一种自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置和实验设备的制作方法

本发明涉及煤矿瓦斯治理领域，具体而言，涉及一种自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置和实验设备。

背景技术：

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。

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，但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，因此开发能够精确自动控制的煤矿井下瓦斯气体配置实验设备对于微生物治理煤矿瓦斯技术意义重大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置，以改善现有设备无法在井下精确配置不同浓度瓦斯混合气体的问题。

本发明的目的在于提供一种实验设备，以改善现有设备无法在井下精确配置不同浓度瓦斯混合气体的问题。

本发明是这样实现的：

基于上述的第一目的，本发明提供了一种自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置，包括甲烷钢瓶、氧气钢瓶、氮气钢瓶、触摸控制显示器和搜集装置，所述搜集装置分别与所述甲烷钢瓶的输出端、所述氧气钢瓶的输出端和所述氮气钢瓶的输出端连通，所述氧气钢瓶与所述搜集装置之间设置有氧气电磁阀，所述氮气钢瓶与所述搜集装置之间设置有氮气电磁阀，所述甲烷钢瓶与所述搜集装置之间分别设置有第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀与所述第二电磁阀并联设置，所述触摸控制显示器安装于所述搜集装置，且所述触摸控制显示器分别与所述氧气电磁阀、所述氮气电磁阀、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀电性连接，所述触摸控制显示器能够控制所述氧气电磁阀、所述氮气电磁阀、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀连通或者断开。

进一步地，所述甲烷钢瓶上安装有甲烷开关阀和甲烷减压阀，所述甲烷钢瓶上连接有甲烷干燥管，所述甲烷干燥管的另一端连接有甲烷压力传感器，所述自动控制结构位于所述甲烷压力传感器与所述第一电磁阀之间，所述第一电磁阀与所述搜集装置之间还设置有第一质流计，所述第二电磁阀与所述搜集装置之间设置有第二质流计；所述氧气钢瓶上安装有氧气开关阀和氧气减压阀，所述氧气钢瓶右端连接有氧气干燥管，所述氧气干燥管右端连接有氧气压力传感器，所述氧气压力传感器的另一端与所述氧气电磁阀连接，所述氧气电磁阀右端连接有氧气质流计；所述氮气钢瓶上安装有氮气开关阀和氮气减压阀，所述氮气钢瓶右端连接有氮气干燥管，所述氮气干燥管右端连接有氮气压力传感器，所述氮气压力传感器的另一端与所述氮气电磁阀连接，所述氮气电磁阀右端连接有氮气质流计。

进一步地，所述搜集装置包括防爆单向阀、混气管、废气收集装置和混气收集装置，所述第一质流计的输出端、所述第二质流计的输出端、所述氧气质流计的输出端和所述氮气质流计的输出端分别与所述防爆单向阀连接，所述触摸控制显示器安装于所述防爆单向阀与所述混气管之间，所述废气收集装置和所述混气收集装置分别与所述混气管的输出端连接。

进一步地，所述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，所述废气收集装置和所述混气收集装置分别与所述混气管的输出端连通，所述有混气管进气口、所述混气管输出口、所述混气输出压力传感器和所述混气输出温度传感器分别安装于所述混气管外壳，所述混气栅栏位于所述混气管外壳内，且所述混气栅栏位于所述混气管进气口和所述混气管输出口之间。

进一步地，所述废气收集装置的进口安装有废气零泄漏开关电磁阀，所述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。

进一步地，所述防爆单向阀设置有第一甲烷进气口、第二甲烷进气口、氧气进气口、氮气进气口和防爆阀出口，所述第一甲烷进气口、所述第二甲烷进气口、所述氧气进气口和所述氮气进气口分别与所述防爆阀出口连通，所述第一质流计的输出端与所述第一甲烷近期口连通，所述第二质流计的输出端与所述第二甲烷近期口连通，所述氧气质流计的输出端与所述氧气进气口连通，所述氮气质流计的输出端与所述氮气进气口连通。

进一步地，所述触摸控制显示器上设置有第一工作模式按钮、第二工作模式按钮、第三工作模式按钮和第四工作模式按钮，所述第一工作模式按钮令所述自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置呈手动操作模式，所述第二工作模式按钮令所述自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置呈流量积累模式，所述第三工作模式按钮令所述自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置呈时间积累模式，所述第四工作模式按钮令所述自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置呈比例自动模式。

进一步地，所述触摸控制显示器还设置有触摸屏幕控制器界面参数，所述触摸屏幕控制器界面参数能够控制所述氮气钢瓶、所述氧气钢瓶和所述甲烷钢瓶的输出流量和时长。

进一步地，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。

基于上述的第二目的，本发明还提供了一种实验设备，包括如上所述的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置。

与现有技术相比，本发明实现的有益效果是：

本发明提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置设计合理、成本低廉、安装和使用方便、工作效率高、节省人力、安全可靠、实验数据准确性高、运行稳定可靠、自动控制能力强、使用寿命长、功能全面、实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要实用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例1提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置的管路图；

图2示出了本发明实施例1提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置的原理框图；

图3示出了本发明实施例1提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置混气管结构图；

图4示出了本发明实施例1提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置清洗模式管路图；

图5示出了本发明实施例1提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置甲烷低浓度(小于10％)管路图；

图6示出了本发明实施例1提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置甲烷中浓度(大于10％小于90％)管路图；

图7示出了本发明实施例1提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置甲烷高浓度(大于90％)管路图；

图8示出了本发明实施例1提供的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置防爆单向阀结构原理图。

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-第一电磁阀；21-第二电磁阀；22-第一质流计；23-第二质流计；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；291-混气管进气口；292-混气栅栏；293-混气管输出口；294-混气输出压力传感器；295-混气输出温度传感器；296-混气管外壳；30-防爆单向阀；301-第二进气口；302-第一进气口；303-氧气进气口；304-氮气进气口；305-阀块；306-单向防爆阀出口。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1至图8所示，一种自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置，它包括氮气钢瓶1，氮气钢瓶1安装有氮气开关阀2和氮气减压阀3，氮气钢瓶1连接有氮气干燥管4，氮气干燥管4连接有氮气压力传感器5和氮气电磁阀6，氮气电池阀6连接氮气质流计7；氧气钢瓶8安装有氧气开关阀9和氧气减压阀10，氧气钢瓶8连接有氧气干燥管11，氧气干燥管11连接有氧气压力传感器12和氧气电磁阀13，氧气电池阀13连接氧气质流计14；甲烷钢瓶15安装有甲烷开关阀16和甲烷减压阀17，甲烷钢瓶15连接有甲烷干燥管18，甲烷干燥管18连接有甲烷压力传感器19，甲烷压力传感器19通过三通管路分为两路，一路连接第一电磁阀20一路连接第二电磁阀21，第一电磁阀20，连接第一质流计22，第二电磁阀21，连接第二质流计23。

氮气质流计7连接到防爆单向阀30的氮气进气口304、氧气质流计14连接到防爆单向阀30的氧气进气口303、第一质流计22连接到防爆单向阀30的第一甲烷进气口302、第二质流计23连接到防爆单向阀30的第二甲烷进气口301，通过单向防爆阀的阀块305混合后，经单向防爆阀出口306输出。

防爆单向阀30的单向防爆阀出口306连接到混气管29的混气管进气口291，混合气体经过混气栅栏292，从混气管输出口293输出，同时被混气管外壳296上安装的混气输出压力传感器294，混气输出温度传感器295检测到压力和温度信号传递给实验设备触摸显示控制器。

混合气体经混气管输出口293输出分为两路，一路连接到废气收集装置25，所述废气收集装置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，所述混气收集装置26到混气管之前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，所述废气零泄漏开关电磁阀24和混气和混气零泄漏开关电磁阀28连接到实验设备的触摸显示控制器，受触摸显示控制器控制其打开或关闭。

该实验设备混合气体的配置，触摸显示控制器共谁有四种工作模式：第一工作模式：手动模式，第二工作模式：流量累计模式；第三工作模式：时间累积模式；第四工作模式：比例自动模式。

其中该装置手动模式在触摸屏幕控制器界面参数3，分别填写氮气、氧气、甲烷气体的流速，来控制输出混合气体的比例。

该装置流量累计模式在触摸屏幕控制器界面参数3，分别填写氮气、氧气、甲烷每路气体的流速和流量，总输出量，来控制输出混合气体的输出。

该装置流量时间模式在触摸屏幕控制器界面参数3，分别填写氮气、氧气、甲烷每路气体的的流速和输出时间，每路到达输出设定时间后，相应的质流计自动关闭气路。

该装置流量比例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。

四种混合气体模式的输出，如果填写参数超出质流计的流速范围和质流计的精度范围，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，触摸屏幕控制器界面参数3点击输出才有效。

该实验设备配置有急停开关，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。

操作模式1：实验设备清洗模式

如图5和图8所示，一种自动控制的煤矿井下气体配置实验设备为了保证混气收集装置内气体比例的精度和准确，必须排除装置管路和阀内残存的气体，使用设定比例混合气体进行冲洗，具体实现如下：

在实验设备触摸屏幕控制器界面参数3中，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，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相应得电第一电磁阀20和第二电磁阀21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，第一质流计22，第二质流计23根据设定的比例，控制器转化为质流计阀芯开口量，此时气瓶中气体经过管路，混气管输出到废气回收装置，实现清洗功能。

清洗时间到达后，触摸显示控制器自动关闭清洗功能，氮气电磁阀6，氧气电磁阀13，第一电磁阀20，第二电磁阀21，废气零泄漏开关电磁阀24，均掉电，关闭气路，氮气质流计7，氧气质流计14，第一质流计22，第二质流计23均关闭，无气体通过，完成实验设备冲洗工作。

操作模式2：实验设备甲烷低浓度(小于10％)混气模式，三种气体参与混气。

如图1、图5和图8所示，首先实验设备触摸屏幕控制器界面参数3中可选择工作模式3，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比例小于10％，打开混气手动截止阀27，使混气收集装置气路打开。此时图5中氮气电磁阀6得电，氧气电磁阀13得电、第二电磁阀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，第二质流计23根据设定的比例参数，控制器转化为质流计开口量，此时气瓶中气体经过质流计，防爆单向阀30，混气29，输出到混气收集装置26，开始收集气体。

观察实验设备触摸屏幕控制器界面参数3中混气输出压力传感器294的压力读数，达到所需混气的压力后，点击关闭按钮，氮气电磁阀6，氧气电磁阀13，第二电磁阀21，混气零泄漏开关电磁阀28，均掉电，关闭气路，氮气质流计7，氧气质流计14，第二质流计23均关闭，停止输出，无气体通过，完成混合气体收集工作。

操作模式3：实验设备甲烷中浓度(大于10％小于90％)混气模式，三种气体参与混气。

如图1、图6和图8所示，首先实验设备触摸屏幕控制器界面参数3中可选择工作模式3，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，使混气收集装置气路打开。此时图5中氮气电磁阀6得电，氧气电磁阀13得电、第一电磁阀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，第一质流计22根据设定的比例参数，控制器转化为质流计开口量，此时气瓶中气体经过质流计，防爆单向阀30，混气29，输出到混气收集装置26，开始收集气体。

点击关闭按钮，氮气电磁阀6，氧气电磁阀13，第一电磁阀20，混气零泄漏开关电磁阀28，均掉电，关闭气路，氮气质流计7，氧气质流计14，第一质流计22均关闭，停止输出，无气体通过，完成混合气体收集工作。

操作模式4：实验设备甲烷中浓度(大于90％)混气模式，三种气体参与混气。

如图1、图7和图8所示，首先实验设备触摸屏幕控制器界面参数3中可选择工作模式3，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比例大于90％，打开混气手动截止阀27，使混气收集装置气路打开。此时图5中氮气电磁阀6得电，氧气电磁阀13得电、第一电磁阀20得电，第二电磁阀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，根据设定的比例参数，控制器转化为质流计开口量，第一质流计22满流量100％打开，第二质流计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，此时气瓶中气体经过质流计，防爆单向阀30，混气29，输出到混气收集装置26，开始收集气体。

观察实验设备触摸屏幕控制器界面参数3中混气输出压力传感器294的压力读数，达到所需混气的压力后，点击关闭按钮，氮气电磁阀6，氧气电磁阀13，第一电磁阀20，第二电磁阀21，混气零泄漏开关电磁阀28，均掉电，关闭气路，氮气质流计7，氧气质流计14，第一质流计22，第二质流计23均关闭，无气体通过，停止输出，完成混合气体收集工作。

操作模式5：流量累积模式

如图1和图5至图8所示，首先实验设备触摸屏幕控制器界面参数3中可选择工作模式1，设定甲烷、氧气、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，使混气收集装置气路打开。此时图5中氮气电磁阀6得电，氧气电磁阀13得电、第一电磁阀20和第二电磁阀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。

当该装置甲烷、氧气、氮气分别以触摸屏幕控制器界面参数3中设定流速达到设定流量后，触摸屏幕控制器相应关闭达到流量的质流计及电磁阀，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失电，完成混合气体收集。

操作模式6：时间累积模式

如图图1和图5至图8所示，首先实验设备触摸屏幕控制器界面参数3中可选择工作模式2，设定甲烷、氧气、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，使混气收集装置气路打开。此时图5中氮气电磁阀6得电，氧气电磁阀13得电、第一电磁阀20和第二电磁阀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。

当该装置甲烷、氧气、氮气分别以触摸屏幕控制器界面参数3中设定流速达到设定时间后，触摸屏幕控制器相应关闭达到时间的质流计及电磁阀，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。

本发明专利一种自动控制的煤矿井下气体配置实验设备的气体混合装置很好地将甲烷和氧气和氮气进行充分混合，通过第一质流计22和第二质流计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，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，另外混气管使甲烷和氧气、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；该实验设备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；触摸显示控制器，可以按程序设定的模式进行手动模式、累积流量模式、累积时间模式、比例模式四种模式精确输出混合气体，功能全面，精度高，实用性能和自动控制能力强，本发明具有设计合理、成本低廉、安装和使用方便、工作效率高、节省人力、安全可靠、实验数据准确性高、运行稳定可靠、自动控制能力强、使用寿命长、功能全面、实用性强的优点。

实施例2

本发明提供的实验设备包括如上所述的自动控制的煤矿瓦斯实验配气装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。