可燃气体传感器

可燃气体传感器（精选8篇）

可燃气体传感器 篇1

对可燃、有毒气体浓度进行实时监测是防止可燃气体发生爆炸、燃烧的一个重要的手段。多年来,各国消防科技工作者对可燃、有毒气体场所气体浓度的测量做了很多研究,已研制出接触燃烧式传感器、金属氧化物半导体式传感器和电化学式传感器,这些传感器在可燃、有毒气体浓度监测中起到了积极的作用。但是,这些传感器通常需要带电作业,有导致可燃气体爆炸的潜在危险。不仅如此,采用上述原理的可燃、有毒气体传感监测装置还存在诸多缺点:使用寿命短、反应速度慢、容易中毒、稳定性差、不便维护。

光纤传感器由于其无电传输,具有本质安全性,适于远距离在线测量,可工作于易燃易爆环境以及强电磁干扰环境,具有传感单元结构简单、稳定可靠等特点。近年来,光纤气体传感检测技术已成为热点研究领域。

可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是一种先进的气体检测技术,其具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快等特点。利用半导体激光器的可调谐性和超窄谱宽的特性,通过扫描气体的某一条吸收谱线以实现快速检测气体的浓度,且避免了其他气体的交叉干扰。采用TDLAS测量技术往往需结合波长调制法,波长调制是将高频正弦波加载在低频的锯齿波上,并将叠加后的信号用来驱动光源发光,该光束通过气室被气体吸收后,带有气体浓度的光信号进入光电探测器,光电探测器将光信号转换为电信号,输出的电信号进入滤波锁相电路,被高频正弦信号的二倍频信号解调就能得到反映气体浓度信息的二次谐波信号。波长调制法可以有效地抑制高频背景噪声,使得探测极限可以达到10-6～10-7的吸收单位。与传统的测量方法相比,以可调谐半导体激光器为光源的TDLAS测量方法干涉小、成本低、器件性能稳定,可通过光纤远距离传输,避免了恶劣环境的干扰,在气体浓度测量方面具有广泛的应用前景。

1 波长调制原理

光通过含有某种气体成分的气室时会被吸收,根据比尔-朗伯特(Beer-Lambert)定律,可得入射光强I0、出射光强I、吸收路径及气体的浓度之间的关系式:

式中:α(v)为气体吸收系数;L为吸收路径的长度;C为气体的浓度。

当光源的中心波长为v0,若以频率ω、振幅vm对光源的出光频率进行调制,那么光源的瞬时波长为:

经过气体吸收之后的光强可以展开为Fourier级数:

式(3)中的An为不同谐波成分的幅值,其表达式如式(4)所示。

式中:θ=ωt 。

一般情况下,αCL≪1。则式(4)可改写为:

式中:α=Sχ(v);S为吸收线强;χ(v)为面积归一化的吸收线型。

从式(5)可以看出,谐波大小与气体的浓度、吸收强度和吸收路径的长度成正比。对于气体来说,其吸收谱线主要有两种展宽,一是由于分子碰撞而造成的均匀加宽,即洛伦兹展宽;二是由于分子热运动而造成的非均匀加宽,即多普勒展宽。然而,在通常情况下多普勒展宽占主要作用,此时吸收的线型可表示为χG。

式中:γD为多普勒展宽线型下的半峰谱宽;T和M分别为开尔文温度和分子量。

把式(6)分别带入式(5),就可以得到与气体浓度相关的二次谐波信号:

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由式(8)可见,二次谐波信号与气体的浓度,气室长度和初始光强有关,检测二次谐波信号就可以获得气体浓度信息。

由于在实际测量时,气室长度一般不会发生变化,而初始光强却可能产生改变,因此笔者将二次谐波信号和输入光强的比值作为气体浓度标定值,这样可以消除光源波动、光纤接入、光纤传输等各种光强变化产生的影响。

2 系统设计

2.1 仪表设计

笔者设计的气体浓度检测仪由两大部分组成:一是仪表部分,主要由DFB激光器、光电探测器和信号处理运算电路组成;二是传感探头部分,主要由光纤、准直器和气室组成。其结构见图1所示。

如图1所示,气体浓度检测仪可以携带多个传感探头,传感探头和仪表之间通过光纤连接,含有浓度信息的光信号通过光纤传输到仪表进行处理。由于传感探头仅由无源器件组成,可以确保传感探头的本安特性和抗电磁干扰能力。分离式设计充分体现了光纤传感的无源和本质安全的特性,且可以实现分布式测量,特别适合于石油化工等易燃易爆的恶劣环境。

2.2 系统设计原理

图2为甲烷光纤气体传感器的系统原理图。

从图2可以看出,笔者设计的系统主要由光源驱动部分、光源温度控制部分、光电转换(PIN)、前置放大部分、传感探头部分、锁相乘法及滤波电路部分以及信号处理部分构成。其中,CPU控制DA产生低频的锯齿波,将模拟电路生成的高频正弦波加载在锯齿波上,以驱动光源发光。光源发光通过光分路器分成4路分别传输经4个气室吸收后,PIN将带有气体浓度信息的光信号转换成电信号,然后通过前置放大和高通滤波电路,滤除低频锯齿波,将带有气体浓度信息的高频正弦输入锁相乘法器,与二倍频的高频信号相乘后,再经低通滤波电路就得到反映气体浓度的二次谐波信号。通过二次谐波信号和光强的比值的变化,获得瓦斯气体标定值,并进行浓度运算、显示等处理,若浓度变化超过设定值,系统就会发出报警信号。

3 实验研究

笔者以煤矿瓦斯检测为例。煤矿井下环境恶劣、含有多种易燃易爆气体,且瓦斯含量丰富易发生瓦斯爆炸和瓦斯突出等灾害。为检验此技术研究的成效,将此新型瓦斯多通道光纤气体传感器安装在煤矿井下,测定不同位置处瓦斯浓度,并通过长期监控运行,考核该装置对矿井恶劣环境(高粉尘、高湿度、冲击、振动、电磁干扰等)的适应性。光纤瓦斯传感检测仪分别被安装在采掘工作面、回风巷道、机电峒室等位置,采用悬挂方式安装,安装位置距地面大约0.5 m,并在同一位置安装传统的瓦斯传感器与之对比。实验结果如图3所示。

如图3所示,两种传感器测量曲线基本一致,由于GJG4传感器对除CH4以外气体不敏感,曲线平滑;催化燃烧式传感器对环境温度及其他可燃性气体有反应,测量曲线有毛刺。而且传感器调校后安装井下,经过长期的井下测试,工作非常稳定,基本没有维护,相比现用的催化燃烧式传感器需要每周调校,大幅度减少了维修人员的工作量。

4 结 论

光纤气体传感技术采用分离式设计,无源传感摇头和有源仪表之间通过光纤连接,含有浓度信息的光信号通过光纤传输到仪表进行处理。首创性地应用于化工、石油、石化、天然气、煤炭及民用燃气等行业,以及储运、隧道交通和其他工业气体浓度监测和报警领域,为安全性和可靠性要求较高的环境恶劣、易燃易爆场所与设施,提供了危害气体报警新技术,能够实现现场非电、远程、长期在线、分布式气体浓度监测预警。在一定条件下,还可以对灭火抢险救援现场进行探测,及时有效地提供气体监测信息,提高消防员的个人防护能力。经过实验研究,该技术相对于传统气体浓度探测技术,具有本质防爆、不受其他气体成分干扰、传输距离远、造价适中、反应速度快、分辨率高、精度高、稳定性好,基本免维护,不受电磁和恶劣环境影响,抗干扰能力强等特点,具有广阔的应用前景。

参考文献

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[2]李政颖,王洪海,程松林,等.光纤气体传感的双光路相位保持方法[J].光学学报,2009,29(3):728-732.

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可燃气体传感器 篇2

气体流量传感器的工作原理

气体流量传感器按国际标准化组织IS07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法)，采用埋入压电晶体的涡街测速探头，流量传感器插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4～20mADC电流信号。

气体流量传感器LUCB型插入式涡街流量计按国际标准化组织IS07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法)，气体流量传感器采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4～20毫安电流信号。

矿用多参数气体流量传感器设计 篇3

关键词：瓦斯抽放,气体流量传感器,多参数,流量,温度,压力

0 引言

在煤矿瓦斯抽放监测系统中, 经常需要同时监测同一个管道位置的多个运行参数[1], 然而, 目前煤矿井下瓦斯抽放监测系统中一种传感器一般只能测量一个参数, 连接一根电缆到传输分站上, 在瓦斯管道上取一安装孔。这样现场监测多个参数就要铺设很多电缆, 取很多安装孔, 导致安装和维护很不方便。市场上现有的V锥、涡街等流量计需要根据管道管径、管道内气体流速、测量量程比等参数进行定制[2], 存在需要增加前期调研投入、发货周期长等问题。鉴此, 笔者设计了一种矿用多参数气体流量传感器, 该传感器可同时测量瓦斯管道内温度和压力, 并可测量管径为80~1 000 mm的管道内流速为0.3~30m/s的气体流量。

1 多参数气体流量传感器硬件设计

多参数气体流量传感器以ARM Cortex-M0LPC1227为核心, 由流量温度测量电路、压力测量电路、LCD显示电路、红外遥控电路以及RS485通信电路、频率输出电路等组成, 如图1所示。

1.1 流量温度信号处理

流量温度探头流速检测范围为0.3~30 m/s, 温度范围为0~100 ℃, 功耗约为10V/50mA。该流量温度探头由测温探头、测速探头和固定基座组成, 其中一只特制pt200和一只pt1000固定在测速探头里, 一只pt1000固定在测温探头里, 如图2所示。将流量温度探头通电后插入瓦斯抽放管道内, pt200加热升高到一定温度。 随着瓦斯流量的变化, 测速探头输出与pt200温度对应的阻值, 测温探头输出与环境温度对应的阻值。将测速探头和测温探头输出的2个阻值分别转换为电压信号, 直接接入AD7705的2个AD转换通道, 然后将转换结果通过SPI总线送入LPC1227。

1.2 压力信号处理

压力测量器件由国外的MEMS器件封装而成, 具有1.0mA直流输入, 0~50mV电压信号输出, 压力测量范围为0~200kPa。分别以TL431三段稳流可调基准源和MCP6002运算放大器为核心器件, 设计直流输出和信号放大电路, 最后信号输入MCU进行AD转换。直流输出电路如图3所示, 其中VS5 和EXC_P-分别接压力传感器的电源正负端。

1.3 抗干扰处理

多参数气体流量传感器主要安装于煤矿井下瓦斯抽放管路上, 周围可能会有动力电缆的感应干扰、电动机及电气设备辐射干扰、电力变频器的干扰、井下接地网干扰、漏泄通信系统干扰等[3]。因此, 进行如下抗干扰处理:① 使用DC/DC模块隔离传感器电源;② 流量和温度信号经过片外AD转换后, 输出SPI信号, 经过磁耦隔离进入LPC1227 MCU芯片;③ 流量温度信号处理部分、压力测量信号处理部分在供电和PCB布板上都充分隔离;④ RS485信号和200~1 000 Hz频率输出信号均通过磁耦隔离。

2 多参数气体流量传感器软件设计

多参数气体流量传感器的软件采用C语言及模块化设计, 主要实现基于SPI通信的流量和温度信号采集, 流量、压力和温度信号运算处理, 基于I2C通信的LCD段码液晶显示, 遥控器参数设置, 基于Modbus-RTU协议的RS485 通信, 200~1 000Hz频率输出等功能。

为提高传感器测量精度, 在流量温度处理部分采取以下措施:① 在数据采集部分采用平均值滤波法, 连续采集10组数据, 去掉最小值和最大值, 再计算其余8个数的平均值, 以消除偶然脉冲引起的采样偏差;② 硬件电路采用实时温度补偿设计[4], 用实时采集到的流量数据补偿环境温度数据, 消除了管道内气体温度突变引起的测量误差;③ 引入瓦斯和空气组分补偿算法, 在仪表设置中可以打开该功能项进行现场标校, 从而减小管道内不同组分气体引起的测量误差[5,6]。

为提高传感器实用性, 在软件上采取以下措施:① 考虑到多参数气体流量传感器安装于瓦斯管道上, 而该类管道一般都悬挂高处安装, 因此, 采用红外遥控按键方式设置参数;② 根据现场不同分站通信格式的要求, 设计了基于标准Modbus-RTU协议的RS485和200~1 000 Hz频率输出2 种通信方式;③ 根据现场瓦斯管径的不同, 可以设置流量最大限输出, 避免了以前不同传感器需要定制的弊端。

多参数气体流量传感器软件流程如图4所示。

3 多参数气体流量传感器测试及分析

传感器测试标定选用的设备是经过计量合格的DHS-500×500/700×700-1 型环形低速风洞, 该风洞提供的风速精确, 稳定性好。传感器经风洞标定后, 将算法写入程序内部, 传感器显示流速值和风洞提供的流速值误差在±2% (FS) 以内, 满足煤矿实际精度要求。图5为传感器样机标定后的曲线拟合图。从3次不同时间的标定曲线可见, 随着风速值S的增大, 传感器采样值变化基本一致, 该结果验证了所设计的多参数气体流量传感器的可行性。

4 结语

矿用多参数气体流量传感器可以同时测量管道内气体流量、温度和压力, 集成度高, 造价低, 且减少了现场通信电缆铺设数量, 降低了工程安装难度, 减少了日常维护工作量;MCU采用包含丰富的外设资源的LPC1227, 节约了很多昂贵的外围器件 (如AD转换芯片) , 并且功耗低;该传感器完全满足Ia等级对插入瓦斯管道内传感器电流小于100mA的要求。目前该传感器已经完成工业性试验, 试验结果表明, 该传感器在瓦斯管道环境中运行稳定, 量程比大, 精度高。

参考文献

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气体传感器特性测试系统的研究 篇4

针对气体传感器测试系统的现状、特点与生产需求,笔者设计了一套集自动配气、多通道测试、数据采集分析与管理于一体的气体传感器特性测试系统,实现传感器的批量测试,提高传感器的测试效率。

1 测量原理与技术要求①

1.1 测量原理

气体传感器在空气中的阻值Rx较小(几欧姆到十几欧姆),而在特定气体环境中阻值会发生巨大变化。因此,依据气体传感器的特性,其测量原理如图1所示。通过外加恒流源Is,使气体传感器与恒流源构成串联电路,当传感器电化学材料与气体接触后,气体传感器阻值发生变化,而恒流源电流Is不变,由欧姆定律Is=Vo/Rx可知,只需测量输出电压Vo,即可得到气体传感器阻值[2]。图1中Vh为可调加热电压,依据贴片式温度传感器实时反馈的温度值调节加热电压,通过加热电阻Rh使气体传感器工作温度保持恒定。

1.2 技术要求

根据气体传感器特性和批量测试数据分析要求,结合目前气体传感器实际生产中存在的问题,气体传感器测试系统技术要求有:可一次对多支传感器同时进行测试,通过对测试数据的处理,能以图形曲线和数据两种方式显示气敏元件的特性;可根据用户设定完成自动配气;实时反映被测试传感器的工作温度并保持温度恒定;可计算气敏元件电阻值、电压灵敏度、电阻灵敏度、响应时间和恢复时间;测试过程中动态显示传感器阻值在特定浓度下随时间变化的特性曲线;如用户需要,可对测试数据进行存储、打印等操作,并可用其他数据处理软件对测试数据进行处理;电源220V±10%(AC)、50Hz;系统综合误差小于±1%。

2 系统总体方案

气体传感器测试系统(图2)主要由传感器测试箱、基于ARM的系统控制单元和上位机软件分析部分组成。传感器测试箱包括矩阵式元件板、多路电子开关、A/D转换器和自动配气装置。基于ARM的系统控制单元则负责对测试箱气体浓度、温度、通道选择进行控制,显示屏实时显示测试箱气体浓度、温度等测试环境信息[3]。上位机软件分析部分对采集到的数据进行分析、生成报表、保存、打印[4]。挥发性气体通过以气体质量流量控制器为核心的自动配气装置在测试箱形成模拟测试环境,多路电子开关控制矩阵元件板上元件测试通道的开断。气体传感器在特定气体种类和浓度下,阻值的变化将转换成电压信号,并由信号采集电路传送到MCU系统进行处理,通过RS-232串口送入计算机软件进行数据分析、报表生成和数据保存。

3 系统硬件部分

3.1 处理器选型

CPU选用基于ARM920T的32位微处理器S3C2440A,主频400MHz,最高可达533MHz,具有低成本、低功耗、高性能的优点,可以流畅运行Linux嵌入式系统,扩展性强,便于后续开发管理。

3.2 数据采集接口电路

A/D转换器选用16位高精度模数转换器AD7705,该芯片自带有静态RAM的校准微控制器、时钟振荡器、数字滤波器和一个双向串行通信端口,提供双通道、低成本、高分辨力的模数转换功能。采用Σ-Δ结构实现模数转换使得A/D转换器在噪音环境下能免受干扰,适用于工业控制领域。S3C2440A的SPI口包括两条数据线和两条控制线,分别与AD7705相应端口连接即可实现两者之间的接口电路[5]。数据采集接口电路如图3所示。

3.3 多路选择电路

AD7705前端多路选择芯片选用CD4067,该芯片为16选1双向模拟开关,可以用于数字传输、信号分时处理及多路巡回监测等电路中。基于CD4067的多路选择电路如图4所示,两片CD4067分别通过对A、B、C、D、INM编码实现32选1电路,用户也可以根据需要进行后续扩展,从而实现批量测试功能。

3.4 通信接口电路

选用MAX232芯片构成通信接口电路(图5),该芯片可实现RS-232电平和TTL电平的相互转换,使MCU与上位机以RS-232协议进行数据传输,从而实现通信功能。

3.5 人机交互

S3C2440A内自带LCD控制器和触摸屏接口,支持STN和TFT两种LCD所需的驱动信号,可实现LCD与触摸屏的无缝连接。LCD采用5寸液晶显示触摸屏,具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻及功耗低等特点。可以在LCD控制寄存器中设置各时间信号参数。VCLK是时序图的基准信号,其频率VCLK(Hz)=HCLK/[(CLKVAL+1)×2]。VSYNC、HSYNC、VCLK设置好后,将帧内存地址告知LCD控制器,便可以自动发送图像数据[6]。

3.6 自动配气

目前,气体配制方法主要有静态配气法和动态配气法,相对于静态配气法来说,动态配气法具有配气精度高和配气迟滞低的优点。本系统采用动态配气方案,以SITRANS FC430气体质量流量控制器(流量误差不大于0.1%示值,密度误差不大于0.001g/cm3)为核心,引入PID调节来控制比例阀,从而精确控制气体浓度,保证配气精度[7]。

4 系统软件部分

Qt/Embedded是图形化开发工具Qt的嵌入式版本,它通过Qt API与Linux I/O和Framebuffer直接交互,拥有较高的运行效率。Qt/Embedded整体采用面向对象编程,具有良好的体系架构和编程模式,运行在嵌入式Linux系统上,为嵌入式应用程序提供Qt标准API[8]。气体传感器测试系统软件由展示部分、设备部分和业务部分组成。展示部分主要是人机交互界面;设备部分包括数据采集和温度、浓度控制;业务部分主要是数据传输。系统主程序流程如图6所示。上位机软件支持数据接收、数据存取、曲线拟合、报表管理及打印输出等功能,操作简单,可以方便地分析传感器特性。

系统子程序包括A/D转换驱动程序、LCD显示程序和串口通信程序。

将16位高精度A/D转换器AD7705的驱动程序写进Linux内核,系统工作时可直接调用。应用程序在Linux下以C语言实现,其主要功能是将每个通道传感器的测试电压信号进行A/D转换,并传输到MCU单元。AD7705芯片采用SPI通信,程序设计如下:

LCD显示程序主要用于显示气体浓度、温度、测试时间和传感器特性曲线,包括字符和曲线两种显示方式。LCD显示程序用专门的字模提取软件获取需要显示的字符编码,然后在液晶屏幕上以打点方式显示字符。曲线绘制是利用Bresenham画线算法实现的[9],该模块功能函数如下:

RS-232协议标准串口通信模块程序设计的主要工作包括波特率设置、数据传输格式设置、相关寄存器初始化及数据发送与接收程序设置等。其功能函数如下:

void uart_init(void)//串口工作模块初始化设置

void put_char(U8 c)//数据发送

U8 get_char(void)//数据接收

5 传感器测试结果

根据系统设计方案搭建了传感器硬件测试电路,模拟气体传感器测试环境,最终在上位机得到气体传感器特性曲线如图7所示。可以看出,接近20s时气体传感器阻值迅速上升并保持恒定,60s后排掉混合气体,阻值迅速回落。

6 结束语

笔者提出的基于ARM系统控制单元的气体传感器特性测试系统将传统的单通道测试提升至矩阵式多通道批量测试,极大地提高了传感器测试效率。采用动态可连续调节的配气方式取代传统手动配气方式,节省了配气时间,提高了传感器测试准确度,同时减小了挥发气体对人体健康的影响,能够较好地满足工业生产需要。

参考文献

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[8]王统,秦会斌,胡永才.基于Qt/Embedded的智能家居控制系统的设计[J].电子设计工程,2015,23(7):159~161.

矿用气体传感器检定装置的研制 篇5

矿用气体传感器是指在煤矿开采过程中需要安装在采矿区、主巷道或通风巷道中的甲烷、一氧化碳、氧气等气体传感器。诸多气体传感器中以甲烷传感器的作用最重要、用量最多。本文中所提到的矿用气体传感器主要是指甲烷传感器。

矿用气体传感器的工作状态直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度, 对监测监控起着决定作用。为保证矿用气体传感器测量的准确性, 国家安全生产监督管理总局规定:“安全监控设备必须定期进行调试、校正, 每月至少1次。甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备, 每7天必须使用校准气样和空气气样调校1次。每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试”[1]。

国产甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件制作, 按照其输出信号的不同, 甲烷传感器分为以下几种: (1) 电流型:即输出1～5 mA或4～20 mA的直流电流; (2) 频率型:即输出5～15 Hz或200～1 000 Hz、脉冲宽度大于0.3 ms的频率信号; (3) 数字信号型:即输出电平值不小于3 V的数字信号, 传输速率可以为1 200 bit/s、2 400 bit/s、4 800 bit/s、9 600 bit/s。笔者研制的矿用气体传感器检定装置根据国家安全生产监督管理总局出台的一系列矿用气体传感器的行业标准, 可自动给出矿用气体传感器的显示值稳定性、基本误差、响应时间和报警功能测评结果, 可方便快捷地完成矿用气体传感器的周期性检测工作。

1 矿用气体传感器检定装置硬件设计

因不同厂家生产的气体传感器设计上的不同, 传感器输出的电压、电流、频率等有效参数也各不相同。矿用气体传感器检定装置要根据不同的传感器输出参数, 选择不同的电路相互组合完成检测, 再根据各个功能电路检测的结果计算出传感器的静态特性完成校验。矿用气体传感器检定装置的整体配置如图1所示。

图1中:虚线框1为核心处理电路;虚线框2为信号检测电路;虚线框3为电源电路。对于测电流电路部分, 如果气体传感器的输出为电流值, 则实线箭头成立, 虚线箭头不成立, 此时电流值作为输出, 经过数字化后进入主控芯片;如果气体传感器的输出不为电流值, 则虚线箭头成立, 实线箭头不成立, 此时电流值仅作为气体传感器工作电流, 以备参考。

1.1 核心处理电路

矿用气体传感器检定装置采用以PHILIPS公司生产的ARM LPC2131微控制器为主控芯片, 再配以其它辅助电路的方式组成核心处理电路, 如图2所示 (以气体传感器输出信号为频率为例) 。

LPC2131是一个基于16位ARM7 TDMI-STM CPU的微控制器, 带有32 KB嵌入的高速FLASH存储器, 128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行;对代码规模有严格控制的应用可采用16位Thumb模式, 可将代码规模降低30%以上, 而性能的损失却很小;较小的封装和极低的功耗使LPC2131可理想地用于小型系统中;宽范围的串行通信接口和片内8 KB的SRAM可提供巨大的缓冲区空间和强大的处理能力;4个32位定时器、1个10位8路ADC、6个PWM通道、47个GPIO以及9个边沿或电平触发的外部中断, 使LPC2131特别适用于工业控制系统。

1.2 信号检测电路

根据矿用气体传感器检定装置的功能, 其信号检测电路主要完成电流、电压、频率的检测和输出秒表信号的任务。图3为矿用气体传感器检定装置的信号检测电路。

图3中, 电流、电压的检测采用ICL7139芯片, ICL7139是多档位、4位半显示万用表的核心检测芯片;频率的检测则是通过555芯片的整波后进入LPC2131的计时器捕获端CAP1.0, 将频率的检测转换成周期时间的测量;秒表的显示也是利用LPC2131所具备的万年历功能。各参数的显示采用74HC373数据锁存器驱动LED持续显示数据。

1.3 电源电路

根据核心处理电路和信号检测电路可知:为了使矿用气体传感器检定装置正常运行, 电源电路应该提供DC 5 V和DC 3.3 V两种电压, 并且电源电路为了能使气体传感器符合检定标准, 还应提供DC 9～24 V连续可调的电压以检测气体传感器能否在DC 9～24 V电压范围内正常工作。矿用气体传感器检定装置的电源电路如图4所示。

图4中, AC 220 V电压通过三端插件P1接入矿用气体传感器检定装置后, 经过滤波、整流进入TOP222。TOP222为三端大功率电压转换器件, 比起传统的变压器变压, 通过TOP222的电压转换效率更高;TOP222具有电流反馈式调节功能, 可以有效控制输出电流的大小, 既能提供给气体传感器足够大的电流, 也能防止烧坏硬件电路的元器件。转换后的电压通过三圈变压器T1降压, 在AB两端输出DC 24 V电压, 以驱动气体传感器。然后再通过一次电压转换, 将AB端的DC 24 V电压降到CD端的DC 5 V电压, 以供硬件电路使用。为防止电流瞬间冲击, 2个三圈变压器的副线圈输出端分别加入了稳流电感L1、L2。

实际应用中气体传感器的供电电压要求DC 9～24 V可调供电, 因此, 加入分压电阻R8、R9实现电压可调的目的。气体传感器供电端为图4中的AE两端。核心处理电路中, 由于LPC2131需要DC 3.3 V电压, 而其它芯片需要DC 5 V电压, 因此, 加入了由LM1117_3.3和C10、C11组成的电压转换电路, 其中R6、D10为LPC2131供电指示电路。实际上, LPC2131的供电端为图4中的FD端。

2 软件部分

矿用气体传感器检定装置软件的集成开发环境为ADS (ARM Developer Suit) 系统。ADS系统是ARM公司推出的ARM核微控制器集成开发工具, 成熟版本为ADS1.2。ADS1.2支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器, 支持软件调试及JTAG硬件仿真调试, 支持汇编、C、C++源程序;具有编译效率高、系统库功能强等特点;可以在Windows98、WindowsXP、Windows2000以及RedHat Linux上运行。

该矿用气体传感器检定装置软件程序流程如图5所示。

从图5可看出, 矿用气体传感器检定装置初始化后要进行气体传感器输出信号的判别, 实际操作中, 该过程由人工按键选择, LPC2131通过扫描按键控制电子开关以连接信号检测电路中的应用电路。在信号检测电路搭接好后矿用气体传感器检定装置进行3 min延时, 以使气体传感器能够在稳定浓度的目标气体中运行。待气体传感器输出稳定后, 则根据用户选择测试的显示值稳定性、基本误差、响应时间和报警功能等项调用相应的软件程序, 进行1 min参数检测和结论计算。

3 结语

目前, 笔者所研制的矿用气体传感器检定装置已经通过实验室调试和现场试运行, 结果表明, 该装置操作简单、稳定性好、易维护;数据处理能力强、检定精度高、抗干扰能力强, 为矿用气体传感器的自动检定提供了一种切实可行的方案。随着现代计算机技术的飞速发展, 高效、准确和可靠这些指标已成为气体传感器检定工作的发展趋势和需要。利用虚拟仪器技术、高速通信端口技术、嵌入式微处理器技术, 气体传感器检定装置已经可以与计算机相连接, 实现计算机实时在线检测和远程校验控制气体传感器功能。

参考文献

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[6]孙秋野, 孙凯, 冯健.ARM嵌入式系统开发典型模块[M].北京:人民邮电出版社, 2007.

可燃气体传感器 篇6

近些年来, 伴随着工业的迅速发展, 化工厂污染气体的偷排漏排行为给环境以及人类的生活带来了极大的影响。在化工园区, 如果能够及时有效的对气体排放情况进行实时监控, 不仅能够为工厂气体排放监测工作提供可靠依据, 还能节省大量的人力物力。如何研究并设计化工园区工厂界的无线传感器监测系统已成为热点和难点。

针对有关化工园区多个排放源求解的问题, Stephen等人在论文中提出一种基于分布式传感器一致性融合算法的满足线性关系的多元方程组的快速迭代求解方案[1]。而秦晓鑫等人也提出了根据傅里叶级数展开公式改进后的基于MSE的粒子群优化 (PSO) 算法[2]大大降低了算法迭代次数。但上述的多元迭代求解算法一般是针对单个源强排放的情况。另外, 曾建潮等人提出了一种能够保证以概率1 收敛于全局最优解的PSO算法[3]适用于存在多个独立源强的情况, 即适合进行多源反算, 但其迭代收敛速度满足不了实时监测的要求。

为解决上述问题。首先建立化工园区网格化分布传感器监测系统及实时源强排放模型, 然后提出了一种基于源强跟踪迭代的AIT-SPSO算法用于解决多排放源反算问题。在既保证一定的精度要求下, 能够自适应的调节算法中迭代运算次数。特别是在当工厂污染气体排放速率不变或相对稳定的情况下, 能够很大程度上减少迭代次数, 降低时间复杂度, 从而满足了对化工园区工厂污染气体排放实时监测的要求。

1 基于点源气体排放模型的化工园区数据源模拟

1.1 点源气体排放模型的建立

本文的气体排放模型基于高斯烟羽模型, 烟羽模型主要适用于连续点源的扩散研究, 一般用于泄漏源是连续排放或者泄漏事件远大于扩散时间的情形[4,5]。高斯烟羽模型里没有考虑到重力的影响, 可用于轻气或者跟空气密度相差不多的气体扩散。该模型只考虑存在水平风的情况, 认为垂直地面风速uZ0

高斯烟羽模型可用来模拟排放到大气中的污染物沿下风向扩散的浓度分布, 该模型建立在风向、风速、大气稳定度等环境因素在短时间内不会发生剧烈变化的条件基础上, 满足 (1) 式:

上式中, c (x, y, z) 为下风向的某点 (x, y, z) 的气体浓度 (mg ×m-3) , Q为气体排放源源强 (mg ×s-1) , H为有效源高 ( m ) , U为平均风速 ( m/ s ) ;σy, σz为侧向和纵向扩散参数受环境稳定度和下风向距离两个因素的影响[6,7]。其中环境稳定度按风速的大小划分为A ~F6 个等级, A级稳定性最弱, F级稳定性最强。下风向距离对σy, σz的影响则相对复杂。下风向距离x1=x ×cosα , α为源点到监测点的方向与风向的夹角。当z=0 时, 可获得地面空气中烟气浓度的计算公式 (2) , 其中定义c (x, y, z) q*e (x, y, z) , 其中e (x, y, z) 为浓度与源强的比例系数。

1.2 化工园区工厂仿真模型

本文研究采用的九江石化工园区仿真模型如图1 所示, 覆盖面积为1.5km*1km (1.5km2) , 共划分为15 个工厂, 取每个工厂的几何中心为虚拟排放点源, 根据化工园区无线传感器布点规则, 按网格划分化工园区工厂, 在网格交点处摆放气体排放监测传感器。在每个点源周围布置四个传感器节点 (位置随机摆放) , 需满足以下条件:无论风向如何改变, 都要保证上风方向一个, 下风方向三个, 总共28 个传感器。化工园区工厂界传感器布点情况如图2 所示:

1.3 工厂气体实时排放源强数据模拟

为模拟工厂实时污染气体排放情况, 在全部工厂排放点源建立基于时间变化的源强排放模型, 如式 (4) 所示

假设在所有工厂排放时间为t_ num , t为任意一时刻, R (i) 为第i个工厂气体排放速率 (即源强) 的幅度值, θ (i) 和T (i) 分别为控制第i个工厂排放速率变化的余弦函数的周期和相位, 以上三个变量均由正态分布随机产生。其中w3为源强信号噪声比, n (i, t) 是满足正态分布N (0, 1) 的高斯白噪声。

为了保证Q (i , ti) >0, i =1, 2, ..., N ;ti=1, 2, ..., t , 设定w1 >w2 +w3 +Δ , 其中 Δ 0 。根据上面公式产生的15 个工厂的源强排放时间响应图如图2 所示。工厂排放源强模拟结果可以充分体现工厂气体排放在一定程度上的缓慢连续变化特性以及不同排放源之间的独立性和不相关性。

2 面向多源强排放反算的AIT-SPSO算法

2.1 源强反算模型的构建

针对化工园区存在多个排放源情形, 考虑到每个工厂污染源对所有传感器监测浓度数据的影响及相互作用。

假设在理想情况下, 每个工厂气体排放源强对任意一个传感器监测点的贡献浓度因子uij=1, 其中i1, 2, ..., N;j1, 2, ..., M。则可以将传感器监测浓度看做是各个工厂排放源释放的线性叠加。对于N个工厂排放源在同一时刻对M个传感器监测点浓度的线性叠加的数学模型如 (4) 式所示:

其中emn为第m个传感器监测点与第n个工厂排放源点的比例系数 (即式 (3) 所示) , qn为第n个工厂排放源的源强即待求的未知数, cm为第m个传感器的气体监测浓度值, 在某一时刻的浓度数据就可看做是各个排放源的贡献浓度的线性叠加, 如式 (7) 所示:

当M ≥N时, Q是可求解的。特别当M N , 利用矩阵求逆可以计算出Q ;否则需要通过其他的优化算法来求解, 比如最小二乘法, 遗传算法, 粒子群算法等等。

2.2 工厂气体排放源强计算

同遗传算法、模式搜索和蚁群算法等其他优化求解算法相比, PSO的优势在于简单容易实现并且没有许多参数的调节。粒子群算法的提出受鸟群觅食行为的启发, 目前已被广泛应用于函数优化, 神经网络训练, 模糊系统控制以及其他遗传算法的应用领域[8,9,10,11]。

在PSO算法中, 初始化为一群随机粒子, 然后通过迭代找到最优解。在每一次的迭代中, 粒子通过跟踪两个“极值”来更新自己。“一种保证全局收敛的PSO算法”一文中提出了一种能够保证以概率1 收敛于全局最优解的PSO算法--随机PSO算法 (简称SPSO算法) , 该文论证了SPSO算法在满足一定参数条件下具有全局收敛的特性。鉴于随机粒子群 (SPSO) 算法具有全局性, 并行性, 高效性等优势, 本文采用SPSO算法来实现在某一时刻的多源反算。随机粒子群算法采用的是速度-位置搜索模型。每个粒子代表着解空间的一个候选解, 解的好坏程度由自适应函数决定[12]。PSO算法的位置速度更新公式如式 (6) 、式 (7) 所示:

其中pi表示第i个粒子所经历过的最好位置, pg表示所有粒子所经历过的最好位置, w 、 c1、 c2 为常数均匀分布的随机数。此时令w 0 , 得到SPSO算法的粒子位置迭代更新公式为式 (8) 所示:

与基本的PSO算法相比, (10) 式描述的位置更新公式使得SPSO算法的全局搜索能力减弱, 而局部搜索能力加强。同时, 当时, 第j个粒子将停止进化。因此, 为了改善SPSO的全局搜索能力, 保留pj作为粒子群的历史最好位置, 而在搜索空间 W 重新随机产生粒子j的位置, 其它微粒i以 (8) 式进化产生。

本文采用基于MSE的SPSO算法, 定义自适应函数为粒子当前的值带入方程后的MSE, 如 (9) 式所示:

但对于一段时间的监测而言, 假设每一时刻都需要进行固定的迭代次数来实现满足一定精度的多源计算, 这不仅对系统硬件要有很高的要求, 并且也很难满足实时性。于是本文提出了自适应迭代次数随机粒子群算法, 即AIT-SPSO ( Adaptive iteration times--SPSO) 算法, 具体算法流程图如图3 所示。其核心思想即为:在第一次进行多个源强值的计算时, 使用SPSO算法迭代初始设定次数, 而之后的时刻都不断调节变化迭代次数, 根据当前时刻和初始时刻得到的最小自适应函数比值来调整下一时刻迭代的次数。当下个时刻某些源强发生明显阶跃变化时, 该算法能根据计算MSE的值得到反馈, 并做出增加迭代次数的响应, 从而能够对源强预测进行自适应的调整。

3 仿真结果分析

假设所有传感器检测设备只针对化工园区的一种气体排放进行监测, 不考虑气体的重力影响, 风向角度在[0o, 360o]实时随机变化;传感器测量精度误差值为±5%。传感器监测时间为800s, 这里M20 , N15 。图4 中的 (a) , (b) 分别是在某一时刻风向角为60O, 风速u 3m/ s的情况下, 使用SPSO算法经过不同迭代次数300 和500, 得到的结果与真实源强值之间的对比以及标准偏差如图7 所示:

图4 (c) 显示了0-1000 内SPSO算法经过不同迭代次数后运算结果与真实源强值之间的标准偏差的变化, 分析即便经过多次的迭代后算法仍能继续优化目标函数, 最优的目标函数值仍在不断减小, 当迭代次数超过500 之后, 标准偏差开始趋于平稳。所以选取合适的迭代次数使得算法能够在一个合理的时间内取到一个可以接受的目标函数值, 仿真结果表明在AIT-SPSO算法仿真中的初始迭代次数取500 能够满足时间和性能上的要求。

图5 (a) 是在800s的监测时间内第10 个工厂排放源的排放速率真实值与AIT-SPSO运算结果对比图。仿真结果表明, 真实值与AIT-SPSO计算值存在较小误差。图5 (b) 为根据AIT-SPSO算法得到的源强计算值和真实源强值之间的归一化相似度, 通过结果分析发现仿真时间内任一时刻的相似度高达96.5%以上。图5 (c) 为SPSO算法和AIT-SPSO算法的迭代次数对比图。在AIT-SPSO算法仿真结果为平均时刻迭代次数约38 次, 与随着时间的更新而迭代次数保持在500 次固定不变的SPSO算法相比, AIT-SPSO算法在很大程度上降低了运算时间。当工厂在某一段时间内的源强排放速率没有发生明显的阶跃时, 迭代次数会维持在一个较低的数量级上。而当工厂排放速率数值发生明显的跳变时, AIT-SPSO算法根据判断当前自适应函数的大小会立即增加迭代次数。AIT-SPSO算法适用于一段时间内工厂气体排放速率为动态连续变化的情况。

4 总结

本文基于化工园区工厂气体排放无线传感器系统进行了研究。我们用高斯烟团模型模拟气体的扩散。首先, 建立实时气体排放的数学模型, 然后在多源计算中, 在基于全局收敛的SPSO算法之上, 提出了一种基于自适应迭代次数的随机粒子群算法, 通过相同的场景仿真SPS0 算法与AIT-SPSO算法进行比较得出, 后者具有收敛速度快、定位精度高等优点。这中研究结果不仅能够为工厂排放监测提供有力支持, 节省了大笔资金, 提高了经济效益、确保了环境效益。

在后续研究中, 将气体重力、环境温度等因素考虑在内, 对本文中理想的气体排放模型加以改进, 针对化工园区多种气体排放识别的监测进行深入研究, 力争为环境评价和大气污染监控与管理走向定量化、科学化提供一种崭新的思路和可靠的技术支持。

参考文献

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[11]刘闻, 别红霞.基于蚁群算法的噪声图像边缘检测[J].软件, 2013, 34 (12) :256-259

可燃气体传感器 篇7

瓦斯是煤矿重大自然灾害发生的根源之一, 瓦斯爆炸严重威胁到煤矿作业人员的生命安全, 影响煤矿的正常生产。实时准确地监测煤矿瓦斯气体浓度对保障安全生产具有十分重要的意义。

武汉理工大学自主研发的CH4光纤传感器, 为煤矿CH4安全实时监测提供新的技术和产品, 对避免煤矿开采发生重大安全事故, 保障国民经济生产的正常运行具有重要意义。

1 试验项目简介

GJG4型光谱吸收式甲烷传感器是武汉理工大学研发的新一代光纤气体监测装置, 属国内首创, 在技术上处于国际先进水平。目前, 已经通过煤安认证, 并取得了“矿用产品防爆合格证”和“矿用产品安全标志证书”, 其各项指标均达到或优于AQ6211-2008《煤矿用非色散红外甲烷传感器》标准规定。

2 传感器基本工作原理

光谱吸收型光纤气体传感器是应用较为广泛的一类气体传感器。它采用的是普通光纤或多模光纤, 这种传感器由光源、气室、双波束或双波长的光路以及信号处理4个环节组成。光源通常采用半导体激光器, 包括发光二极管、激光二极管和分布反馈式半导体激光器 (DFBLD, Distributed Feedback Laser Diode) , 极少数情况采用连续光源和气体激光器 (如CO2激光器) 。光路结构一般由单光束、双光束、双波长3种基本形式, 双光束、双波长方法用以消除光源老化、光功率不稳定因素。在信号处理上亦有直流光强检测、锁相检测和谱相关检测3种基本形式。由于光源受温度影响易造成光功率、光波长漂移, 所以在实际检测中, 多采用光强调制锁相检测的方法, 希望通过调制有效地抑制白噪声。

3 工业性试验研究

本项目于2011年1月开始实施, 项目组首先到本项目试验基地———东曲矿实地考察, 了解该矿使用的监控系统型号、配置和功能, 与东曲矿通风科技术人员一起制定了“GJX4光纤甲烷传感器井下工业性试验研究实施方案”。如图1所示。

3.1 试验方案及过程

依据实施方案, 武汉理工大学于2011年2月26日把首批4台试验用GJX4甲烷传感器运送到东曲矿, 在完成该批传感器在井上的调试与观察运行之后, 于28日安装到井下, 分别在综采工作面14214工作面T2、掘进工作面14313皮顺T1、T2等地点在系统运行, 另有一台在监控队调试室观察运行。东曲矿通风科技术人员依据“GJX4光纤甲烷传感器井下工业性试验研究实施方案”的要求, 记录试验数据, 并与附近悬挂安装的热催化甲烷传感器的检测结果进行对比, 而且在试验过程中, 不再对GJX4光纤甲烷传感器做任何调校。

2011年8月武汉理工大学又发送4台GJX4甲烷传感器到东曲矿, 分别安装在掘四18309皮顺T2、开二860东翼回风巷延伸T1、采掘准备队12410低抽巷T1、开一28202高抽运输巷T2等地点。

鉴于东曲矿新购一批重庆煤科院生产的“矿用隔爆兼本安直流稳压电源KDW0.3/660 (A) ”, 该电源箱输出直流电压为24V, 采用两级过流和过压保护, 允许外接的电容最大值为2.2u F, 武汉理工大学第一和第二批发送给东曲矿的GJX4甲烷传感器因其输入电容稍大, 不能直接跟该型号电源箱连接, 为此, 课题组采用在传感器的电源输入端串接入一个NTC功率电阻, 抑制传感器启动瞬间的电流, 从而保证GJX4甲烷传感器能够顺利接入KDW0.3/660 (A) 电源箱和KJ90-F16井下监控分站。2011年12月5日武汉理工大学寄发给东曲矿一台改进后的GJX4传感器, 该传感器能够正常接入重庆煤科院KDW0.3/660 (A) 电源箱和KJ90-F16井下监控分站, 兼容良好。

1) 已完成的工业性试验内容。本项目严格按照要求实施各试验步骤, 完成全部的试验内容, 达到了理想的试验效果, 突出体现了GJX4光纤甲烷传感器的长期稳定性和对煤矿井下各类环境的较强适应性。

2) 系统的安装与布设试验。完成了在综掘工作面、综采工作面、炮掘开拓面等地点安装布设GJX4光纤甲烷传感器的试验。

3) 系统对矿井恶劣环境的适应性试验。把GJX4光纤甲烷传感器安装于井下综掘工作面、综采工作面、炮掘开拓面等不同地点, 试验过程中不再对传感器进行任何形式的调校与维护, 记录与对比传感器运行于各种不同的采煤工况下的监测数据, 考察了传感器对高湿度、高粉尘、震动冲击等环境的适应性能。

4) 系统与煤矿现有安全监测系统的兼容性试验。东曲煤矿使用的是煤科院重庆分院生产的井下监控系统, 根据购置的批次不同, 井下使用有多种电源箱和监控分站。通过与现用的多种电源箱和监控分站配接使用, 考察了GJX4光纤瓦斯传感检测仪硬件的适应性和软件的匹配性。

5) 长期稳定性试验。无维护连续在网运行, 将其监测数据与人工现场检查、原有传感器监测数据进行偏差对照, 对连续在网稳定运行时间等进行对比分析评价, 确定了维护与调校周期大于6个月。

6) 现场维护与保养方法试验。提出了现场维护与保养基本方法, 完善了维护与保养基本程序。

7) 对GJX4型甲烷传感器进行了如下改进: (1) 对传感器的程序进行了修改, 缩短了传感器的初始化时间。 (2) 根据该传感器接入重庆煤科院KDW0.3/660 (A) 电源箱和KJ90-F16分站时出现的电源过流保护问题, 武汉理工大学对电路做了修改, 在电源引入端串接入一个NTC功率电阻, 解决了GJX4与该系统的兼容性问题。 (3) 修改了传感器标校程序, 既方便了井下操作, 也修正了瓦斯浓度小于0.10%时, 直接显示为0.00%的情况。

3.2 试验总结

经过在井下各种环境和工况下近9个月的试验运行, 已经完成和达到了项目预定的试验规模和试验环境, 显示出GJX4光纤甲烷传感器能够适应煤矿井下的各类环境和工况, 能够长期稳定、准确监测瓦斯浓度, 能够跟现用的监控系统兼容, 免维护运行周期在半年以上。

1) 通过GJX4型甲烷传感器和催化燃烧式甲烷传感器的对比, GJX4型光纤甲烷传感器的精确性和稳定性较好。虽然两台传感器显示稍有差值, 但是变化趋势相同, 且其差值符合AQ1029—2007的规定。并入KJ90NB矿井综合监控系统运行稳定, 兼容性好。跟系统配接能够达到AQ1029—2007所规定的性能指标。

2) 通过悬挂安装在不同的环境, 考核粉尘、潮湿水汽、振动、电磁干扰、高浓度瓦斯冲击以及CO、H2S、SO2等有害气体对传感器的影响。目前, 已经确定CO、H2S、SO2等有害气体、潮湿水汽、振动、电磁干扰、高浓度瓦斯冲击对GJX4型甲烷传感器检测的准确性和稳定性没有影响。

3) 使用中, GJX4传感器维护周期大于6个月。维护操作仅需对防尘滤片进行清洁处理, 无需更换传感探头、无需重新标校, 简单方便。相比现用的催化燃烧式传感器需要每周调校, 大幅度减小了维修人员的工作量。

4) 能够与重庆煤科院生产的KJ90NB型监控系统及其多种型号的电源箱和井下监控分站良好兼容。

5) 经试验测试, GJX4光纤甲烷传感器各项技术指标符合煤矿安全规范要求, 与该产品使用说明书及其企业标准规定一致。因此, 有必要在煤矿井下对CH4和CO等有害气体进行同时测量。然而, 井下现有的对有害气体检测的手段还比较落后。现用的传感器多为催化燃烧式或电化学式传感原理, 寿命短、精度低、稳定性差、调校困难, 经常存在误测误报现象。对煤矿有害气体浓度的误测和误报, 会向人们传递致命的错误信息, 对矿井和人员安全构成了极大威胁。虽然近年来国内研发出了煤矿用红外 (NDIR) 气体传感器, 但应用情况并不理想。尤其是对CO的检测, 要达到1ppm的分辨率, 在技术上存在很大的难度。

GJG4型光谱吸收式甲烷传感器是武汉理工大学研发的新一代光纤气体监测装置, 属国内首创, 在技术上处于国际先进水平。目前, 已经通过煤安认证, 并取得了“矿用产品防爆合格证”和“矿用产品安全标志证书”, 其各项指标均达到或优于AQ6211-2008《煤矿用非色散红外甲烷传感器》标准规定。

4 结语

经过本项目在煤矿井下各种不同环境和不同监测系统中的接入、测试与示范应用, 该传感器将更彰显其性能上的优越性, 如:寿命长, 能够长期稳定运行, 不需定期标校;测量浓度范围宽;响应速度快;不受高浓度瓦斯气体的冲击;不受环境中其他气体的影响;采用光路自补偿专利技术, 适用于粉尘、潮湿等恶劣环境等。

该传感器代表了煤矿危害气体监测的发展方向, 必将逐步取代现用的热催化式或电化学式气体传感器, 在煤矿中推广应用的前景广阔。

摘要：随着科学技术的发展和进步, 煤矿安全监管问题也有了新的进展, 煤矿的安全监控管理系统也随之进入了智能化时代, 安全监管系统是一种运用电子系统对煤矿工作中的数据进行实时采集和处理, 以此保障煤矿的生产安全, 对于增强煤矿的安全具有重要意义, 这项技术和功能也在煤矿工作中得到了广泛的应用。针对这一技术进行分析和讨论, 其中包括光纤气体传感器。

关键词：光纤,气体传感器,瓦斯管理,工业试验

参考文献

[1]李政颖.煤矿瓦斯多通道光纤传感检测仪的研究与开发[D].湖北:武汉理工大学, 2007.

可燃气体传感器 篇8

近年来, 人们越来越重视工业卫生领域及生活办公领域的空气质量, 国内外从三十年代至今已经研究开发了数百种气体浓度传感器[1]。气体传感器主要有半导体传感器 (电阻型和非电阻型) 、绝缘体传感器 (接触燃烧式和电容式) 、电化学式以及红外吸收型、石英震荡型、光纤型、热传导型、生表面波型、气体色谱法等。

目前人们常用的几种检测有毒有害气体的传感器包括热导池传感器 (TCD) 、氢火焰传感器 (FID) 、电子俘获传感器 (ECD) 、光离子化传感器 (PID) 等。各传感器各有利弊, 热传导传感器以结构简单, 性能可靠特点著称, 致命缺点是不适用于室外污染物检测;氢火焰传感器几乎对所有的有机物都有响应, 但是需要“一把火”, 增加了引燃、引爆被测物的危险性;电子俘获传感器因携带放射性同位素Ni, 因此不宜做成随意移动的便携式传感器[2]。在众多气体传感器中紫外光离子化气体传感器显示了其优越性, 灵敏度高、检出限低, 可检测浓度低, 线性范围宽, 仪器重量轻, 无需化学前处理、浓缩、富集、吸附、热解析, 可直接进样分析, 结果准确、可靠, 水中有机挥发物分析, 无需吹扫、捕集装置, 顶空取样直接进样检测, 非破坏性检测, 可进行二次分析。因此光离子化气体传感器广泛应用于污染源的跟踪与调查;车间、工作场所、室内空气质量检测;石油化工领域地下管线、有机挥发物储存罐微小跑冒滴漏查找;空气净化设备净化效率检查及个人防护等。

紫外光离子化气体传感器以高灵敏度检测著称可检测浓度0.3ppb甚至更低浓度的有毒有害气体, 能够准确检测450余种有毒有害气体[3], 因此, 紫外光离子化气体传感器越来越受到人们的关注, 大量用于环境监测、有毒有害气体泄漏检测。近年来, 紫外光离子化气体传感器向着高精度、易携带、易操作方面发展, 本文详细阐述了紫外光离子化气体传感器实现高量程、高精度的量程自动变换设计。

2 传感器高量程低检出限问题

高量程传感器在检测气体浓度, 同小量程传感器检测相比, 分辨率以线性关系增大, 因此, 高量程传感器在检测小浓度待测环境过程中, 分辨率明显达不到环境监测要求。因此, 高量程、高精度的紫外光离子化传感器的研发成为一大技术难点。为提高传感器环境的适应能力, 本文引入了多量程数据采集机制, 笔者设计了多量程自动转换机制, 将小量程高精度、高量程低精度集成, 量程自动装换, 克服了技术上的难点, 方法简易方便, 易操作, 使传感器适应各种环境的高精度检测。

紫外光离子化的线性范围宽, 0～2000ppm, 因此, 笔者分别设计了量程为50ppm、200ppm、1000ppm、2000ppm的传感器, 传感器的检测线性度均达到了2%以内, 但是每个传感器的分辨率却又有很大的差距, 如50ppm传感器的分辨率能够达到10ppb级, 而2000ppm量程传感器的分辨率达到了1ppm, 两者相差两个数量级, 从而证实了本文所阐述的理论, 高量程的传感器对低浓度环境的检测无法达到预期的目的。

3 量程变换设计

如何使传感器实现高量程、低分辨率的检测成为人们普遍关注的问题。本文设计了基于CD4052B多路调制/选择模拟开关原理多量程自动转换机制, 从而实现高量程、高精度的测试。

3.1 CD4052B介绍

CD4052B是双四选一模拟开关, 每组四选一模拟开关分别有2个二进制控制输入。这两位二进制信号可将四个模拟通道中任一个置为导通状态。INH输入端输入“1”电平时将两组四选一模拟开关所有通道置为关断状态。

3.2 系统设计

CD4052用来控制前端放大器 (ICL7650) 反馈电阻, 有效地控制放大器的放大倍数, 从而控制传感器的检测量程[4]。CD4052由单片机控制, 单片机一直同时查询CD4052的状态和传感器的输出值, 从而有效地控制CD4052的状态转换。如图2所示, 单片机通过传感器的输出值有效的控制CD4052, 选择合适的反馈电阻, 从而使一级放大倍数处于一个合适的数值。

单片机默认C D 4 0 5 2处于最小量程状态 (0～50ppm) , 当单片机检测到传感器输出值达到满量程是, 系统将控制CD4052将低一级的反馈电阻接通, 并一直查询CD4052开关状态, 通过传感器输出值以及CD4052的状态计算出当下检测气体的浓度值, 从而实时有效的检测出待测检测气体的浓度。若传感器跳转一级后, 传感器输出值仍处于满量程, 单片机通过检测到传感器的满量程状态后, 单片机会命令CD4052继续转换, 一直至转换到能够准确检测的量程段。

4 测试分析

笔者设计了四个量程自动转换机制, 分别为50ppm、200ppm、1000ppm、2000ppm, 并对各量程进行满量程测试。通过软件控制, 将CD4052固定在某一量程测试, 检测传感器放大后的电压输出, 测试结果如图3～图6所示。

容易看出, 通过检测各量程检测, 各量程传感器分辨率是不同的, 如表1所示, 量程越小分辨率越低, 四个量程通过量程自动变换机制设计, 传感器可以更好的适应测试环境。小浓度有毒有害气体检测期间, 传感器有足够低的检出限;大量程有毒有害气体检测期间, 太低的分辨率在现实检测中失去意义, 因此, 此传感器具有以下基本性能指标:

量程:0～2000ppm;

分辨率:10ppb;

响应时间:<3s。

紫外光离子化有毒有害气体传感器通过量程自动转换机制设计, 方法简单, 费用低, 易操作, 在现实应用中有很大的意义。

5 结论

紫外光离子化有毒有害气体传感器基于CD4052B模拟开关芯片的量程自动转换机制有效地解决了传感器大量程高检出限的难点, 此方法简单, 费用低, 易操作, 避开了敏感单元复杂的高精度加工手段, 在气体传感器的制作研发中有重大意义。

摘要：紫外光离子化气体传感器主要用于复杂环境污染综合快速评价, 它测量精度高, 响应快速, 越来越受到人们的重视。在研究过程中发现, 高量程传感器检测有毒有害气体的检出限过高, 不能适应低浓度有毒有害气体环境的检测。本文基于模拟开关芯片CD4052B设计了量程自动转换机制, 既满足了高量程性能要求, 又具备低检出限性能, 以简单、易操作的方法解决了高量程与低检出限的兼容问题。

关键词：紫外光离子化,量程变换,CD4052,检出限

参考文献

[1]张勇.红外甲烷浓度监测系统的设计与开发[D].中国石油大学 (华东) , 2009.

[2]李冬梅, 黄元庆, 张佳平, 张鑫, 辜克兢.几种常见气体传感器的研究进展[J].传感器世界, 2006, 1:6-11.

[3]李国刚.真空紫外光离子化检测器及其在环境监测中的应用[J].现代科学仪器.2004, 01:18-20.