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(guò)。現(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(guò)1%時(shí),傳感器應(yīng)進(jìn)行報(bào)警;超過(guò)1.5%時(shí),井下設(shè)備應(yīng)斷電;超過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)路狀態(tài),其輸出電壓為:

圖3 簡(jiǎn)化電路