北唐 山人 ， 河 北 能源职 业技 术 学 院副教授 ， 硕 士 。 [ 收槁 日期] 2 0 0 5 0 3 3 2 维普资讯