新型高可靠性甲烷傳感器的原理與設計方案

　　為了適應煤炭工業向機械化和自動化方向發展,確保礦井的生產安全,防止瓦斯爆炸事故的發生,礦用甲烷傳感器的研究和設計從未停止過。現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的規程,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, 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,如礦井環境溫度顯示、年月日時間顯示、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,甲烷傳感器線性輸出與濃度成正比的電壓信號經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。

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紅外調制發射芯片,有選擇、上調、下調三鍵。

　　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,并且將其設置數據保存在EEPROM中。

　　時間顯示部分:加入專用的時鐘芯片產生日歷和時鐘,與單片機連接進行時間調節和顯示控制。

　　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,當鉑絲通過一定的電流且元件處于含有甲烷的氣體中時,表面會產生無焰燃燒,使鉑絲因溫度增加而阻值增加,從而實現對甲烷的檢測。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, 調節RP使電橋處于平衡狀態, 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。

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,電橋相當于工作在輸出開路狀態,其輸出電壓為:

圖3 簡化電路