一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置的制作方法

本发明属于煤矿瓦斯治理技术领域，具体涉及一种煤矿井下气体配置实验装置，特别涉及一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置。

背景技术：

瓦斯被称为煤矿安全生产的“第一杀手”。建国以来，我国一直很重视煤矿瓦斯治理技术的研究工作，经过几十年的摸索与研究，特别是“七五”到“十二五”期间国家自然科学基金、科技攻关等项目的实施，取得了许多高水平的理论和技术科技成果，形成了如水力压裂、水力割缝、松动爆破、气体置换等强化预抽治理瓦斯手段，发明了“钻割一体化”、“带压封孔”、“瓦斯解吸仪”等一系列瓦斯实验、应用测试设备，对有效治理煤矿瓦斯起到了极大的促进作用；近年来，随着煤矿机械化程度的提高和开采深度的快速增加，煤层赋存条件日趋复杂、地应力逐步升高、煤体破碎程度不断增大，造成煤层透气性快速、大范围的降低，已经使本煤层强化预抽瓦斯工作趋于理论和技术的瓶颈，煤矿瓦斯治理与安全管理形势依然非常严峻。在这种形势下，需要我们更新观念，在保障安全的前提下寻求工艺简单、投资较少、行之有效的防突技术措施，而且，随着生物技术的飞速发展，微生物降解甲烷的特性正被逐步认识和探讨，甲烷氧化菌的发现及其降解甲烷机理的揭示，为应用微生物手段消除煤体甲烷并有效治理瓦斯灾害提供了基本的理论依据，目前该研究还处于实验室相似模拟阶段，若想研究微生物在煤矿井下降解煤矿瓦斯的特征，需要精确配置井下各种环境中所存在的瓦斯气体，众所周知，井下瓦斯气体以甲烷气体成分为主，浓度范围分部较广，如煤体内甲烷成分在90％以下，采空区、冒落带甲烷成分约20～50％，巷道内甲烷成分约1％以下，而目前尚没有设备可以满足井下不同浓度瓦斯混合气体的精确配置；因此，提供一种设计合理、成本低廉、安全高效、运行可靠的自动控制煤矿井下气体配置实验装置是非常必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种设计合理、成本低廉、安全高效、安装使用方便、运行可靠的自动控制煤矿井下气体配置实验装置。

本发明的目的是这样实现的：一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置，它包括甲烷钢瓶、氧气钢瓶、氮气钢瓶，所述的甲烷钢瓶上安装有甲烷开关阀和甲烷减压阀，所述的甲烷钢瓶右端连接有甲烷干燥管，所述的甲烷干燥管右端连接有甲烷压力传感器，所述的甲烷压力传感器右端连接有大流量甲烷电磁阀和小流量甲烷电磁阀，所述的大流量甲烷电磁阀右端连接有大流量甲烷质流计，所述的小流量甲烷电磁阀右端连接有小流量甲烷质流计，所述的氧气钢瓶上安装有氧气开关阀和氧气减压阀，所述的氧气钢瓶右端连接有氧气干燥管，所述的氧气干燥管右端连接有氧气压力传感器，所述的氧气压力传感器右端连接有氧气电磁阀，所述的氧气电磁阀右端连接有氧气质流计，所述的氮气钢瓶上安装有氮气开关阀和氮气减压阀，所述的氮气钢瓶右端连接有氮气干燥管，所述的氮气干燥管右端连接有氮气压力传感器，所述的氮气压力传感器右端连接有氮气电磁阀，所述的氮气电磁阀右端连接有氮气质流计，所述的大流量甲烷质流计、小流量甲烷质流计、氧气质流计和氮气质流计输出口管路上安装有防爆单向阀，所述的防爆单向阀包括有单向防爆阀阀块，所述的单向防爆阀阀块内设有小流量甲烷进气口、大流量甲烷进气口、氧气进气口、氮气进气口和单向防爆阀出口，所述的防爆单向阀输出口连接有混气管，所述的混气管包括有混气管进气口、混气管输出口、混气栅栏、混气输出压力传感器、混气输出温度传感器和混气管外壳，所述的混气管输出口连接有废气收集装置和混气收集装置，所述的废气收集装置的进口安装有废气零泄漏开关电磁阀，所述的混气收集装置到混气管之间管路上安装有混气零泄漏开关电磁阀。

所述的甲烷干燥管、氧气干燥管和氮气干燥管内均装有氧化铝空心球干燥剂。

所述的混气管内部结构为混气栅板结构。

所述的大流量甲烷质流计和小流量甲烷质流计根据浓度比例设定，匹配精度和流速量程，通过程序判断选择高精度的量程。

所述的防爆单向阀安装在大流量甲烷质流计、小流量甲烷质流计、氧气质流计和氮气质流计的输出口之后。

所述的混气收集装置上配置有混气手动截止阀。

所述的防爆单向阀和混气管之间设置有触摸显示控制器。

本发明的有益效果：本发明采用甲烷压力传感器、氧气压力传感器和氮气压力传感器，能够将检测到的压力信号输送到实验装置的触摸显示控制器上，在触摸显示控制器的面板上分别显示出甲烷钢瓶、氧气钢瓶和氮气钢瓶各自输出的气体压力值，同时通过手动调节甲烷钢瓶、氧气钢瓶和氮气钢瓶对应的减压阀，达到输出到质流计上的进口压力一致，在混气管上安装有混气输出温度传感器和混气输出压力传感器，能够实时监测输出气体的温度和压力，混气管的出口经过三通分为两路，一路连接到废气收集装置，废气收集装置的进口安装有废气零泄漏开关电磁阀，另一路连接到混气收集装置，混气收集装置到混气管之间管路上安装有混气零泄漏开关电磁阀和混气手动截止阀，废气零泄漏开关电磁阀和混气零泄漏开关电磁阀连接到实验装置的触摸显示控制器，受触摸显示控制器控制其打开或关闭；采用大流量甲烷质流计和小流量甲烷质流计，根据配置浓度比例，计算出最佳精度，通过向实验装置的触摸显示控制器设定工作模式和工作参数，控制输出混气气体的总量和气体比例，为保证混合气体的每种气体比例精度可控，在配置混合气体中甲烷浓度低于10％时，小流量甲烷质流计参与工作，大流量甲烷质流计关闭，在甲烷浓度高于10％，低于90％时，大流量甲烷质流计参与工作，小流量甲烷质流计关闭，在甲烷浓度高于90％时，大流量甲烷质流计和小流量甲烷质流计均参与工作，通过开启不同的质流计组合，配置出高低浓度精度可控的混合气体，从而很好地将甲烷、氧气和氮气进行充分混合；采用混气管，可以使甲烷、氧气和氮气混合的更加充分，为实验提供可靠的气源，提高了实验结果的准确性和实践效果；采用触摸显示控制器，可以按程序设定的模式进行手动模式、流量累积模式、时间累积模式和比例自动模式四种模式精确输出混气气体；本发明具有设计合理、成本低廉、安装使用方便、工作效率高、节省人力、安全可靠、数据精确、运行稳定、自动控制能力强、使用寿命长、功能全面、实用性强的优点。

附图说明

图1是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置的管路示意图。

图2是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置的原理框图。

图3是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置触摸显示控制器的结构框图。

图4是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置混气管的结构示意图。

图5本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置清洗模式管路示意图。

图6是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置甲烷低浓度(小于10％)管路示意图。

图7是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置甲烷中浓度(大于10％小于90％)管路示意图。

图8是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置甲烷高浓度(大于90％)管路示意图。

图9是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置防爆单向阀结构示意图。

图10是本发明一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置图1中A处的局部放大图。

图中：1、氮气钢瓶 2、氮气开关阀 3、氮气减压阀 4、氮气干燥管 5、氮气压力传感器 6、氮气电磁阀 7、氮气质流计 8、氧气钢瓶 9、氧气开关阀 10、氧气减压阀 11、氧气干燥管 12、氧气压力传感器 13、氧气电磁阀 14、氧气质流计 15、甲烷钢瓶 16、甲烷开关阀 17、甲烷减压阀 18、甲烷干燥管 19、甲烷压力传感器 20、大流量甲烷电磁阀 21、小流量甲烷电磁阀 22、大流量甲烷质流计 23、小流量甲烷质流计 24、废气零泄漏开关电磁阀 25、废气收集装置 26、混气收集装置 27、混气手动截止阀 28、混气零泄漏开关电磁阀 29、混气管 29-1、混气管进气口 29-2、混气栅栏 29-3、混气管输出口 29-4、混气输出压力传感器 29-5、混气输出温度传感器 29-6、混气管外壳 30、防爆单向阀 30-1、小流量甲烷进气口 30-2、大流量甲烷进气口 30-3、氧气进气口 30-4、氮气进气口 30-5、单向防爆阀阀块 30-6、单向防爆阀出口 31、触摸显示控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1-10所示，一种自动控制的煤矿井下气体配置实验装置，它包括甲烷钢瓶15、氧气钢瓶8、氮气钢瓶1，所述的甲烷钢瓶15上安装有甲烷开关阀16和甲烷减压阀17，所述的甲烷钢瓶15右端连接有甲烷干燥管18，所述的甲烷干燥管18右端连接有甲烷压力传感器19，所述的甲烷压力传感器19右端连接有大流量甲烷电磁阀20和小流量甲烷电磁阀21，所述的大流量甲烷电磁阀20右端连接有大流量甲烷质流计22，所述的小流量甲烷电磁阀21右端连接有小流量甲烷质流计23，所述的氧气钢瓶8上安装有氧气开关阀9和氧气减压阀10，所述的氧气钢瓶8右端连接有氧气干燥管11，所述的氧气干燥管11右端连接有氧气压力传感器12，所述的氧气压力传感器12右端连接有氧气电磁阀13，所述的氧气电磁阀13右端连接有氧气质流计14，所述的氮气钢瓶1上安装有氮气开关阀2和氮气减压阀3，所述的氮气钢瓶1右端连接有氮气干燥管4，所述的氮气干燥管4右端连接有氮气压力传感器5，所述的氮气压力传感器5右端连接有氮气电磁阀6，所述的氮气电磁阀6右端连接有氮气质流计7，所述的大流量甲烷质流计22、小流量甲烷质流计23、氧气质流计14和氮气质流计7输出口管路上安装有防爆单向阀30，所述的防爆单向阀30包括有单向防爆阀阀块30-5，所述的单向防爆阀阀块30-5内设有小流量甲烷进气口30-1、大流量甲烷进气口30-2、氧气进气口30-3、氮气进气口30-4和单向防爆阀出口30-6，所述的防爆单向阀30输出口连接有混气管29，所述的混气管29包括有混气管进气口29-1、混气管输出口29-3、混气栅栏29-2、混气输出压力传感器29-4、混气输出温度传感器29-5和混气管外壳29-6，所述的混气管输出口29-3连接有废气收集装置25和混气收集装置26，所述的废气收集装置25的进口安装有废气零泄漏开关电磁阀24，所述的混气收集装置26到混气管29之间管路上安装有混气零泄漏开关电磁阀28，所述的甲烷干燥管18、氧气干燥管11和氮气干燥管4内均装有氧化铝空心球干燥剂，所述的混气管29内部结构为混气栅板结构，所述的大流量甲烷质流计22和小流量甲烷质流计23根据浓度比例设定，匹配精度和流速量程，通过程序判断选择高精度的量程，所述的防爆单向阀30安装在大流量甲烷质流计22、小流量甲烷质流计23、氧气质流计14和氮气质流计7的输出口之后，所述的混气收集装置26上配置有混气手动截止阀27，所述的防爆单向阀30和混气管29之间设置有触摸显示控制器31。

氮气质流计7连接到防爆单向阀30的氮气进气口30-4、氧气质流计14连接到防爆单向阀30的氧气进气口30-3、大流量甲烷质流计22连接到防爆单向阀30的大流量甲烷进气口30-2、小流量甲烷质流计23连接到防爆单向阀30的小流量甲烷进气口30-1，通过单向防爆阀阀块30-5混合后，经单向防爆阀出口30-6输出。防爆单向阀30的单向防爆阀出口30-6连接到混气管29的混气管进气口29-1，混合气体经过混气栅栏29-2，从混气管输出口29-3输出，同时被混气管外壳29-6上安装的混气输出压力传感器29-4、混气输出温度传感器29-5检测到压力和温度信号传递给实验装置触摸显示控制器31。混合气体经混气管输出口29-3输出分为两路，一路连接到废气收集装置25，废气收集装置25的进口安装有废气零泄漏开关电磁阀24，另一路连接到混气收集装置26，混气收集装置26到混气管29之间管路上安装有混气零泄漏开关电磁阀28和混气手动截止阀27，废气零泄漏开关电磁阀24和混气零泄漏开关电磁阀28连接到实验装置的触摸显示控制器31，受触摸显示控制器31控制其打开或关闭。

本发明采用触摸显示控制器31，共有四种工作模式：手动模式、流量累积模式、时间累积模式和比例自动模式。其中手动模式在触摸显示控制器31上分别填写氮气、氧气和甲烷气体的流速，来控制输出混合气体的比例；流量累计模式在触摸显示控制器31上分别填写氮气、氧气和甲烷各路气体的流速、流量和总输出量，来控制输出混合气体的输出；时间累积模式在触摸显示控制器31上分别填写氮气、氧气和甲烷各路气体的的流速和输出时间，当各路到达输出设定时间后，对应的质流计自动关闭气路；比例自动模式为填写任意两种气体所占比例和总流速，来控制混合气体的输出；当填写参数超出质流计的流速范围和质流计的精度范围时，触摸显示控制器31会自动提示某路气体超流速或精度无法满足，直到所填参数满足每路气体的输出流速和精度要求时，在触摸显示控制器31上点击输出按键才有效；同时触摸显示控制器31上配置有急停开关，可通过切断所有电磁阀供电，关闭输入和输出，以应对在实验中的突发情况。

实施例1

如图1-10所示，在触摸显示控制器31中，通过设定清洗时间和所需要氮气、氧气、甲烷浓度比例后，打开清洗按键，此时氮气电磁阀6得电，氧气电磁阀13得电、根据设定的甲烷浓度使得大流量甲烷电磁阀20和小流量甲烷电磁相应得电，电磁阀进气气路打开，废气零泄漏开关电磁阀24得电，废气回收管路打开。

氮气质流计7、氧气质流计14、大流量甲烷质流计22和小流量甲烷质流计23根据设定的比例参数，触摸显示控制器31将其转化为质流计阀芯开口量，此时钢瓶中气体经过管路和气管输出到废气回收装置，实现清洗功能，清洗时间到达后，触摸显示控制器31自动关闭清洗功能，氮气电磁阀6、氧气电磁阀13、大流量甲烷电磁阀20、小流量甲烷电磁阀21和废气零泄漏开关电磁阀24均掉电，气路关闭，然后关闭氮气质流计7、氧气质流计14、大流量甲烷质流计22和小流量甲烷质流计23，保证无气体通过，完成实验装置冲洗工作，排除了实验装置中管路和电磁阀内残存的气体，保证了混气收集装置26内气体比例的精度和准确。

实施例2

如图1-10所示，在触摸显示控制器31中通过工作模式按键选择比例自动模式，设定三种气体中任意两种气体的混气百分比，其中要求甲烷浓度在混合气体中的比例小于10％，打开混气手动截止阀27，使混气收集装置26气路打开，此时氮气电磁阀6、氧气电磁阀13和小流量甲烷电磁阀21得电，各路电磁阀进气气路打开，混气零泄漏开关电磁阀28得电，混气收集管路打开，氮气质流计7、氧气质流计14和小流量甲烷质流计23根据设定的比例参数，由触摸显示控制器31将该比例参数转化为质流计开口量，此时钢瓶中气体经过质流计、防爆单向阀30和混气管29，输出到混气收集装置26中开始收集气体。

观察触摸显示控制器31中混气输出压力传感器29-4的压力读数，当压力读数达到所需混气的压力后，点击触摸显示控制器31中的关闭按钮，此时氮气电磁阀6、氧气电磁阀13、小流量甲烷电磁阀21和混气零泄漏开关电磁阀28均断电，气路关闭，同时氮气质流计7、氧气质流计14和小流量甲烷质流计23关闭，参数停止输出，无气体通过，完成混合气体收集工作。

实施例3

如1-9所示，在触摸显示控制器31中通过工作模式按键选择比例自动模式，设定三种气体中任意两种气体的混气百分比，其中要求甲烷浓度在混合气体中的比例介于10％和90％之间，打开混气手动截止阀27，使混气收集装置26气路打开，此时氮气电磁阀6、氧气电磁阀13和大流量甲烷电磁阀20得电，各路电磁阀进气气路打开，混气零泄漏开关电磁阀28得电，混气收集管路打开，氮气质流计7、氧气质流计14和大流量甲烷质流计22根据设定的比例参数，由触摸显示控制器31转化为质流计开口量，此时钢瓶中气体经过质流计、防爆单向阀30和混气管29，输出到混气收集装置26中开始收集气体。

点击触摸显示控制器31中的关闭按钮，氮气电磁阀6、氧气电磁阀13、大流量甲烷电磁阀20和混气零泄漏开关电磁阀28断电，气路关闭，氮气质流计7、氧气质流计14和大流量甲烷质流计22均关闭，停止输出，无气体通过，完成混合气体收集工作。

实施例4

如图1-10所示，在触摸显示控制器31中通过工作模式按键选择比例自动模式，设定三种气体中任意两种气体的混气百分比，其中要求甲烷浓度在混合气体中的比例大于90％，打开混气手动截止阀27，使混气收集装置26气路打开，此时图6中氮气电磁阀6、氧气电磁阀13、大流量甲烷电磁阀20和小流量甲烷电磁阀21得电，各路电磁阀进气气路打开，混气零泄漏开关电磁阀28得电，混气收集管路打开，氮气质流计7和氧气质流计14根据设定的比例参数，由触摸显示控制器31转化为质流计开口量，大流量甲烷质流计22满流量100％打开，小流量甲烷质流计23根据所设甲烷参数减去大流量甲烷完全打开所占混气比例的剩余比例，转化为开口量大小开启，此时钢瓶中气体经过质流计、防爆单向阀30和混气管29，输出到混气收集装置26中开始收集气体。

观察触摸显示控制器31中混气输出压力传感器29-4的压力读数，当达到所需混气的压力后，点击触摸显示控制器31中的关闭按钮，氮气电磁阀6、氧气电磁阀13、大流量甲烷电磁阀20、小流量甲烷电磁阀21和混气零泄漏开关电磁阀28均掉断电，气路关闭，氮气质流计7、氧气质流计14、大流量甲烷质流计22和小流量甲烷质流计23均关闭，无气体通过，停止输出，完成混合气体收集工作。

实施例5

如图1-10所示，在触摸显示控制器31中通过工作模式按键选择流量累积模式，并设定好甲烷、氧气和氮气三种气体的每分钟流速，以及流量参数，打开混气手动截止阀27，使混气收集装置26气路打开，此时图6中氮气电磁阀6和氧气电磁阀13得电，大流量甲烷电磁阀20和小流量甲烷电磁阀21根据比例计算结果分别得电，各路电磁阀进气气路打开，混气零泄漏开关电磁阀28得电，混气收集管路打开。

当该实验装置甲烷、氧气和氮气分别以触摸显示控制器31中设定的流速达到设定的对应流量后，触摸显示控制器31关闭达到流量的相应质流计及电磁阀，等待三路气体均达到设定流量后，混气零泄漏开关电磁阀28断电，完成混合气体收集。

实施例6

如图1-10所示，在触摸显示控制器31中通过工作模式按键选择时间累积模式，并设定好甲烷、氧气和氮气三种气体的每分钟流速，以及时间参数，打开混气手动截止阀27，使混气收集装置26气路打开，此时图6中氮气电磁阀6和氧气电磁阀13得电，大流量甲烷电磁阀20和小流量甲烷电磁阀21根据比例计算结果分别得电，各路电磁阀进气气路打开，混气零泄漏开关电磁阀28得电，混气收集管路打开。

当该实验装置中甲烷、氧气和氮气分别以触摸显示控制器31中设定的流速达到设定的时间后，触摸显示控制器31关闭达到时间的相应质流计及电磁阀，等待三路气体均达到设定时间后，混气零泄漏开关电磁阀28失电，完成混合气体收集。

本发明能够很好地将甲烷、氧气和氮气进行充分混合，通过大流量甲烷质流计22和小流量甲烷质流计23大小两片量程的组合，根据配置浓度比例，计算出最佳精度，开启不同质流计，配置出高低浓度精度可控的混合气体，每路气体在质流计输出后连接防爆单向阀30，极大地提高了实验设备的安全性，气体管路采用316不锈钢，螺纹卡套连接，稳固可靠，可防止气体泄漏和腐蚀，另外混气管29使甲烷、氧气和氮气混合的更加充分，为实验提供可靠的气源，提高了实验结果的准确性和实践效果；该实验装置顶部安装有防爆风机，开机模式下，向外排出装置内部的气体，避免危险气体的堆积；采用触摸显示控制器31，可以按程序设定的模式进行手动模式、流量累积模式、时间累积模式和比例自动模式四种模式精确输出混合气体；本发明具有设计合理、成本低廉、安装使用方便、工作效率高、节省人力、安全可靠、数据精确、运行稳定、自动控制能力强、使用寿命长、功能全面、实用性强的优点。