煤层气含量快速测定仪的研究

摘要

煤层气又被人们称作瓦斯气。煤矿瓦斯事故死亡人数占了煤矿灾害事故死亡总人数的90％以上。瓦斯抽放是防治煤矿灾害事故的根本措施，此外煤层气作为一种储量巨大的新兴清洁能源，加快煤层气的产业化进程不仅可以使我国的煤矿安全生产水平得到很大提高，而且还可以解决我国的能源安全和环保问题。通过煤层气含量的快速测定，可以及时准确地掌握煤层的煤层气关键参数为煤矿的安全生产和煤层气资源的合理开发利用提供技术保障。为了实现煤层气含量相关参数的快速测定，本课题的主要工作是煤层气含量快速测定仪的设计与研究。
　　本文在讨论了煤层气行业的研究开发现状的基础上，明确了课题的研究任务。在对比了不同煤层气测定方法的基础上，确定出测定仪的核心数学模型。通过分析测定仪的功能需求以及应用场合的特殊要求，制定出测定仪软硬件方案，完成煤层气含量快速测定仪的设计制作，在此基础上的对测定仪进行相关的实验研究和分析。
　　本文首先分析了测定仪的功能要求和工况环境要求，规划出硬件系统和软件系统的总体方案，进而对软硬件系统进行优化设计。通过合理优化设计电源系统，解决了仪表的防爆问题和电池的续航能力问题。对于测定仪来说，气体流量值的准确测量是保证整个测定仪的结果准确的基础。通过选用具有热微桥结构的气体质量流量传感器解决了此问题，并通过在软件设计上对传感器的数据进行合理的温度和压力等环境参数的补偿和矫正来保证流量信息的准确可靠。为保证专业知识背景不很丰富的井下操作人员能方便的操作仪表，在人机交互设计方面上运用了菜单、图标、容错控制等方法来实现具有良好的可操作性的人机交互界面的设计。为了使整个软件系统运行可靠稳定并且增强软件系统的可移植性，在开源的μC/OS-Ⅱ实时的嵌入式操作系统环境下对测定仪的软件程序进行设计及移植。为了使测定仪的历史数据信息便于进一步的分析处理，不再像传统仪表那样是一个信息孤岛，设计了 USB通信接口和 PC上位机软件来实现仪表信息与外界的共享。从可靠性的角度分别对硬件设计和软件设计进行优化，从而实现测定仪的可靠性设计。通过软件仿真的手段明确软硬件设计优化的方向和重点，为测定仪功能扩展以及核心算法优化提供依据。最后，对测定仪核心功能传感器数据采集以及流量测量精度进行了实验验证和分析。

目录

第1章 绪论

1.1课题背景

1.2煤层气行业的研究开发现状

1.3课题研究的目的与意义

1.4课题主要工作

第2章 总体方案的设计与规划

2.1不同煤层气测量方法的比较

2.2系统总体方案的规划

2.3本章小结

第3章 硬件设计

3.1核心芯片MSP430F5529的介绍

3.2硬件的可靠性设计

3.3本章小结

第4章 软件设计

4.1测定仪软件的设计

4.2上位机软件的设计

4.3软件的可靠性设计

4.4本章小结

第5章 仿真分析

5.1旁路测量策略的仿真分析

5.2数据处理策略的仿真分析

5.3本章小结

第6章 试验验证

6.1实验一 流量传感器数据总线优化

6.2实验二 测定仪的精度和稳定性实验

6.3本章小结

第7章 结论与展望

7.1课题结论

7.2课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果