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

    3.1.1 甲烷传感器工作原理

    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 500 ℃左右。当有甲烷时甲烷与氧气在工作元件表面发生反应 , 放出的热量使工作元件温度升高Δ T, 从而引起工作元件电阻增加Δ r, 使电桥失去平衡 , 产生一个与甲烷浓度成正比的电压信号输出 , 测出此信号的大小即可知道甲烷浓度的高低 , 信号将输出到 A /D 转换电路。

    3.1.2 甲烷检测桥路

    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 :

    3.2 A /D 转换电路

    根据该传感器的多功能与高精度要求 ,A /D 转换电路采用 TLC2543C, 把测量模拟信号转换成数字信号。 TLC2543C 为 10 位开关电容逐次逼近的模数转换器。通过一个串行的 3 态输出端与主处理器或其他外围器件相连 , 减少了硬件走线。除了高速转换和通用控制功能之外 , 器件具有 11 路的模拟输入端 , 完全能够满足多路采样和功能升级。器件的转换器结合外部输入的差分高阻抗基准电压 , 具有简化比例转换以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计还可以使在整个温度范围内减小转换误差 , 提高系统的精度。

    3.3 显示电路和 RS232 串行口通信电路及硬件看门狗电路

    为了适应矿井环境 , 该传感器采用带背光的宽液晶显示屏 , 增强视觉效果 , 并且带有日历、时间显示功能。

    与 PC 机进行通信 , 存储数据 , 从而对矿井环境建立数据库 , 对环境进行分析 , 单片机的串行口加上 MAX232 电平转换器 , 采用 3 线制与 PC 机进行数据传送 , 波特率为 9 600 bp s 。单片机 T1 计数器作为串行口发送和接收数据的波特率发生器。采用 XI2COR 公司带有串行接口 ( SP I) EEPROM 的看门狗芯片 X5045, 在传感器初始化时进行设置 , 并且将其设置数据保存在 EEPROM 中。使整个系统的可靠性大大提高 , 而且最大程度的节省了系统的资源。

    3.4 外遥控电路和放大电路

    系统中也使用了红外通信的模式。 TOSH IBA 的 TC9148P 红外调制发射芯片 , 有单键发射功能和连续发射功能。遥控发射器的选择、上调、下调三键均采用连续发射的模式。接收部分只采用了红外接收头 , 在单片机内部实现了软件解码的功能。红外遥控的使用使得操作方便、可靠。

    采用数字电位器 X9313 取代了模拟电位器。对传感器的精度和灵敏度进行调整 , 使得精度和准确度提高。

    4 软件设计和算法实现  

    系统上电后 , 首先对单片机进行初始化 , 然后对 A /D 进行初始化 , 之后系统开始工作。首先采样甲烷浓度并显示 , 超过安全值报警 ; 然后采样环境温度并显示 ; 最后显示时间 , 循环采样并实时显示。

    另一方面用外部中断 INT0 等待键盘输入 ,INT0 中断即进入键盘设置程序 , 可调整日历时间、设置安全报警值。其主程序与 PC 机和红外线、键盘中断程序流程图如图 4 所示。在系统工作的初始状态设定完成之后 , 可以对甲烷传感器进行气体的测定。

    图 4 主程序与 PC 和红外线、键盘中断程序流程图

    5 误差讨论

    5.1 工作电压带来的误差

    由传感器测量电路输出电压推导公式可知 , 在对输出电压线性化时忽略了二次项 , 因此存在着非线性误差 , 这个误差可以在单片机中采用模糊数学补偿的方法进行消除。在 A /D ( TLC2543) 转换通道中 , 基准电压的波动可导致不可预测的误差甚至错误结果。这种误差的消除方法只有在基准电压输入端采用精密电源芯片 , 使电压值稳定在准确值 2.5 V 。

    5.2 算法误差

    设计中乘除法采用 4 字节的定点算法 , 数字表示范围是 : 0 ～ 4 294 967 295 。计算结果的相对误差在 0.9 × 10-4 , 所以计算精度可以得到保证。最终的相对误差在 0.3% 以下。

    6 结论  

    (1) 处理芯片的升级 , 满足 0% ～ 4% 甲烷浓度测量。在此范围之中测量误差在 0.3% 以内。甲烷浓度超出安全值准确报警 , 同时可测量和显示环境温度。

    (2) 传统仪表功能扩展 : 日历、时钟显示 , 红外遥控芯片使用和硬件看门狗电路。

    (3) 测量仪表自动化程度高 , 无需大量手工操作。可与 PC 机进行通信 , 为矿井环境数据库的建立 , 从而分析井下环境走势提供了必要条件。尤其是仪表的红外芯片的使用方便了调试和使用。

    (4) 实现了低功耗 , 高可靠性 , 操作方便。正常工作情况下处于充电 , 备用电池在现场断电情况下自动切换。

    在目前的试用中 , 对该传感器的设计反映很好 , 它能够可靠、稳定、安全的测量井下瓦斯 , 对于预防井下安全事故起到了重要作用 , 具有推广应用价值。