0 引言  

    為了適應煤炭工業(yè)向機械化和自動化方向發(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計從未停止過?，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,而且采用模擬電路技術,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的高可靠性甲烷檢測儀具有很大的應用價值。

    1 儀表新特點  

    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:

    (1)高可靠性處理

    低功耗采用AT89LV51 單片機進行集中處理,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)對黑白元件電路的設置。

    煤礦安全規(guī)程規(guī)定,甲烷濃度超過1%時,傳感器應進行報警;超過1.5%時,井下設備應斷電;超過2%時應立即撤離所有人員。文中研究的甲烷傳感器檢測范圍為0%～4%,完全滿足煤礦安全規(guī)程的要求。

    在0%～4%甲烷濃度有效檢測范圍之內(nèi)的測量誤差為:

    當甲烷濃度為0%～1% 時, 誤差范圍≤±0.1%;

    當甲烷濃度為1%～2% 時, 誤差范圍≤±0.2%;

    當甲烷濃度為2%～4% 時, 誤差范圍≤±0.3%。

    (3)高智能化

    采用紅外遙控和機載按鍵兩種方式。正常工作時,儀表配有時間顯示。

    (4)功能強大的數(shù)字處理方式打破以往甲烷傳感器功能單一的缺點,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、年月日時間顯示、儀器電量檢測、歷史濃度數(shù)據(jù)存儲等。

    2 儀器工作原理  

    傳感器系統(tǒng)中以AT89LV51單片機為中心,傳感器檢測井下的甲烷濃度,甲烷傳感器線性輸出與濃度成正比的電壓信號經(jīng)放大器放大之后輸入至A /D轉換器,轉換之后得到數(shù)字信號送入單片機,單片機進行相應的處理之后送入LCD顯示相應的濃度值。當甲烷濃度超出安全值進行聲光報警,工作原理如圖1所示。

    溫度測量:由溫度傳感器檢測環(huán)境溫度,輸出相應的電壓信號直接送入A /D轉換器的模擬輸入通道,轉換成數(shù)字信號之后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理,最后由LCD顯示溫度。

    電量檢測部分:在電源端設置相應的檢測電路,同樣由單片機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行設置,并且將其設置數(shù)據(jù)保存在EEPROM中。

    時間顯示部分:加入專用的時鐘芯片產(chǎn)生日歷和時鐘,與單片機連接進行時間調(diào)節(jié)和顯示控制。

    3 硬件電路工作原理

    3.1 檢測電路

    3.1.1 甲烷傳感器工作原理

    甲烷檢測的方法有很多種,如熱導法、紅外光譜系數(shù)法、超聲波測量法、氣敏半導體法、熱載體催化元件檢測法等。儀表采用熱載體催化元件檢測法,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,當鉑絲通過一定的電流且元件處于含有甲烷的氣體中時,表面會產(chǎn)生無焰燃燒,使鉑絲因溫度增加而阻值增加,從而實現(xiàn)對甲烷的檢測。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甲烷濃度的原理如圖2所示。它是一個簡單的電橋,催化元件r1 (黑元件)作為工作元件, r2 (白元件)作為對比元件。R2 用于補償r1 , r2 的不一致。當無甲烷時, 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。當有甲烷時甲烷與氧氣在工作元件表面發(fā)生反應,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)生一個與甲烷濃度成正比的電壓信號輸出,測出此信號的大小即可知道甲烷濃度的高低,信號將輸出到A /D轉換電路。

    3.1.2 甲烷檢測橋路

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

    3.2 A /D轉換電路

    根據(jù)該傳感器的多功能與高精度要求,A /D轉換電路采用TLC2543C,把測量模擬信號轉換成數(shù)字信號。TLC2543C為10位開關電容逐次逼近的模數(shù)轉換器。通過一個串行的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。器件的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗基準電壓,具有簡化比例轉換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點。開關電容的設計還可以使在整個溫度范圍內(nèi)減小轉換誤差,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

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

    與PC機進行通信,存儲數(shù)據(jù),從而對礦井環(huán)境建立數(shù)據(jù)庫,對環(huán)境進行分析,單片機的串行口加上MAX232電平轉換器,采用3線制與PC機進行數(shù)據(jù)傳送,波特率為9 600 bp s。單片機T1計數(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,在傳感器初始化時進行設置,并且將其設置數(shù)據(jù)保存在EEPROM中。使整個系統(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,在單片機內(nèi)部實現(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。對傳感器的精度和靈敏度進行調(diào)整,使得精度和準確度提高。

    4 軟件設計和算法實現(xiàn)  

    系統(tǒng)上電后,首先對單片機進行初始化,然后對A /D進行初始化,之后系統(tǒng)開始工作。首先采樣甲烷濃度并顯示,超過安全值報警; 然后采樣環(huán)境溫度并顯示; 最后顯示時間,循環(huán)采樣并實時顯示。

    另一方面用外部中斷INT0等待鍵盤輸入,INT0中斷即進入鍵盤設置程序,可調(diào)整日歷時間、設置安全報警值。其主程序與PC機和紅外線、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)設定完成之后,可以對甲烷傳感器進行氣體的測定。

    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 工作電壓帶來的誤差

    由傳感器測量電路輸出電壓推導公式可知,在對輸出電壓線性化時忽略了二次項,因此存在著非線性誤差,這個誤差可以在單片機中采用模糊數(shù)學補償?shù)姆椒ㄟM行消除。在A /D ( TLC2543)轉換通道中,基準電壓的波動可導致不可預測的誤差甚至錯誤結果。這種誤差的消除方法只有在基準電壓輸入端采用精密電源芯片,使電壓值穩(wěn)定在準確值2.5 V。

    5.2 算法誤差

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

    6 結論  

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

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

    (3)測量儀表自動化程度高,無需大量手工操作?？膳cPC機進行通信,為礦井環(huán)境數(shù)據(jù)庫的建立,從而分析井下環(huán)境走勢提供了必要條件。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)場斷電情況下自動切換。

    在目前的試用中,對該傳感器的設計反映很好,它能夠可靠、穩(wěn)定、安全的測量井下瓦斯,對于預防井下安全事故起到了重要作用,具有推廣應用價值。