基于紅外吸收原理的無線瓦斯巡檢儀

沈 斌, 秦憲禮

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

基于紅外吸收原理的無線瓦斯巡檢儀

沈 斌, 秦憲禮

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

針對傳統(tǒng)光學(xué)瓦斯檢定儀存在的量程范圍小、測量精度低、不具備數(shù)據(jù)傳輸功能等問題,根據(jù)紅外吸收氣體檢測原理研制一種無線接入式瓦斯巡檢儀。該儀器硬件結(jié)構(gòu)由紅外瓦斯傳感器、控制單元、LCD顯示器、聲光報警電路、功能鍵盤電路、時鐘電路、無線通信模塊和電源模塊等部分組成,無線通信采用半雙工模式的無線通信協(xié)議。實驗結(jié)果表明,該瓦斯檢巡儀量程為 0～10%,檢測精度為 0.01%,井下通信距離可達(dá) 120 m。它提高了瓦斯檢測的量程和準(zhǔn)確性,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳送,為瓦斯巡檢員遠(yuǎn)程作業(yè)定位管理系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

瓦斯檢測;紅外吸收原理;無線接入;nRF9E5

瓦斯檢測技術(shù)落后和無法有效監(jiān)管是目前煤礦井下瓦斯檢測工作中亟待解決的兩個問題。傳統(tǒng)光學(xué)瓦斯檢定儀雖具有防電磁干擾、不易中毒等優(yōu)點,但使用中存在體積大、操作繁瑣等缺點[1]。而基于載體催化技術(shù)的便攜式瓦斯檢測儀易受高濃度瓦斯和硫化物的毒化,抗高濃度瓦斯沖擊能力差[2-3]。這兩種瓦檢儀的量程為 0～4%,檢測精度為 0.1%。兩者均不具備數(shù)據(jù)通信功能,檢測時無法同井上監(jiān)控中心通信,易形成信息孤島,當(dāng)出現(xiàn)瓦檢員脫崗、漏檢和虛報瓦斯?jié)舛鹊惹闆r時,井上管理人員無法監(jiān)控到。一旦發(fā)生瓦斯超限的緊急情況,井上管理人員也無法及時獲知,不能有效防止危險的發(fā)生。紅外吸收氣體檢測技術(shù)具有測量范圍寬、選擇性好、不會中毒、使用壽命長、功耗低等特點。針對傳統(tǒng)瓦檢儀存在的問題,筆者根據(jù)紅外吸收檢測原理,選用短距離無線射頻通信技術(shù),研制出新一代無線接入式瓦斯巡檢儀,為瓦檢員遠(yuǎn)程作業(yè)定位管理系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

1 紅外吸收氣體檢測原理

紅外吸收氣體檢測原理即利用非對稱雙原子氣體(如 CH4、CO2)在紅外波段具有特征吸收峰的特性對空氣中存在的氣體進(jìn)行檢測,其吸收的能量與氣體在紅外光區(qū)的濃度有關(guān)。當(dāng)紅外光通過待測氣體時,氣體分子會吸收某些頻率的輻射,使相應(yīng)吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱,其吸收關(guān)系服從朗伯 -比爾 (LambertBeer)吸收定律[4-5]。礦井瓦斯是混合氣體,主要成分為甲烷,瓦斯?jié)舛瓤山茷榧淄榈臐舛?甲烷在紅外波段的特征吸收峰為 3.3μm。在傳感器的紅外光源前安裝一個適合分析甲烷吸收波長的窄帶濾光片,使傳感器的信號變化只反映甲烷氣體的濃度變化。在實際設(shè)計中,選用兩個晶體濾光片對經(jīng)過氣室的紅外光進(jìn)行分光,并分別采用對應(yīng)甲烷氣體和參考?xì)怏w的紅外探測器接收。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓比與氣體濃度成比例,由此,瓦斯?jié)舛扔嬎愎綖?/p>

式中:C——甲烷濃度;

Ugas、Uref——甲烷探測器和參考探測器輸出的電壓;

α——系數(shù),由氣體濃度反演測定[6]。

2 無線接入式瓦斯巡檢儀

無線接入式瓦斯巡檢儀(以下稱無線瓦檢儀)能實時檢測作業(yè)點瓦斯?jié)舛取．?dāng)顯示器顯示當(dāng)前時間的瓦斯?jié)舛炔怀迺r,瓦檢人員需按下存儲鍵來確認(rèn)檢測完成,同時將檢測到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)存儲、發(fā)射。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r,無線瓦檢儀自動存儲瓦斯?jié)舛?并發(fā)射數(shù)據(jù)。瓦檢儀同時定時發(fā)射一次定位數(shù)據(jù),用來跟蹤瓦檢人員作業(yè)位置。無線瓦檢儀的標(biāo)校、超限閥值和定位信號間隔時間均由管理人員通過無線方式統(tǒng)一設(shè)定。無線信號由設(shè)置在檢測點一定范圍內(nèi)的無線分站接收,并通過通訊電纜傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。當(dāng)無線接收基站距離檢測點太遠(yuǎn)或檢測點發(fā)生變化時,可通過路由分站延長通訊距離。

2.1 硬件設(shè)計

無線瓦檢儀硬件結(jié)構(gòu)由紅外瓦斯傳感器、控制單元、LCD顯示器、聲光報警電路、功能鍵盤電路、時鐘電路、無線通信模塊和電源模塊等部分組成,如圖1所示。

圖1 無線瓦檢儀硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of wireless gas detector

2.1.1 瓦斯檢測電路

瓦斯檢測電路由紅外瓦斯傳感器和微控制器組成。紅外瓦斯傳感器由一個紅外發(fā)射光源、光通路(吸收區(qū))、兩個晶體濾光片 (一個檢測被測氣體的光譜波段、一個作為不被檢測氣體吸收的參比光譜波段)和紅外探測器組成。文中選用英國Dynament公司的 Premier紅外甲烷傳感器來實現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測[7]。該傳感器提供的線性信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后被微控制器接收,微控制器通過內(nèi)部預(yù)設(shè)的計算準(zhǔn)則,給出相應(yīng)濃度值。

2.1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

無線瓦檢儀的主控制芯片選用高速/低功耗單片機(jī) STC89C52RC。單片機(jī)控制系統(tǒng)由微控制器、LCD顯示器、聲光報警器、時鐘電路、存儲電路和功能鍵盤電路組成。微控制器獲取甲烷濃度值后,通過LCD顯示器顯示數(shù)據(jù),同時判斷是否超過預(yù)設(shè)值,若超限則進(jìn)行聲光報警。微控制器通過 SPI口將瓦檢儀編號、瓦斯?jié)舛群屯ㄐ牌ヅ涞刂返葦?shù)據(jù)按照無線通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式傳輸給無線發(fā)射模塊,由無線發(fā)射模塊完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)射。數(shù)據(jù)存儲格式同無線通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式一致。時鐘功能由DS1302慢速充電時鐘芯片實現(xiàn),時間采用 24小時制,按年月日時分格式顯示,掉電后以備用電池供電。功能鍵盤包括存儲發(fā)射鍵、時鐘設(shè)置鍵和報警點設(shè)置鍵。

2.1.3 無線通信模塊

無線通信模塊以單片射頻收發(fā)器芯片 nRF9E5為核心,結(jié)合高頻天線電路及單端鞭狀天線構(gòu)成。nRF9E5為系統(tǒng)級 RF芯片[8],內(nèi)置 nRF905收發(fā)器、8051兼容微控制器,工作頻段為 433、868、915MHz,頻道間可以小于 650μs的時間快速切換。相關(guān)文獻(xiàn)資料表明[9-10],1 GHz附近頻段無線電波最適于進(jìn)行井下無線數(shù)據(jù)傳輸,因此,無線通信頻段選用915 MHz。無線通信主要由內(nèi)部 nRF905收發(fā)器來完成,通過對內(nèi)部寄存器讀寫和工作模式的切換進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)控制。nRF9E5與 STC89C52RC的連接如圖 2所示。STC89C52RC的 P1.4～P1.7連接 nRF9E5的 SPI接口,P1.2、P1.3、P3.2、P3.3和 P3.5連接 nRF9E5的控制和檢測信號,用于控制內(nèi)部 nRF905的模式切換以及通信過程中的信號指示接口。

圖2 無線通信單元電路原理Fig.2 C ircuit principle of wireless commun ication un it

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 無線通信協(xié)議

多點通信時,防止各節(jié)點之間通信數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞是關(guān)鍵。由于接收基站與瓦檢儀之間的通信會受到其他數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯誤,因此,需要通過通訊協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。該系統(tǒng)無線通信協(xié)議為半雙工模式,具體格式為

[前導(dǎo)碼][通信地址碼][標(biāo)識碼][中繼站地址碼][瓦檢儀編碼 ][瓦斯?jié)舛?][CRC校驗碼 ],其中,前導(dǎo)碼和 CRC校驗碼由 nRF9E5自動添加;通信地址碼為 2字節(jié),用于確認(rèn)通信雙方;標(biāo)識碼為1字節(jié),字節(jié)高位用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)是上行數(shù)據(jù)還是下行數(shù)據(jù),字節(jié)低位用于識別無線檢測終端,該標(biāo)識碼用于監(jiān)控中心對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理及向井下發(fā)送控制命令,如查詢?nèi)藛T位置等;瓦檢儀編碼長度為 2字節(jié),它和瓦檢員編號唯一對應(yīng),用于確定瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)來源;瓦斯?jié)舛榷x為 1個字節(jié)的定點整數(shù)。無線通信過程中采用地址匹配、載波檢測、帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(CS MA/CA)等技術(shù)以確保無線通信過程可靠[11-12]。

2.2.2 應(yīng)用軟件

無線瓦檢儀軟件以瓦斯數(shù)據(jù)處理過程為流程,完成瓦斯?jié)舛葯z測、瓦斯?jié)舛扰c時間顯示、聲光報警、數(shù)據(jù)存儲與發(fā)送等功能,如圖 3所示。為提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,對讀取的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)采用中位值平均濾波法處理,每 12個值處理一次。以鍵盤掃表方式進(jìn)入相應(yīng)功能操作,當(dāng)瓦斯檢測人員按下存儲鍵時即確認(rèn)某次檢測完成,將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲,并觸發(fā) nRF9E5進(jìn)行無線發(fā)射。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r,自動聲光報警,發(fā)送超限信號。定位信息發(fā)送以定時器計時中斷的方式實現(xiàn),每隔 10 s主動發(fā)射一次定位數(shù)據(jù),確定瓦斯檢測人員位置,流程如圖 4所示。

3 實 驗

3.1 甲烷濃度模擬檢測

無線瓦檢儀樣機(jī)如圖 5所示。在實驗室條件下,采用標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度標(biāo)校箱對無線瓦檢儀檢測的瓦斯?jié)舛戎岛屠碚撝颠M(jìn)行比較。結(jié)果顯示:甲烷濃度為 0～10%時,瓦檢儀的檢測精度為 0.01%,且具備較好的線性關(guān)系;甲烷濃度大于 10%時,檢測精度大于 0.1%;當(dāng)甲烷濃度超過量程的 50%時,誤差明顯增大。

圖5 無線瓦檢儀樣機(jī)Fig.5 Prototype of wireless gas detector

3.2 無線通信距離測試

采用多臺瓦檢儀和一個接收分站組成測試系統(tǒng),分別測試 433.6、868.0、915.2 MHz三個頻率的地面空曠地和井下環(huán)境的通信效果(發(fā)射功率為 10 dBm,接收靈敏度為 -100 dBm)。測試結(jié)果顯示:在地面空曠地,433.6MHz的通信距離達(dá)400 m,868.0MHz和915.2MHz的通信距離為 200 m;在井下主要運(yùn)輸大巷內(nèi),915.2MHz和 868.8MHz的有效通信距離分別為120 m和 105 m,而 433.6MHz僅有65 m。這是井下巷道環(huán)境的小尺度多徑效應(yīng)作用所致。

4 結(jié) 論

基于紅外吸收檢測原理的接入式無線瓦斯巡檢儀,采用 Premier紅外甲烷傳感器及系統(tǒng)級 RF芯片nRF9E5等元件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的檢測與無線傳送。當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為 0～10%時,該儀器能較準(zhǔn)確地測量實際瓦斯量,檢測精度達(dá) 0.01%。在 915.2 MHz頻點下,其井下通信距離可達(dá) 120 m,實現(xiàn)了瓦檢信息的無線傳輸。該研究克服了傳統(tǒng)便攜式瓦斯巡檢儀存在的“信息孤島”問題,為構(gòu)建煤礦瓦斯巡檢員遠(yuǎn)程作業(yè)定位管理系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 于 洋,李 鑫,崔宏明,等.智能光干涉甲烷傳感器的設(shè)計[J].煤礦安全,2011,42(1):74-77.

[2] 李小偉,張開如,房 靖.基于ARM嵌入式處理器的便攜式瓦斯檢測儀的設(shè)計[J].煤礦機(jī)械,2006,27(5):749-752.

[3] 陳新軍.基于催化燃燒型瓦斯檢測的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué),2007.

[4] 曹茂永,張逸芳,張士昌,等.吸收光譜式光纖瓦斯傳感器的參數(shù)設(shè)計[J].煤炭學(xué)報,1997,22(3):58-61.

[5] J IN W,STEWART G,PH ILPW,et al.Limitation of absorptionbased fibred optic gas sensors by coherent reflections[J].Appl Opt,1997,36(25):6 251-6 255.

[6] 張 雷,尹王保,董 磊,等.基于紅外光譜吸收原理的紅外瓦斯傳感器的實驗[J].煤炭學(xué)報,2006,31(4):480-483.

[7] DY NAMENTLT D.Technical datasheet T DS0069[EB/OL].(2002-06-10)[2011-02-21].http://www.dynament.com/infrared-sensor-data/tds0065.pdf.

[8] NORDI C VLSIAS A INC.433MHz single chip RF transceiver nRF9E5 datasheet[EB/OL].(2008-04-10)[2011-03-21].http:// www.freqchina.com/uploadfile/WebEditor/2008927151715295.pdf.

[9] 魏占永,潘振克,管瑞良.礦井隧道中電磁波截止頻率的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005,33(9):72-77.

[10] 孫繼平,李繼生,雷淑英.煤礦井下無線通信傳輸信號最佳頻率選擇[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2005,24(3):378-380.

[11] 吳 強(qiáng),沈 斌,秦憲禮,等.無線射頻瓦斯傳感器研究[J].煤礦安全,2009,40(5):74-77.

[12] 秦憲禮,劉新蕾,沈 斌.基于 nRF905的瓦斯超限數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)研究[J].礦山機(jī)械,2009,37(2):40-43.

W ireless gas detector design based on infrared absorption principle

SHEN B in,Q IN X ianli
(College of Safety Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

This paper is a imed at an alternative to the conventional optical gas detectorwhich suffers from smaller scale range,lower accuracy,and absence of data tran smission function by developing awireless access-type gas detector depending on infrared absorption gas detection principle.This detector’s hardware consists of infrared gas sensor,control unit,LCD,sound and light alarm circuit,keyboard circuit,clock circuit,wireless communication module,and powermodule.W ireless communication builds on half-duplexmode wireless communication protocol.The results show that the detector boasts a range from 0 to 10%,a detection accuracy of 0.01%,and an underground communication distance of up to 120 m.This gas detector,capable of a longer range and a greater accuracy of gas detection and the wireless data tran smission,provides a basis for developing the remote gas detection and location management system.

gas detector;infrared absorption principle;wireless access;nRF9E5

TD712.55

A

1671-0118(2011)02-0108-04

2011-03-01

黑龍江省重大科技攻關(guān)項目(GA04A501);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(10551279)

沈 斌(1983-),男,浙江省長興人,助教,碩士,研究方向:礦山安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù),E-mail:shenbin1121@163.com。

(編輯荀海鑫)