矿用气体传感器（共3篇）
矿用气体传感器 篇1
摘要：针对传统瓦斯抽放监测系统由于监测参数多而存在安装传感器多、铺设电缆多、安装维护不便等问题, 设计了一种新型矿用多参数气体流量传感器。该传感器可测量管径为801 000mm的管道内流速为0.330m/s的气体流量, 只需在管道上取一个安装孔, 传感器接一根四芯监控电缆就可通过RS485将管道流量、温度和压力信号上传到传输分站。工业性试验结果表明, 该传感器量程比大, 稳定性好, 减少了瓦斯抽放监测系统前期调研、施工和维护等工作量, 具有较强的实用性。
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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矿用气体传感器检定装置的研制 篇2
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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矿用智能传感器设计 篇3
关键词：智能传感器,RS485,红外遥控
随着煤炭行业对安全高效生产的需求、瓦斯在线监测、水文在线监测、钻场状况在线监测等需要对温度、压力、液位、瓦斯浓度、水质等多种物理量进行监测, 使用传统的单台分站只等挂载固定数量和物理量类型的传感器, 在设计到具体测量点时通道数量和类型会出现大于、小于监测点数量的情况造成资源浪费或者不能满足应用场合的需求, 因此设计一种多功能传感器去适应不同场合的需要减少成本显得尤为必要。
1 系统硬件结构设计
如图1 所示为系统的硬件框图由电源模块、存储模块、RS485模块、采集模块、红外接受模块、数码管显示模块、时钟模块以及声光报警模块、处理器采用ST公司推出的STM32F103 系列单片机采用最新的Cortex- M3 构架性价比高、配置丰富灵活、低功耗等特点。
本设计中的智能传感器其最大特点是采集模块采用分离结构设计、传感器上采集模块具有频率信号、电流信号、电压信号采集插槽。频率信号插槽用与插接测量频率输出型传感器探头采集板, 传感器探头输出频率信号经过采集板上的稳幅电路后经过LM358AD集成运算放大器输出整形后的频率波再进过6N136 光偶进行隔离输出频率信号直接与单片机的定时器捕获端口相连, 由定时器捕获中断对频率信号进行处理得到具体物理量的值;电流信号采集板主要输入口接电流型传感器输出的电流信号, 矿用电流新传感器标准电流为4~20m A进过采样电阻后将电流信号转化为电压信号由于电压信号幅值较小需要进行放大处理使用INA128 仪表放大器进行放大, 放大后的电压信号频率低易于受到外界高频干扰以及电路板自身噪声影响需要进过滤波处理, 滤波电路使用四阶巴特沃斯低通滤波电路处理获得较为稳定的电压信号进过片外ADC模数转换电路处理获得电压信号大小进而算出电流信号的实际大小;电压采集板和电流采集板基本相同所不同的点在于使用的ADC精度以及电压范围的大小不同。
1.1 红外采集模块设计
红外采集模块主要由红外遥控器和红外接收器以及单片机采集端口。由于红外是一种非接触、通过无线传输具有抗干扰能力强, 信息传输可靠, 功耗低, 成本低, 易实现, 红外光为不可见光其穿透能力弱同类产品的红外线遥控器, 可以有相同的遥控频率或编码, 而不会出现遥控信号相互干扰的情况等显著优点, 被广泛应用在家用电器以及工控电子设备中, 红外遥控使用广泛的协议有NEC Protocol的PWM脉冲宽度调制和Philips RC- 5 Protocol的PPM脉冲位置调制, 本设计中使用是脉冲宽度调制协议实现控制器和接收器的收发。使用HS0038 为红外解码芯片接收遥控器发送来的控制信号输出频率不同的控制信号经过单片机的定时器捕获引脚捕获单片机软件算出具体的控制信号执行相应的控制。
1.2 其他模块的设计
电源模块把外部供电电源的输入的宽电压经过DC- DC电源芯片和线性稳压芯片将电压稳定在5V、3.3V提供电源和基准电源给传感器模块上其他模块使用。DC- DC类电源芯片优点效率高且输入电压范围广, 缺点是负载效应较线性稳压电源芯片差、输出纹波较大需要外围电路做进一步的滤波处理, 线性稳压电源芯片的优点是稳定性好、负载效应快、输出纹波小, 缺点是效率低, 随着输入输出的压差越大效率越低;RS485 模块用于和采集分站之间的通信, 使用Modbus协议可以自由的对通信协议进行定制使其具有很好的适应性可以兼容各种版本的检查系统的协议要求;时钟模块提供准确时间, 数据采集时将时间戳加载到采集数据中可以实时上传到检查分站也可以存储在本地中;存储模块使用廉价的SD卡作为存储器配合文件系统可以将采集数据存储在SD卡中可以离线模式下将SD卡中的数据读出, 也可以在线模式时将数据读出上传;数码管显示模块采用4 块8 段数码管用于用于显示, 显示实时采集的物理量的如温度、压力等, 红外配置是的参数值、报警时的报警值等。使用定时器中断实时对所显示数据值进行扫描刷新, 频率小于50Hz时可以明显的感觉到闪烁, 所以将定时器中断评论控制在50Hz, 太高影响程序中其他模块的正常工作以及程序的稳定性。声光报警模块使用扬声器和发光LED组成用于当传感器采集值大于或者小于程序设定的报警值时进行声光报警提醒工作人员进行处理。
2 程序框图
如图2所示传感器上电后进行初始化设置, 设置完毕后进行自检程序, 采集所接传感器探头输出的信号量并刷新数码管, 判断是否达到报警阈值, 达到则进行相应的声光报警, 检测红外接收缓存是否有命令有则执行相应操作, 无则查询RS-485命令缓存是否有命令包有则执行相应操作。
3 结论
本智能传感器设计的具有插接式采集板设计能够极大的节约成本, 使用RS- 485 总线和监测分站相连具有较好的适应性, 使用的Modbus协议可以兼容各种协议格式, 能够容易的兼容矿上已安装使用的传感器, 具有较好的市场前景。
参考文献
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