一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置的製作方法

2023-07-19 02:37:56 1

本發明屬於煤礦瓦斯治理技術領域，具體涉及一種煤礦井下氣體配置實驗裝置，特別涉及一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置。

背景技術：

瓦斯被稱為煤礦安全生產的「第一殺手」。建國以來，我國一直很重視煤礦瓦斯治理技術的研究工作，經過幾十年的摸索與研究，特別是「七五」到「十二五」期間國家自然科學基金、科技攻關等項目的實施，取得了許多高水平的理論和技術科技成果，形成了如水力壓裂、水力割縫、鬆動爆破、氣體置換等強化預抽治理瓦斯手段，發明了「鑽割一體化」、「帶壓封孔」、「瓦斯解吸儀」等一系列瓦斯實驗、應用測試設備，對有效治理煤礦瓦斯起到了極大的促進作用；近年來，隨著煤礦機械化程度的提高和開採深度的快速增加，煤層賦存條件日趨複雜、地應力逐步升高、煤體破碎程度不斷增大，造成煤層透氣性快速、大範圍的降低，已經使本煤層強化預抽瓦斯工作趨於理論和技術的瓶頸，煤礦瓦斯治理與安全管理形勢依然非常嚴峻。在這種形勢下，需要我們更新觀念，在保障安全的前提下尋求工藝簡單、投資較少、行之有效的防突技術措施，而且，隨著生物技術的飛速發展，微生物降解甲烷的特性正被逐步認識和探討，甲烷氧化菌的發現及其降解甲烷機理的揭示，為應用微生物手段消除煤體甲烷並有效治理瓦斯災害提供了基本的理論依據，目前該研究還處於實驗室相似模擬階段，若想研究微生物在煤礦井下降解煤礦瓦斯的特徵，需要精確配置井下各種環境中所存在的瓦斯氣體，眾所周知，井下瓦斯氣體以甲烷氣體成分為主，濃度範圍分部較廣，如煤體內甲烷成分在90％以下，採空區、冒落帶甲烷成分約20～50％，巷道內甲烷成分約1％以下，而目前尚沒有設備可以滿足井下不同濃度瓦斯混合氣體的精確配置；因此，提供一種設計合理、成本低廉、安全高效、運行可靠的自動控制煤礦井下氣體配置實驗裝置是非常必要的。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，而提供一種設計合理、成本低廉、安全高效、安裝使用方便、運行可靠的自動控制煤礦井下氣體配置實驗裝置。

本發明的目的是這樣實現的：一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置，它包括甲烷鋼瓶、氧氣鋼瓶、氮氣鋼瓶，所述的甲烷鋼瓶上安裝有甲烷開關閥和甲烷減壓閥，所述的甲烷鋼瓶右端連接有甲烷乾燥管，所述的甲烷乾燥管右端連接有甲烷壓力傳感器，所述的甲烷壓力傳感器右端連接有大流量甲烷電磁閥和小流量甲烷電磁閥，所述的大流量甲烷電磁閥右端連接有大流量甲烷質流計，所述的小流量甲烷電磁閥右端連接有小流量甲烷質流計，所述的氧氣鋼瓶上安裝有氧氣開關閥和氧氣減壓閥，所述的氧氣鋼瓶右端連接有氧氣乾燥管，所述的氧氣乾燥管右端連接有氧氣壓力傳感器，所述的氧氣壓力傳感器右端連接有氧氣電磁閥，所述的氧氣電磁閥右端連接有氧氣質流計，所述的氮氣鋼瓶上安裝有氮氣開關閥和氮氣減壓閥，所述的氮氣鋼瓶右端連接有氮氣乾燥管，所述的氮氣乾燥管右端連接有氮氣壓力傳感器，所述的氮氣壓力傳感器右端連接有氮氣電磁閥，所述的氮氣電磁閥右端連接有氮氣質流計，所述的大流量甲烷質流計、小流量甲烷質流計、氧氣質流計和氮氣質流計輸出口管路上安裝有防爆單向閥，所述的防爆單向閥包括有單向防爆閥閥塊，所述的單向防爆閥閥塊內設有小流量甲烷進氣口、大流量甲烷進氣口、氧氣進氣口、氮氣進氣口和單向防爆閥出口，所述的防爆單向閥輸出口連接有混氣管，所述的混氣管包括有混氣管進氣口、混氣管輸出口、混氣柵欄、混氣輸出壓力傳感器、混氣輸出溫度傳感器和混氣管外殼，所述的混氣管輸出口連接有廢氣收集裝置和混氣收集裝置，所述的廢氣收集裝置的進口安裝有廢氣零洩漏開關電磁閥，所述的混氣收集裝置到混氣管之間管路上安裝有混氣零洩漏開關電磁閥。

所述的甲烷乾燥管、氧氣乾燥管和氮氣乾燥管內均裝有氧化鋁空心球乾燥劑。

所述的混氣管內部結構為混氣柵板結構。

所述的大流量甲烷質流計和小流量甲烷質流計根據濃度比例設定，匹配精度和流速量程，通過程序判斷選擇高精度的量程。

所述的防爆單向閥安裝在大流量甲烷質流計、小流量甲烷質流計、氧氣質流計和氮氣質流計的輸出口之後。

所述的混氣收集裝置上配置有混氣手動截止閥。

所述的防爆單向閥和混氣管之間設置有觸摸顯示控制器。

本發明的有益效果：本發明採用甲烷壓力傳感器、氧氣壓力傳感器和氮氣壓力傳感器，能夠將檢測到的壓力信號輸送到實驗裝置的觸摸顯示控制器上，在觸摸顯示控制器的面板上分別顯示出甲烷鋼瓶、氧氣鋼瓶和氮氣鋼瓶各自輸出的氣體壓力值，同時通過手動調節甲烷鋼瓶、氧氣鋼瓶和氮氣鋼瓶對應的減壓閥，達到輸出到質流計上的進口壓力一致，在混氣管上安裝有混氣輸出溫度傳感器和混氣輸出壓力傳感器，能夠實時監測輸出氣體的溫度和壓力，混氣管的出口經過三通分為兩路，一路連接到廢氣收集裝置，廢氣收集裝置的進口安裝有廢氣零洩漏開關電磁閥，另一路連接到混氣收集裝置，混氣收集裝置到混氣管之間管路上安裝有混氣零洩漏開關電磁閥和混氣手動截止閥，廢氣零洩漏開關電磁閥和混氣零洩漏開關電磁閥連接到實驗裝置的觸摸顯示控制器，受觸摸顯示控制器控制其打開或關閉；採用大流量甲烷質流計和小流量甲烷質流計，根據配置濃度比例，計算出最佳精度，通過向實驗裝置的觸摸顯示控制器設定工作模式和工作參數，控制輸出混氣氣體的總量和氣體比例，為保證混合氣體的每種氣體比例精度可控，在配置混合氣體中甲烷濃度低於10％時，小流量甲烷質流計參與工作，大流量甲烷質流計關閉，在甲烷濃度高於10％，低於90％時，大流量甲烷質流計參與工作，小流量甲烷質流計關閉，在甲烷濃度高於90％時，大流量甲烷質流計和小流量甲烷質流計均參與工作，通過開啟不同的質流計組合，配置出高低濃度精度可控的混合氣體，從而很好地將甲烷、氧氣和氮氣進行充分混合；採用混氣管，可以使甲烷、氧氣和氮氣混合的更加充分，為實驗提供可靠的氣源，提高了實驗結果的準確性和實踐效果；採用觸摸顯示控制器，可以按程序設定的模式進行手動模式、流量累積模式、時間累積模式和比例自動模式四種模式精確輸出混氣氣體；本發明具有設計合理、成本低廉、安裝使用方便、工作效率高、節省人力、安全可靠、數據精確、運行穩定、自動控制能力強、使用壽命長、功能全面、實用性強的優點。

附圖說明

圖1是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置的管路示意圖。

圖2是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置的原理框圖。

圖3是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置觸摸顯示控制器的結構框圖。

圖4是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置混氣管的結構示意圖。

圖5本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置清洗模式管路示意圖。

圖6是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置甲烷低濃度(小於10％)管路示意圖。

圖7是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置甲烷中濃度(大於10％小於90％)管路示意圖。

圖8是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置甲烷高濃度(大於90％)管路示意圖。

圖9是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置防爆單向閥結構示意圖。

圖10是本發明一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置圖1中A處的局部放大圖。

圖中：1、氮氣鋼瓶 2、氮氣開關閥 3、氮氣減壓閥 4、氮氣乾燥管 5、氮氣壓力傳感器 6、氮氣電磁閥 7、氮氣質流計 8、氧氣鋼瓶 9、氧氣開關閥 10、氧氣減壓閥 11、氧氣乾燥管 12、氧氣壓力傳感器 13、氧氣電磁閥 14、氧氣質流計 15、甲烷鋼瓶 16、甲烷開關閥 17、甲烷減壓閥 18、甲烷乾燥管 19、甲烷壓力傳感器 20、大流量甲烷電磁閥 21、小流量甲烷電磁閥 22、大流量甲烷質流計 23、小流量甲烷質流計 24、廢氣零洩漏開關電磁閥 25、廢氣收集裝置 26、混氣收集裝置 27、混氣手動截止閥 28、混氣零洩漏開關電磁閥 29、混氣管 29-1、混氣管進氣口 29-2、混氣柵欄 29-3、混氣管輸出口 29-4、混氣輸出壓力傳感器 29-5、混氣輸出溫度傳感器 29-6、混氣管外殼 30、防爆單向閥 30-1、小流量甲烷進氣口 30-2、大流量甲烷進氣口 30-3、氧氣進氣口 30-4、氮氣進氣口 30-5、單向防爆閥閥塊 30-6、單向防爆閥出口 31、觸摸顯示控制器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的說明。

如圖1-10所示，一種自動控制的煤礦井下氣體配置實驗裝置，它包括甲烷鋼瓶15、氧氣鋼瓶8、氮氣鋼瓶1，所述的甲烷鋼瓶15上安裝有甲烷開關閥16和甲烷減壓閥17，所述的甲烷鋼瓶15右端連接有甲烷乾燥管18，所述的甲烷乾燥管18右端連接有甲烷壓力傳感器19，所述的甲烷壓力傳感器19右端連接有大流量甲烷電磁閥20和小流量甲烷電磁閥21，所述的大流量甲烷電磁閥20右端連接有大流量甲烷質流計22，所述的小流量甲烷電磁閥21右端連接有小流量甲烷質流計23，所述的氧氣鋼瓶8上安裝有氧氣開關閥9和氧氣減壓閥10，所述的氧氣鋼瓶8右端連接有氧氣乾燥管11，所述的氧氣乾燥管11右端連接有氧氣壓力傳感器12，所述的氧氣壓力傳感器12右端連接有氧氣電磁閥13，所述的氧氣電磁閥13右端連接有氧氣質流計14，所述的氮氣鋼瓶1上安裝有氮氣開關閥2和氮氣減壓閥3，所述的氮氣鋼瓶1右端連接有氮氣乾燥管4，所述的氮氣乾燥管4右端連接有氮氣壓力傳感器5，所述的氮氣壓力傳感器5右端連接有氮氣電磁閥6，所述的氮氣電磁閥6右端連接有氮氣質流計7，所述的大流量甲烷質流計22、小流量甲烷質流計23、氧氣質流計14和氮氣質流計7輸出口管路上安裝有防爆單向閥30，所述的防爆單向閥30包括有單向防爆閥閥塊30-5，所述的單向防爆閥閥塊30-5內設有小流量甲烷進氣口30-1、大流量甲烷進氣口30-2、氧氣進氣口30-3、氮氣進氣口30-4和單向防爆閥出口30-6，所述的防爆單向閥30輸出口連接有混氣管29，所述的混氣管29包括有混氣管進氣口29-1、混氣管輸出口29-3、混氣柵欄29-2、混氣輸出壓力傳感器29-4、混氣輸出溫度傳感器29-5和混氣管外殼29-6，所述的混氣管輸出口29-3連接有廢氣收集裝置25和混氣收集裝置26，所述的廢氣收集裝置25的進口安裝有廢氣零洩漏開關電磁閥24，所述的混氣收集裝置26到混氣管29之間管路上安裝有混氣零洩漏開關電磁閥28，所述的甲烷乾燥管18、氧氣乾燥管11和氮氣乾燥管4內均裝有氧化鋁空心球乾燥劑，所述的混氣管29內部結構為混氣柵板結構，所述的大流量甲烷質流計22和小流量甲烷質流計23根據濃度比例設定，匹配精度和流速量程，通過程序判斷選擇高精度的量程，所述的防爆單向閥30安裝在大流量甲烷質流計22、小流量甲烷質流計23、氧氣質流計14和氮氣質流計7的輸出口之後，所述的混氣收集裝置26上配置有混氣手動截止閥27，所述的防爆單向閥30和混氣管29之間設置有觸摸顯示控制器31。

氮氣質流計7連接到防爆單向閥30的氮氣進氣口30-4、氧氣質流計14連接到防爆單向閥30的氧氣進氣口30-3、大流量甲烷質流計22連接到防爆單向閥30的大流量甲烷進氣口30-2、小流量甲烷質流計23連接到防爆單向閥30的小流量甲烷進氣口30-1，通過單向防爆閥閥塊30-5混合後，經單向防爆閥出口30-6輸出。防爆單向閥30的單向防爆閥出口30-6連接到混氣管29的混氣管進氣口29-1，混合氣體經過混氣柵欄29-2，從混氣管輸出口29-3輸出，同時被混氣管外殼29-6上安裝的混氣輸出壓力傳感器29-4、混氣輸出溫度傳感器29-5檢測到壓力和溫度信號傳遞給實驗裝置觸摸顯示控制器31。混合氣體經混氣管輸出口29-3輸出分為兩路，一路連接到廢氣收集裝置25，廢氣收集裝置25的進口安裝有廢氣零洩漏開關電磁閥24，另一路連接到混氣收集裝置26，混氣收集裝置26到混氣管29之間管路上安裝有混氣零洩漏開關電磁閥28和混氣手動截止閥27，廢氣零洩漏開關電磁閥24和混氣零洩漏開關電磁閥28連接到實驗裝置的觸摸顯示控制器31，受觸摸顯示控制器31控制其打開或關閉。

本發明採用觸摸顯示控制器31，共有四種工作模式：手動模式、流量累積模式、時間累積模式和比例自動模式。其中手動模式在觸摸顯示控制器31上分別填寫氮氣、氧氣和甲烷氣體的流速，來控制輸出混合氣體的比例；流量累計模式在觸摸顯示控制器31上分別填寫氮氣、氧氣和甲烷各路氣體的流速、流量和總輸出量，來控制輸出混合氣體的輸出；時間累積模式在觸摸顯示控制器31上分別填寫氮氣、氧氣和甲烷各路氣體的的流速和輸出時間，當各路到達輸出設定時間後，對應的質流計自動關閉氣路；比例自動模式為填寫任意兩種氣體所佔比例和總流速，來控制混合氣體的輸出；當填寫參數超出質流計的流速範圍和質流計的精度範圍時，觸摸顯示控制器31會自動提示某路氣體超流速或精度無法滿足，直到所填參數滿足每路氣體的輸出流速和精度要求時，在觸摸顯示控制器31上點擊輸出按鍵才有效；同時觸摸顯示控制器31上配置有急停開關，可通過切斷所有電磁閥供電，關閉輸入和輸出，以應對在實驗中的突發情況。

實施例1

如圖1-10所示，在觸摸顯示控制器31中，通過設定清洗時間和所需要氮氣、氧氣、甲烷濃度比例後，打開清洗按鍵，此時氮氣電磁閥6得電，氧氣電磁閥13得電、根據設定的甲烷濃度使得大流量甲烷電磁閥20和小流量甲烷電磁相應得電，電磁閥進氣氣路打開，廢氣零洩漏開關電磁閥24得電，廢氣回收管路打開。

氮氣質流計7、氧氣質流計14、大流量甲烷質流計22和小流量甲烷質流計23根據設定的比例參數，觸摸顯示控制器31將其轉化為質流計閥芯開口量，此時鋼瓶中氣體經過管路和氣管輸出到廢氣回收裝置，實現清洗功能，清洗時間到達後，觸摸顯示控制器31自動關閉清洗功能，氮氣電磁閥6、氧氣電磁閥13、大流量甲烷電磁閥20、小流量甲烷電磁閥21和廢氣零洩漏開關電磁閥24均掉電，氣路關閉，然後關閉氮氣質流計7、氧氣質流計14、大流量甲烷質流計22和小流量甲烷質流計23，保證無氣體通過，完成實驗裝置衝洗工作，排除了實驗裝置中管路和電磁閥內殘存的氣體，保證了混氣收集裝置26內氣體比例的精度和準確。

實施例2

如圖1-10所示，在觸摸顯示控制器31中通過工作模式按鍵選擇比例自動模式，設定三種氣體中任意兩種氣體的混氣百分比，其中要求甲烷濃度在混合氣體中的比例小於10％，打開混氣手動截止閥27，使混氣收集裝置26氣路打開，此時氮氣電磁閥6、氧氣電磁閥13和小流量甲烷電磁閥21得電，各路電磁閥進氣氣路打開，混氣零洩漏開關電磁閥28得電，混氣收集管路打開，氮氣質流計7、氧氣質流計14和小流量甲烷質流計23根據設定的比例參數，由觸摸顯示控制器31將該比例參數轉化為質流計開口量，此時鋼瓶中氣體經過質流計、防爆單向閥30和混氣管29，輸出到混氣收集裝置26中開始收集氣體。

觀察觸摸顯示控制器31中混氣輸出壓力傳感器29-4的壓力讀數，當壓力讀數達到所需混氣的壓力後，點擊觸摸顯示控制器31中的關閉按鈕，此時氮氣電磁閥6、氧氣電磁閥13、小流量甲烷電磁閥21和混氣零洩漏開關電磁閥28均斷電，氣路關閉，同時氮氣質流計7、氧氣質流計14和小流量甲烷質流計23關閉，參數停止輸出，無氣體通過，完成混合氣體收集工作。

實施例3

如1-9所示，在觸摸顯示控制器31中通過工作模式按鍵選擇比例自動模式，設定三種氣體中任意兩種氣體的混氣百分比，其中要求甲烷濃度在混合氣體中的比例介於10％和90％之間，打開混氣手動截止閥27，使混氣收集裝置26氣路打開，此時氮氣電磁閥6、氧氣電磁閥13和大流量甲烷電磁閥20得電，各路電磁閥進氣氣路打開，混氣零洩漏開關電磁閥28得電，混氣收集管路打開，氮氣質流計7、氧氣質流計14和大流量甲烷質流計22根據設定的比例參數，由觸摸顯示控制器31轉化為質流計開口量，此時鋼瓶中氣體經過質流計、防爆單向閥30和混氣管29，輸出到混氣收集裝置26中開始收集氣體。

點擊觸摸顯示控制器31中的關閉按鈕，氮氣電磁閥6、氧氣電磁閥13、大流量甲烷電磁閥20和混氣零洩漏開關電磁閥28斷電，氣路關閉，氮氣質流計7、氧氣質流計14和大流量甲烷質流計22均關閉，停止輸出，無氣體通過，完成混合氣體收集工作。

實施例4

如圖1-10所示，在觸摸顯示控制器31中通過工作模式按鍵選擇比例自動模式，設定三種氣體中任意兩種氣體的混氣百分比，其中要求甲烷濃度在混合氣體中的比例大於90％，打開混氣手動截止閥27，使混氣收集裝置26氣路打開，此時圖6中氮氣電磁閥6、氧氣電磁閥13、大流量甲烷電磁閥20和小流量甲烷電磁閥21得電，各路電磁閥進氣氣路打開，混氣零洩漏開關電磁閥28得電，混氣收集管路打開，氮氣質流計7和氧氣質流計14根據設定的比例參數，由觸摸顯示控制器31轉化為質流計開口量，大流量甲烷質流計22滿流量100％打開，小流量甲烷質流計23根據所設甲烷參數減去大流量甲烷完全打開所佔混氣比例的剩餘比例，轉化為開口量大小開啟，此時鋼瓶中氣體經過質流計、防爆單向閥30和混氣管29，輸出到混氣收集裝置26中開始收集氣體。

觀察觸摸顯示控制器31中混氣輸出壓力傳感器29-4的壓力讀數，當達到所需混氣的壓力後，點擊觸摸顯示控制器31中的關閉按鈕，氮氣電磁閥6、氧氣電磁閥13、大流量甲烷電磁閥20、小流量甲烷電磁閥21和混氣零洩漏開關電磁閥28均掉斷電，氣路關閉，氮氣質流計7、氧氣質流計14、大流量甲烷質流計22和小流量甲烷質流計23均關閉，無氣體通過，停止輸出，完成混合氣體收集工作。

實施例5

如圖1-10所示，在觸摸顯示控制器31中通過工作模式按鍵選擇流量累積模式，並設定好甲烷、氧氣和氮氣三種氣體的每分鐘流速，以及流量參數，打開混氣手動截止閥27，使混氣收集裝置26氣路打開，此時圖6中氮氣電磁閥6和氧氣電磁閥13得電，大流量甲烷電磁閥20和小流量甲烷電磁閥21根據比例計算結果分別得電，各路電磁閥進氣氣路打開，混氣零洩漏開關電磁閥28得電，混氣收集管路打開。

當該實驗裝置甲烷、氧氣和氮氣分別以觸摸顯示控制器31中設定的流速達到設定的對應流量後，觸摸顯示控制器31關閉達到流量的相應質流計及電磁閥，等待三路氣體均達到設定流量後，混氣零洩漏開關電磁閥28斷電，完成混合氣體收集。

實施例6

如圖1-10所示，在觸摸顯示控制器31中通過工作模式按鍵選擇時間累積模式，並設定好甲烷、氧氣和氮氣三種氣體的每分鐘流速，以及時間參數，打開混氣手動截止閥27，使混氣收集裝置26氣路打開，此時圖6中氮氣電磁閥6和氧氣電磁閥13得電，大流量甲烷電磁閥20和小流量甲烷電磁閥21根據比例計算結果分別得電，各路電磁閥進氣氣路打開，混氣零洩漏開關電磁閥28得電，混氣收集管路打開。

當該實驗裝置中甲烷、氧氣和氮氣分別以觸摸顯示控制器31中設定的流速達到設定的時間後，觸摸顯示控制器31關閉達到時間的相應質流計及電磁閥，等待三路氣體均達到設定時間後，混氣零洩漏開關電磁閥28失電，完成混合氣體收集。

本發明能夠很好地將甲烷、氧氣和氮氣進行充分混合，通過大流量甲烷質流計22和小流量甲烷質流計23大小兩片量程的組合，根據配置濃度比例，計算出最佳精度，開啟不同質流計，配置出高低濃度精度可控的混合氣體，每路氣體在質流計輸出後連接防爆單向閥30，極大地提高了實驗設備的安全性，氣體管路採用316不鏽鋼，螺紋卡套連接，穩固可靠，可防止氣體洩漏和腐蝕，另外混氣管29使甲烷、氧氣和氮氣混合的更加充分，為實驗提供可靠的氣源，提高了實驗結果的準確性和實踐效果；該實驗裝置頂部安裝有防爆風機，開機模式下，向外排出裝置內部的氣體，避免危險氣體的堆積；採用觸摸顯示控制器31，可以按程序設定的模式進行手動模式、流量累積模式、時間累積模式和比例自動模式四種模式精確輸出混合氣體；本發明具有設計合理、成本低廉、安裝使用方便、工作效率高、節省人力、安全可靠、數據精確、運行穩定、自動控制能力強、使用壽命長、功能全面、實用性強的優點。