基于新型高可靠性甲烷傳感器的原理與設(shè)計(jì)方案

　0 引言

　　為了適應(yīng)煤炭工業(yè)向機(jī)械化和自動(dòng)化方向發(fā)展,確保礦井的生產(chǎn)安全,防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生,礦用甲烷傳感器的研究和設(shè)計(jì)從未停止過?，F(xiàn)有的甲烷傳感器普遍存在著功耗較大、功能單一、精確度不高的缺點(diǎn),而且采用模擬電路技術(shù),造成系統(tǒng)的抗干擾能力和智能化程度都很低。因此,研制便于攜帶、多功能、高精度和抗干擾能力強(qiáng)的高可靠性甲烷檢測(cè)儀具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

　　1 儀表新特點(diǎn)

　　甲烷傳感器是一種礦用儀表,必須首先滿足井下安全生產(chǎn)的規(guī)程,但較其他普通傳感器又有如下主要特點(diǎn):

　　(1)高可靠性處理

　　低功耗采用AT89LV51 單片機(jī)進(jìn)行集中處理,從而大大減少了繁瑣的模擬電路和元器件,節(jié)省了電路功耗。

　　(2)高精度要求

　　片內(nèi)對(duì)黑白元件電路的設(shè)置。

　　煤礦安全規(guī)程規(guī)定,甲烷濃度超過1%時(shí),傳感器應(yīng)進(jìn)行報(bào)警;超過1.5%時(shí),井下設(shè)備應(yīng)斷電;超過2%時(shí)應(yīng)立即撤離所有人員。文中研究的甲烷傳感器檢測(cè)范圍為0%～4%,完全滿足煤礦安全規(guī)程的要求。

　　在0%～4%甲烷濃度有效檢測(cè)范圍之內(nèi)的測(cè)量誤差為:

　　當(dāng)甲烷濃度為0%～1% 時(shí), 誤差范圍≤±0.1%;

　　當(dāng)甲烷濃度為1%～2% 時(shí), 誤差范圍≤±0.2%;

　　當(dāng)甲烷濃度為2%～4% 時(shí), 誤差范圍≤±0.3%。

　　(3)高智能化

　　采用紅外遙控和機(jī)載按鍵兩種方式。正常工作時(shí),儀表配有時(shí)間顯示。

　　(4)功能強(qiáng)大的數(shù)字處理方式打破以往甲烷傳感器功能單一的缺點(diǎn),加入了方便井下工人使用的輔助功能,如礦井環(huán)境溫度顯示、年月日時(shí)間顯示、儀器電量檢測(cè)、歷史濃度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

　　2 儀器工作原理

　　傳感器系統(tǒng)中以AT89LV51單片機(jī)為中心,傳感器檢測(cè)井下的甲烷濃度,甲烷傳感器線性輸出與濃度成正比的電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大之后輸入至A /D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換之后得到數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī),單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理之后送入LCD顯示相應(yīng)的濃度值。當(dāng)甲烷濃度超出安全值進(jìn)行聲光報(bào)警,工作原理如圖1所示。

圖1 甲烷傳感器工作原理圖

　　溫度測(cè)量:由溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度,輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)直接送入A /D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后由LCD顯示溫度。

　　電量檢測(cè)部分:在電源端設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)電路,同樣由單片機(jī)處理之后在液晶屏上用圖形的方法顯示剩余電量。

　　紅外遙控部分: TOSH IBA的TC9148P紅外調(diào)制發(fā)射芯片,有選擇、上調(diào)、下調(diào)三鍵。

　　看門狗部分: 采用XICOR 公司帶有串行接口EEPROM的看門狗芯片X5045,在傳感器開始階段進(jìn)行設(shè)置,并且將其設(shè)置數(shù)據(jù)保存在EEPROM中。

　　時(shí)間顯示部分:加入專用的時(shí)鐘芯片產(chǎn)生日歷和時(shí)鐘,與單片機(jī)連接進(jìn)行時(shí)間調(diào)節(jié)和顯示控制。

　　3 硬件電路工作原理

　　3.1 檢測(cè)電路

　　3.1.1 甲烷傳感器工作原理

　　甲烷檢測(cè)的方法有很多種,如熱導(dǎo)法、紅外光譜系數(shù)法、超聲波測(cè)量法、氣敏半導(dǎo)體法、熱載體催化元件檢測(cè)法等。儀表采用熱載體催化元件檢測(cè)法,這種元件內(nèi)部以鉑絲為核心,外部以氧化鋁為載體,載體上涂有催化劑,當(dāng)鉑絲通過一定的電流且元件處于含有甲烷的氣體中時(shí),表面會(huì)產(chǎn)生無(wú)焰燃燒,使鉑絲因溫度增加而阻值增加,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷的檢測(cè)。目前甲烷傳感器均采用這種方法。采用熱載體催化元件檢測(cè)甲烷濃度的原理如圖2所示。它是一個(gè)簡(jiǎn)單的電橋,催化元件r1 (黑元件)作為工作元件, r2 (白元件)作為對(duì)比元件。R2 用于補(bǔ)償r1 , r2 的不一致。當(dāng)無(wú)甲烷時(shí), 調(diào)節(jié)RP使電橋處于平衡狀態(tài), r1 , r2 中流過相同的恒定電流, 并使兩元件溫度上升到500 ℃左右。當(dāng)有甲烷時(shí)甲烷與氧氣在工作元件表面發(fā)生反應(yīng),放出的熱量使工作元件溫度升高ΔT,從而引起工作元件電阻增加Δr,使電橋失去平衡,產(chǎn)生一個(gè)與甲烷濃度成正比的電壓信號(hào)輸出,測(cè)出此信號(hào)的大小即可知道甲烷濃度的高低,信號(hào)將輸出到A /D轉(zhuǎn)換電路。

圖2 載體催化元件檢測(cè)甲烷濃度的原理

　　3.1.2 甲烷檢測(cè)橋路

　　將圖2簡(jiǎn)化如圖3所示。當(dāng)電橋輸出端接至高輸入阻抗裝置(如運(yùn)算放大器或數(shù)字電壓表等)時(shí),電橋相當(dāng)于工作在輸出開路狀態(tài),其輸出電壓為:

圖3 簡(jiǎn)化電路

　　3.2 A /D轉(zhuǎn)換電路

　　根據(jù)該傳感器的多功能與高精度要求,A /D轉(zhuǎn)換電路采用TLC2543C,把測(cè)量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。TLC2543C為10位開關(guān)電容逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過一個(gè)串行的3態(tài)輸出端與主處理器或其他外圍器件相連,減少了硬件走線。除了高速轉(zhuǎn)換和通用控制功能之外,器件具有11路的模擬輸入端,完全能夠滿足多路采樣和功能升級(jí)。器件的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗基準(zhǔn)電壓,具有簡(jiǎn)化比例轉(zhuǎn)換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。開關(guān)電容的設(shè)計(jì)還可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)減小轉(zhuǎn)換誤差,提高系統(tǒng)的精度。

　　3.3 顯示電路和RS232串行口通信電路及硬件看門狗電路

　　為了適應(yīng)礦井環(huán)境,該傳感器采用帶背光的寬液晶顯示屏,增強(qiáng)視覺效果,并且?guī)в腥諝v、時(shí)間顯示功能。

　　與PC機(jī)進(jìn)行通信,存儲(chǔ)數(shù)據(jù),從而對(duì)礦井環(huán)境建立數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)環(huán)境進(jìn)行分析,單片機(jī)的串行口加上MAX232電平轉(zhuǎn)換器,采用3線制與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,波特率為9 600 bp s。單片機(jī)T1計(jì)數(shù)器作為串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的波特率發(fā)生器。采用XI2COR公司帶有串行接口( SP I) EEPROM的看門狗芯片X5045,在傳感器初始化時(shí)進(jìn)行設(shè)置,并且將其設(shè)置數(shù)據(jù)保存在EEPROM中。使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大提高,而且最大程度的節(jié)省了系統(tǒng)的資源。

　　3.4 外遙控電路和放大電路

　　系統(tǒng)中也使用了紅外通信的模式。TOSH IBA的TC9148P紅外調(diào)制發(fā)射芯片,有單鍵發(fā)射功能和連續(xù)發(fā)射功能。遙控發(fā)射器的選擇、上調(diào)、下調(diào)三鍵均采用連續(xù)發(fā)射的模式。接收部分只采用了紅外接收頭,在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了軟件解碼的功能。紅外遙控的使用使得操作方便、可靠。

　　采用數(shù)字電位器X9313 取代了模擬電位器。對(duì)傳感器的精度和靈敏度進(jìn)行調(diào)整,使得精度和準(zhǔn)確度提高。

　　4 軟件設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)上電后,首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化,然后對(duì)A /D進(jìn)行初始化,之后系統(tǒng)開始工作。首先采樣甲烷濃度并顯示,超過安全值報(bào)警; 然后采樣環(huán)境溫度并顯示; 最后顯示時(shí)間,循環(huán)采樣并實(shí)時(shí)顯示。

　　另一方面用外部中斷INT0等待鍵盤輸入,INT0中斷即進(jìn)入鍵盤設(shè)置程序,可調(diào)整日歷時(shí)間、設(shè)置安全報(bào)警值。其主程序與PC機(jī)和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖如圖4所示。在系統(tǒng)工作的初始狀態(tài)設(shè)定完成之后,可以對(duì)甲烷傳感器進(jìn)行氣體的測(cè)定。

　　圖4 主程序與PC和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖

　　5 誤差討論

　　5.1 工作電壓帶來(lái)的誤差

　　由傳感器測(cè)量電路輸出電壓推導(dǎo)公式可知,在對(duì)輸出電壓線性化時(shí)忽略了二次項(xiàng),因此存在著非線性誤差,這個(gè)誤差可以在單片機(jī)中采用模糊數(shù)學(xué)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行消除。在A /D ( TLC2543)轉(zhuǎn)換通道中,基準(zhǔn)電壓的波動(dòng)可導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的誤差甚至錯(cuò)誤結(jié)果。這種誤差的消除方法只有在基準(zhǔn)電壓輸入端采用精密電源芯片,使電壓值穩(wěn)定在準(zhǔn)確值2.5 V。

　　5.2 算法誤差

　　設(shè)計(jì)中乘除法采用4字節(jié)的定點(diǎn)算法,數(shù)字表示范圍是: 0～4 294 967 295。計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差在0.9 ×10-4 ,所以計(jì)算精度可以得到保證。最終的相對(duì)誤差在0.3%以下。

　　6 結(jié)論

　　(1)處理芯片的升級(jí),滿足0%～4%甲烷濃度測(cè)量。在此范圍之中測(cè)量誤差在0.3%以內(nèi)。甲烷濃度超出安全值準(zhǔn)確報(bào)警,同時(shí)可測(cè)量和顯示環(huán)境溫度。

　　(2)傳統(tǒng)儀表功能擴(kuò)展:日歷、時(shí)鐘顯示,紅外遙控芯片使用和硬件看門狗電路。

　　(3)測(cè)量?jī)x表自動(dòng)化程度高,無(wú)需大量手工操作。可與PC機(jī)進(jìn)行通信,為礦井環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,從而分析井下環(huán)境走勢(shì)提供了必要條件。尤其是儀表的紅外芯片的使用方便了調(diào)試和使用。

　　(4)實(shí)現(xiàn)了低功耗,高可靠性,操作方便。正常工作情況下處于充電,備用電池在現(xiàn)場(chǎng)斷電情況下自動(dòng)切換。

　　在目前的試用中,對(duì)該傳感器的設(shè)計(jì)反映很好,它能夠可靠、穩(wěn)定、安全的測(cè)量井下瓦斯,對(duì)于預(yù)防井下安全事故起到了重要作用,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。