CN114167007A - 管道气体传感器测试标校设备、控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道气体传感器测试标校设备、控制系统及控制方法，包括柜体及设置在柜体上的控制箱、真空泵、气体瓶、采集传感器、测试平台、模拟管道、密封接头、压力变送器、上位机。本发明实现了管道类气体传感器测试过程的自动控制、传感器测试过程数据自动采集、读取，提升了气体传感器的测试效率，降低了误操作带来安全风险，设计了有毒有害、易燃易爆气体的采集、监控措施，在危险气体超标的情况下自动停机，并开启通风设备，降低了人身受到有害有毒气体伤害的风险。

Description

管道气体传感器测试标校设备、控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及矿用设备技术领域，尤其涉及一种管道气体传感器测试标校设备、用于该管道气体传感器测试标校设备的控制系统及用于该管道气体传感器测试标校控制系统的控制方法。

背景技术

由于管道类传感器的特殊使用环境：1.管道内气体高流速；2.管道内压力值变化(即正压：30kPa(表压)～负压：-100kPa(表压)，在正常测试环境下无法满足管道类传感器的使用环境，导致测试时无法检验出产品缺陷。

现有技术中管道气体传感器测试标校系统具有如下缺点：

(1)标校使用的气体大多为有毒有害、易燃易爆气体，对使用后的尾气未进行排放处理，人体易受到伤害；

(2)测试过程自动化程度低，各个控制单元无法实现联动，作业效率低；

(3)对有毒有害、易燃易爆气体无监测、预防泄露的措施，漏电、死机、电机异常等突发状况无保护措施与应急措施；

(4)一般为单机工作，数据不能进行读取、显示；

(5)无法模拟管道传感器的使用环境中压力的变化、流速的变化；

(6)气体传感器的测试、校准过程中需要人为参与的环节较多，效率低，存在安全隐患，无法模拟出使用环境。

发明内容

本发明提供一种管道气体传感器测试标校设备、用于该管道气体传感器测试标校设备的控制系统及用于该管道气体传感器测试标校控制系统的控制方法，用于对管道激光甲烷传感器、管道一氧化碳传感器、管道氧气传感器等气体类传感器及其变送器(以下统称气体传感器)进行标校、测试，实时监控管道内的压力、流速等环境参数，实现了管道类气体传感器测试过程的自动控制、传感器测试过程数据自动采集、读取，提升了气体传感器的测试效率，降低了误操作带来安全风险，设计了有毒有害、易燃易爆气体的采集、监控措施，在危险气体超标的情况下自动停机，并开启通风设备，降低了人身受到有害有毒气体伤害的风险，设计了漏电保护、短路保护、电机的过载、短路、缺相等保护安全措施，设计了应对突发状况的安全措施。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种管道气体传感器测试标校设备，包括柜体及设置在柜体上的控制箱、真空泵、气体瓶、采集传感器、测试平台、模拟管道、密封接头、压力变送器、上位机；

所述上位机用于发送控制命令以及过程数据采集；

所述模拟管道与上位机相连，所述气体瓶、真空泵分别与模拟管道相连，所述密封接头分布在模拟管道上并与模拟管道内腔连通，所述压力变送器设置在模拟管道的进口端，气体瓶用于提供不同浓度、不同种类的气样，真空泵用于对模拟管道抽真空，密封接头用于安装待测传感器，压力变送器用于采集管道内的压力数据传送给上位机进行状态判断；

所述测试平台设置于模拟管道一侧，测试平台上设置有若干电流表及若干电缆连接器，电缆连接器用于实现待测传感器的供电以及与设备的通信，电流表用于测量待测传感器的工作电流值；

所述采集传感器与上位机相连，用于采集环境中的危险气体浓度，供上位机进行判断；

所述控制箱分别与真空泵、采集传感器、测试平台、压力变送器、上位机相连，为各机构提供电源。

为了使模拟管道内的气体形成向上的气流，所述模拟管道内设置有若干用于将气流导入各密封接头的气体导流板。

为了准确采集柜体内外的危险气体，保证安全性，所述采集传感器包括第一采集传感器及第二采集传感器，所述第一采集传感器安装于柜体内，用于采集柜体内的危险气体浓度，所述第二采集传感器安装于柜体外，用于采集柜体外环境中的危险气体浓度。

为了便于移动该设备，所述柜体底部设置有万向轮。

本发明还提供一种管道气体传感器测试标校控制系统，用于上述管道气体传感器测试标校设备，包括上位机、传感器、继电器控制板、气体压力传感器、通讯协议板、管道气路及执行元件；

所述上位机用于发送控制命令；

所述传感器与上位机相连，用于采集环境中的危险气体浓度，供上位机进行判断；

所述继电器控制板分别与上位机、执行元件相连，用于接收上位机控制命令，实现对执行元件的控制；

所述气体压力传感器分别与上位机、管道气路相连，用于采集管道气路内的压力数据传送给上位机进行状态判断；

所述通讯协议板分别与上位机、待测传感器相连，用于对待测传感器的工作电流值与气体浓度值进行转换后发送至上位机进行显示；

所述执行元件与管道气路相连，所述管道气路用于安装待测传感器，执行元件实现管道气路通断控制。

本发明还提供一种管道气体传感器测试标校控制方法，用于上述管道气体传感器测试标校系统，包括如下步骤：

(1)将待测传感器安装于管道气路的密封接头上；

(2)上位机控制真空泵持续抽取管道气路内的空气，直至真空状态；

(3)上位机释放气体瓶内的气体并控制执行元件、隔膜泵，实现管道气路内的气体循环；

(4)气体压力传感器采集管道气路内的压力数据传送给上位机进行状态判断；

(5)通讯协议板对待测传感器的工作电流值与气体浓度值进行转换后发送至上位机进行显示，测试人员根据待测传感器在不同测试状态下的显示进行判断是否合格，直至完成整个测试流程；

(6)传感器采集环境中的危险气体浓度，当环境中的危险气体超出设定值时，上位机立即发送停机命令关闭阀门、执行元件，防止气体泄露。

相比于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)本发明减少测试环节的人力投入、提高测试效率、杜绝安全隐患，实现提高产品合格率的目标；

(2)提高了管道类气体传感器测试的自动化程度，采用可视化的显示方法，各个数据参数均可以显示于操作屏，降低了设备的操作难度。各个执行元件间实现联动，避免了误操作带来的安全风险，提高了作业效率；

(3)对有毒有害、易燃易爆气体实行监测、预防泄露的措施，漏电、死机、电机异常等突发状况施有保护措施与应急措施。极大的提高了设备操作的安全系数；

(4)模拟了气体在管道中的压力变化、流速变化等关键参数，使产品在测试阶段就能曝露问题缺陷，避免了有问题的产品流向市场；

(5)为其它管道类的传感器提供了测试环境。

附图说明

图1为本发明的管道气体传感器测试标校设备的立体结构示意图；

图2为本发明的管道气体传感器测试标校设备的主视图；

图3为本发明的模拟管道内的结构示意图；

图4为本发明的管道气体传感器测试标校控制系统的原理框图；

图5为本发明的管道气体传感器测试标校控制系统的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」、「侧」、「端」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

如图1、图2所示的一种管道气体传感器测试标校设备，包括柜体1及设置在柜体1上的控制箱9、真空泵5、气体瓶4、采集传感器、测试平台6、模拟管道3、密封接头11、压力变送器10、上位机2等。

下面进行详细说明。

(1)上位机

整个设备的运行由上位机2统一调度控制，通过RS485串口发送控制命令以及过程数据采集，上位机2上设置有显示操作屏。

(2)模拟管道

模拟管道3与上位机2、气体瓶4相连，输送不同浓度的标准气样以及排放测试后废气的管路。模拟管道3内设置有若干用于将气流导入上方的各密封接头11的气体导流板18，结合图3所示，气体导流板18的长度自模拟管道3的进口端向出口端逐渐加长，气体导流板18底端为弯钩状，模拟管道3内的气体从右端往左端移动时，气体分子流动至气体导流板18时造成向上的气流，使气体更容易进入密封接头11及待测传感器16内。

(3)真空泵

真空泵5与模拟管道3相连，抽取模拟管道3中的空气，使管道内形成真空的环境。真空泵5上设置接触器，通过控制接触器的吸合、释放控制真空泵的工作状态。真空泵5上设置有热过载继电器，用于真空泵5的保护。

(4)压力变送器

安装于模拟管道3的进气端，采集模拟管道3内的压力数据传送给上位机进行状态判断，压力变送器上设置指针式压力表，作为标准压力表使用，用于校准压力变送器数值。

(5)控制箱

24V、12V、5V开关电源，作为供电电源，为相关的电气设备提供电源。控制箱9上设置急停按钮，用于紧急状态下执行元件的断电。

(6)电流表

电流表7具有多个，安装于测试平台6上，用于测量待测传感器16的工作电流值。

(7)电缆连接器

电缆连接器8具有多个，作为待测传感器16与设备的连接器使用，实现待测传感器16的供电以及与设备的通信。

(8)密封接头

密封接头11具有多个，均匀安装于模拟管道3顶端，并与模拟管道3内腔连通，待测传感器16通过压紧机构配合气密橡胶圈，实现压紧、固定、密封。密封接头11上设置有电磁阀。

(9)万向轮

万向轮15用于设备的整体移动。

(10)待测传感器

待测传感器16为待测试的气体传感器，设备的使用对象。

(11)采集传感器(甲烷、一氧化碳传感器)

采集传感器包括第一采集传感器14及第二采集传感器12，所述第一采集传感器14安装于柜体1内，用于采集柜体1内的危险气体浓度，所述第二采集传感器12通过支架13安装于柜体1外，用于采集柜体1外环境中的危险气体浓度。

(11)漏电保护空气开关

漏电保护空气开关17安装于柜体1内，用于供电电源的漏电保护、短路保护。

(12)隔膜泵

与模拟管道3相连，用于实现模拟管道3内气体的循环。

(13)气体瓶

气体瓶4作为设备测试使用的不同浓度的气样供给。

如图4所示的一种管道气体传感器测试标校控制系统，用于上述管道气体传感器测试标校设备，包括上位机、传感器、继电器控制板、气体压力传感器、通讯协议板、管道气路及执行元件，其电路原理如图5所示。

具体地：

所述上位机用于发送控制命令，实现操作与显示；

所述传感器与上位机相连，用于采集环境中的危险气体浓度，供上位机进行判断；

所述继电器控制板分别与上位机、执行元件相连，用于接收上位机控制命令，实现对执行元件的控制；

所述气体压力传感器(压力变送器)分别与上位机、管道气路相连，用于采集管道气路内的压力数据传送给上位机进行状态判断；

所述通讯协议板分别与上位机、待测传感器相连，将待测传感器的私有协议转换为modbus-rtu开放协议，用于对待测传感器的工作电流值与气体浓度值进行转换后发送至上位机进行显示；

所述执行元件与管道气路相连，所述管道气路用于安装待测传感器，执行元件实现管道气路通断控制。

本发明的工作原理如下：

本发明适用于GJG100J(C)管道激光甲烷传感器、GTH1000(C)管道一氧化碳传感器、GYH25G管道氧气传感器整机及其变送器的绝压(0-130)kPa状态下的气样标校以及不同浓度的气样测试准确性进行验证。

装置接入交流三相电源，通过内部的开关电源转换AC380V为DC24V、DC12V、DC5V为设备的执行元件供电。上位机以500ms/次的速率采集模拟管道内部压力值，供上位机进行测试状态的判断，并发送RS485命令到继电器控制板，通过继电器的吸合、释放完成不同功能的气路布置。通过隔膜泵带动管道内气体的流动。

上位机控制接触器的吸合、释放控制真空泵的工作状态。真空泵工作状态下，会持续抽取管道内的空气，直至真空状态。上位机控制电磁阀、隔膜泵的吸合、释放控制设备的进气与气体循环。

整机(或探头)为独立的测试单元，独立供电与数据采集，最大可测试数量为7台。采用可视化的显示方法，当该工位有整机处于测试状态时即显示图标、与采集到的数据。如无数据上传，则不显示。

通讯协议板对传感器的工作电流值与气体浓度值进行转换后发送至上位机进行显示。测试人员根据传感器在不同测试状态下的显示进行判断是否合格，直至完成整个测试流程。上位机设置了多个可调的报警点，实现了不同气体浓度的安全要求。还设置了多个可调的标校点，满足了试验人员在不同压力下的测试需要。

上位机以500ms/次的速率采集环境中、柜体中的瓦斯气体、一氧化碳气体的浓度值。当环境中的危险气体超出设定值时，立即发送停机命令关闭阀门、执行元件防止气体泄露，防止危害扩大继续扩大。

待测传感器通过压紧机构与管道对接，管道密封接头部分设计了气密橡胶垫圈的嵌入结构，保证了对接的气密性。管道内设置了气体导流板，在气体在管道中流动时，气体分子流动至气体导流板时造成向上的气流，使气体更容易扩散于待测传感器中。

通过漏电保护空气开关实现了设备的漏电保护、电路保护。通过在真空泵线路中串联热过载继电器实现电机的过载、短路、断相保护。通过急停按钮断开执行元件的电源，应对突发的状况，进一步提高设备的安全系数。

在设备上方安装原子罩，通过风机将设备泄漏气体强行抽走，并经排气管道排至气体老化试验室外部。增加突发应急情况下的紧急措施。进入操作界面时，则防爆风机自动进入抽风状态，进一步减少了泄漏风险。

通电前，检查1.气体保压试验；2.机械压力表计量的历史记录并仔细阅读操作说明书。

安装被测传感器：取下设备的1#～7#(最大可同时测量7台整机或7个探头)的密封接头。将测试整机或探头接入模拟管道，并确保其密封性。(若该路测试不用，请确保密封堵头安装牢靠)

连接传感器测试电源：连接传感器的测试电源(整机测试连接5芯航空插头、探头测试连接4芯航空插座)。

连接测试电源：将三相电源插头插入三相电插座。

连接测试气体瓶：将气体瓶的连接管道安装到模拟管道，确保连接牢靠不漏气后打开气体瓶的阀门。

本发明的控制方法如下：

(1)接通三相电源后，打开漏电保护开关，操作显示屏显示为初始界面，检查下列仪表显示数值是否异常：

a)1#～14#电流表常亮，显示值为当前所在的回路的供电电源电流；

b)机械压力表归0。

(2)根据当前测试项目在初始界面选择传感器测试或敏感元件测试后进入测试界面。界面“显示气压”应为0kpa，“操作提示：”应为“待机中”。检查下列数值显示是否正常：

a)显示屏显示管道内的压力数值与机械压力表一致；

b)甲烷或一氧化碳传感器1～2应显示当前环境气体浓度值为0；

c)1#～5#阀门关闭，真空泵、隔膜泵处于停止状态。

(3)进入测试界面后观察传感器的通讯是否异常(若图标不显示则该路测试设备通讯异常，设备通讯正常时图标常显)。若通讯异常，检查线路是否连接可靠，传感器的通讯参数应为：RS485模式，地址：1，波特率：9600。

(4)按下测试界面中的“抽真空”，此时“操作提示：”应为“抽真空”。真空泵开始工作，抽取管道内的空气，气压下降为负压直至“负压超限值”(默认为-100kpa，可在“气路控制组”中设置该值)。

(5)再次按下“抽真空”，抽取气体瓶与电磁阀1#之间的空气，此时整个测试设备应处于真空状态。步骤(5)为第一次测试步骤，随后的测试气体瓶与阀门1充满测试气体。可跳过步骤(5)。

(6)打开气体瓶阀门，此时工装自动进入“吸入气样”状态(无需操作)。此时隔膜泵启动，测试气体在模拟管道内流动，管道内的气压上升直至“正压超限值”(默认为30kpa，可在“气路控制组”中设置该值)，此时设备进入“开始测试”状态，(无需操作)。此时“阀门1”关闭，设备不在吸入气样。

(7)按下“抽真空”可对管道内的气体压力进行调节。管道内气体压力在“标校点1”：(10kpa)+2kpa、“标校点2”：(-10kpa)+2kpa、“标校点3”：(-30kpa)+2kpa、“标校点4”：(-50kpa)+2kpa、“标校点5”：(-70kpa)+2kpa(标校点可设置)，范围内停止下降。可按“气压微调”按钮对管道内的气体压力进行微调整。根据元件、整机的测试要求进行传感器的测试。

(8)待测传感器测试完成后，按下测试界面中的“灌入空气”按钮。此时管道内的测试气体已完全排出工装，外部空气进入，等待气压上升为0kpa后，按下“停止按钮”。此时设备阀门全部关闭，状态为“待机中”。可更换测试传感器，进行下一批的测试。

测试完成后，关闭气体瓶的阀门。在“控制参数”中按下“阀门1开启”，释放气体压力。拔下三相电源的插头，将管道的堵片复位。若真空泵无法正常启动，应检查控制箱中的是否启动器是否闭合。若界面出现气体浓度超限故障，应立即按下急停按钮，检查气体管道是否出现泄露。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“设有”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种管道气体传感器测试标校设备，其特征在于，包括柜体及设置在柜体上的控制箱、真空泵、气体瓶、采集传感器、测试平台、模拟管道、密封接头、压力变送器、上位机；

所述上位机用于发送控制命令以及过程数据采集；

所述模拟管道与上位机相连，所述气体瓶、真空泵分别与模拟管道相连，所述密封接头分布在模拟管道上并与模拟管道内腔连通，所述压力变送器设置在模拟管道的进口端，气体瓶用于提供不同浓度、不同种类的气样，真空泵用于对模拟管道抽真空，密封接头用于安装待测传感器，压力变送器用于采集管道内的压力数据传送给上位机进行状态判断；

所述测试平台设置于模拟管道一侧，测试平台上设置有若干电流表及若干电缆连接器，电缆连接器用于实现待测传感器的供电以及与设备的通信，电流表用于测量待测传感器的工作电流值；

所述采集传感器与上位机相连，用于采集环境中的危险气体浓度，供上位机进行判断；

所述控制箱分别与真空泵、采集传感器、测试平台、压力变送器、上位机相连，为各机构提供电源。

2.根据权利要求1所述的管道气体传感器测试标校设备，其特征在于，所述模拟管道内设置有若干用于将气流导入各密封接头的气体导流板。

3.根据权利要求1所述的管道气体传感器测试标校设备，其特征在于，所述采集传感器包括第一采集传感器及第二采集传感器，所述第一采集传感器安装于柜体内，用于采集柜体内的危险气体浓度，所述第二采集传感器安装于柜体外，用于采集柜体外环境中的危险气体浓度。

4.根据权利要求1所述的管道气体传感器测试标校设备，其特征在于，所述柜体底部设置有万向轮。

5.一种管道气体传感器测试标校控制系统，其特征在于，用于如权利要求1-4任一项所述的管道气体传感器测试标校设备，包括上位机、传感器、继电器控制板、气体压力传感器、通讯协议板、管道气路及执行元件；

所述上位机用于发送控制命令；

所述传感器与上位机相连，用于采集环境中的危险气体浓度，供上位机进行判断；

所述继电器控制板分别与上位机、执行元件相连，用于接收上位机控制命令，实现对执行元件的控制；

所述气体压力传感器分别与上位机、管道气路相连，用于采集管道气路内的压力数据传送给上位机进行状态判断；

所述通讯协议板分别与上位机、待测传感器相连，用于对待测传感器的工作电流值与气体浓度值进行转换后发送至上位机进行显示；

所述执行元件与管道气路相连，所述管道气路用于安装待测传感器，执行元件实现管道气路通断控制。

6.一种管道气体传感器测试标校控制方法，其特征在于，用于如权利要求5所述的管道气体传感器测试标校系统，包括如下步骤：

(1)将待测传感器安装于管道气路的密封接头上；

(2)上位机控制真空泵持续抽取管道气路内的空气，直至真空状态；

(3)上位机释放气体瓶内的气体并控制执行元件、隔膜泵，实现管道气路内的气体循环；

(4)气体压力传感器采集管道气路内的压力数据传送给上位机进行状态判断；

(5)通讯协议板对待测传感器的工作电流值与气体浓度值进行转换后发送至上位机进行显示，测试人员根据待测传感器在不同测试状态下的显示进行判断是否合格，直至完成整个测试流程；

(6)传感器采集环境中的危险气体浓度，当环境中的危险气体超出设定值时，上位机立即发送停机命令关闭阀门、执行元件，防止气体泄露。

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