新型高可靠性甲烷傳感器的原理與設計方案

　　為了適應煤炭工業(yè)向機械化和自動(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計從未停止過(guò)?，F有的甲烷傳感器普遍存在著(zhù)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(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(mǎn)足井下安全生產(chǎn)的規程,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,節省了電路功耗。

　　(2)高精度要求

　　片內對黑白元件電路的設置。

　　煤礦安全規程規定,甲烷濃度超過(guò)1%時(shí),傳感器應進(jìn)行報警;超過(guò)1.5%時(shí),井下設備應斷電;超過(guò)2%時(shí)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(mǎn)足煤礦安全規程的要求。

　　在0%～4%甲烷濃度有效檢測范圍之內的測量誤差為:

　　當甲烷濃度為0%～1% 時(shí), 誤差范圍≤±0.1%;

　　當甲烷濃度為1%～2% 時(shí), 誤差范圍≤±0.2%;

　　當甲烷濃度為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)功能強大的數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、歷史濃度數據存儲等。

　　2 儀器工作原理

　　傳感器系統中以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(xiàn)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,轉換之后得到數字信號送入單片機,單片機進(jìn)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(jìn)行聲光報警,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,轉換成數字信號之后送入單片機進(jìn)行數據處理,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紅外調制發(fā)射芯片,有選擇、上調、下調三鍵。

　　看門(mén)狗部分: 采用XICOR 公司帶有串行接口EEPROM的看門(mén)狗芯片X5045,在傳感器開(kāi)始階段進(jìn)行設置,并且將其設置數據保存在EEPROM中。

　　時(shí)間顯示部分:加入專(zhuān)用的時(shí)鐘芯片產(chǎn)生日歷和時(shí)鐘,與單片機連接進(jìn)行時(shí)間調節和顯示控制。

　　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(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(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)作為對比元件。R2 用于補償r1 , r2 的不一致。當無(wú)甲烷時(shí), 調節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。當有甲烷時(shí)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(gè)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。

圖2 載體催化元件檢測甲烷濃度的原理

　　3.1.2 甲烷檢測橋路

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

圖3 簡(jiǎn)化電路