一种新型高可靠性甲烷传感器设计
0 引言
为了适应煤炭工业向机械化和自动化方向发展,确保矿井的生产安全,防止瓦斯爆炸事故的发生,矿用甲烷传感器的研究和设计从未停止过。现有的甲烷传感器普遍存在着功耗较大、功能单一、精确度不高的缺点,而且采用模拟电路技术,造成系统的抗干扰能力和智能化程度都很低。因此,研制便于携带、多功能、高精度和抗干扰能力强的高可靠性甲烷检测仪具有很大的应用价值。
1 仪表新特点
甲烷传感器是一种矿用仪表,必须首先满足井下安全生产的规程,但较其他普通传感器又有如下主要特点:
(1)高可靠性处理
低功耗采用AT89LV51 单片机进行集中处理,从而大大减少了繁琐的模拟电路和元器件,节省了电路功耗。
(2)高精度要求
片内对黑白元件电路的设置。
煤矿安全规程规定,甲烷浓度超过1%时,传感器应进行报警;超过1.5%时,井下设备应断电;超过2%时应立即撤离所有人员。文中研究的甲烷传感器检测范围为0%～4%,完全满足煤矿安全规程的要求。
在0%～4%甲烷浓度有效检测范围之内的测量误差为:
当甲烷浓度为0%～1% 时, 误差范围≤±0.1%;
当甲烷浓度为1%～2% 时, 误差范围≤±0.2%;
当甲烷浓度为2%～4% 时, 误差范围≤±0.3%。
(3)高智能化
采用红外遥控和机载按键两种方式。正常工作时,仪表配有时间显示。
(4)功能强大的数字处理方式打破以往甲烷传感器功能单一的缺点,加入了方便井下工人使用的辅助功能,如矿井环境温度显示、年月日时间显示、仪器电量检测、历史浓度数据存储等。
2 仪器工作原理
传感器系统中以AT89LV51单片机为中心,传感器检测井下的甲烷浓度,甲烷传感器线性输出与浓度成正比的电压信号经放大器放大之后输入至A /D转换器,转换之后得到数字信号送入单片机,单片机进行相应的处理之后送入LCD显示相应的浓度值。当甲烷浓度超出安全值进行声光报警,工作原理如图1所示。
- 温度测量:由温度传感器检测环境温度,输出相应的电压信号直接送入A /D转换器的模拟输入通道,转换成数字信号之后送入单片机进行数据处理,最后由LCD显示温度。
- 电量检测部分:在电源端设置相应的检测电路,同样由单片机处理之后在液晶屏上用图形的方法显示剩余电量。
- 红外遥控部分: TOSH IBA的TC9148P红外调制发射芯片,有选择、上调、下调三键。
- 看门狗部分: 采用XICOR 公司带有串行接口EEPROM的看门狗芯片X5045,在传感器开始阶段进行设置,并且将其设置数据保存在EEPROM中。
- 时间显示部分:加入专用的时钟芯片产生日历和时钟,与单片机连接进行时间调节和显示控制。
3 硬件电路工作原理
3.1 检测电路
甲烷检测的方法有很多种,如热导法、红外光谱系数法、超声波测量法、气敏半导体法、热载体催化元件检测法等。仪表采用热载体催化元件检测法,这种元件内部以铂丝为核心,外部以氧化铝为载体,载体上涂有催化剂,当铂丝通过一定的电流且元件处于含有甲烷的气体中时,表面会产生无焰燃烧,使铂丝因温度增加而阻值增加,从而实现对甲烷的检测。目前甲烷传感器均采用这种方法。采用热载体催化元件检测甲烷浓度的原理如图2所示。它是一个简单的电桥,催化元件r1 (黑元件)作为工作元件, r2 (白元件)作为对比元件。R2 用于补偿r1 , r2 的不一致。当无甲烷时, 调节RP使电桥处于平衡状态, r1 , r2 中流过相同的恒定电流, 并使两元件温度上升到
将图2简化如图3所示。当电桥输出端接至高输入阻抗装置(如运算放大器或数字电压表等)时,电桥相当于工作在输出开路状态,其输出电压为:
