氣體傳感器穩(wěn)定性檢測裝置的研制

劉超等

摘 要：為實(shí)現(xiàn)能夠滿足載體催化燃燒式甲烷傳感器的安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量器具許可證考核必備條件中對穩(wěn)定性檢驗(yàn)的要求，并使該檢驗(yàn)?zāi)苓m應(yīng)生產(chǎn)型企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化檢驗(yàn)規(guī)模相，在符合標(biāo)準(zhǔn)、滿足精度的前提下，極大的提高檢驗(yàn)操作的效率和自動化水平。該文擬研究設(shè)計(jì)一套基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的氣體傳感器穩(wěn)定性檢驗(yàn)裝置。該裝置通過軟件參數(shù)的設(shè)置，由單片機(jī)控制采集電路實(shí)現(xiàn)對傳感器的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和分析，通過控制電路和執(zhí)行器件實(shí)現(xiàn)全部檢驗(yàn)操作過程的自動化控制，通過軟件的顯示功能，將檢驗(yàn)柜內(nèi)濃度、氣路閥門、鋼瓶壓力等情況，用直觀的圖示實(shí)時顯示，便于實(shí)驗(yàn)中隨時觀察記錄，檢驗(yàn)過程中15天的大量數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)庫和軟件實(shí)現(xiàn)存儲和打印。最終完成可通過計(jì)算機(jī)軟件對檢驗(yàn)的各個步驟進(jìn)行調(diào)控的、檢驗(yàn)過程自動化的傳感器穩(wěn)定性檢測裝置。

關(guān)鍵詞：載體催化燃燒式甲烷傳感器 傳感器穩(wěn)定性檢驗(yàn) 單片機(jī) 自動化 檢測裝置

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0003-02

1 煤礦瓦斯爆炸

1.1 煤礦瓦斯爆炸的危害與防治

甲烷，俗稱瓦斯，是一種無色無味，略輕于空氣的可燃性氣體，當(dāng)甲烷氣體占周圍環(huán)境空氣濃度的5%～16%時，遇火可發(fā)生爆炸，煤礦一般稱為瓦斯爆炸。

煤礦瓦斯爆炸事故是礦井五大自然災(zāi)害之首，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會造成重大人員傷亡，必須進(jìn)行嚴(yán)格的重點(diǎn)監(jiān)控。我國煤炭儲量豐富，但是地質(zhì)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，開采條件十分惡劣，瓦斯突發(fā)礦井或高瓦斯礦井占到全部礦井?dāng)?shù)近50%。

1.2 甲烷傳感器的國家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程的要求

國家、煤炭行業(yè)、計(jì)量機(jī)構(gòu)等都對甲烷傳感器/便攜儀施以重點(diǎn)監(jiān)管。生產(chǎn)甲烷傳感器/便攜儀的廠家，必須通過煤炭產(chǎn)品安全標(biāo)志認(rèn)證和制造計(jì)量器具許可證考核，取得相關(guān)資格和證書，才能將其產(chǎn)品銷往煤礦使用。

目前國內(nèi)外甲烷傳感器/便攜儀大多采用載體催化燃燒式敏感元件，此類型敏感元件技術(shù)成熟、成本低廉，但由于其屬于化學(xué)敏感器件，長時間使用會出現(xiàn)零點(diǎn)漂移和量程漂移，所以在樣品定型檢驗(yàn)、計(jì)量檢定和成品出廠檢驗(yàn)時，都需要進(jìn)行很長時間的工作穩(wěn)定性測試。同時，因?yàn)槊舾性墓に囋?，如果長時間在沒有甲烷氣體的環(huán)境中工作，會造成敏感元件靈敏度降低，影響傳感器的測量精度和使用壽命。所以AQ6203、AQ6206、AQ6207等多種載體催化式甲烷的安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定，傳感器的穩(wěn)定性測試，應(yīng)“進(jìn)行連續(xù)15天的測試，實(shí)驗(yàn)時，傳感器在0.30%CH4～0.80% CH4的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行12h（便攜式為9.5h），然后測試零點(diǎn)和1.50% CH4的顯示值；再在空氣中連續(xù)運(yùn)行12h，然后再次測試零點(diǎn)和1.50% CH4的顯示值（便攜式不需進(jìn)行此步）?！痹谥圃煊?jì)量器具許可證考核中，《催化燃燒型甲烷制造計(jì)量器具許可證考核必備條件》還要求“廠家必須具備數(shù)量與其生產(chǎn)規(guī)模相適應(yīng)的、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)15d自動加氣的穩(wěn)定性檢驗(yàn)裝置”。

1.3 氣體傳感器穩(wěn)定性檢測裝置設(shè)計(jì)制造

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程檢驗(yàn)要求的、適合生產(chǎn)企業(yè)需求的、高效率自動化的載體催化燃燒式甲烷傳感器/便攜儀出廠檢驗(yàn)，該研究擬設(shè)計(jì)一套氣體傳感器穩(wěn)定性檢測裝置，包括以下功能：原料氣直接使用高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行配制，按照預(yù)設(shè)的濃度范圍向檢驗(yàn)柜送氣；通過實(shí)時監(jiān)控及反饋信號，自動控制柜體內(nèi)部的氣體濃度；裝置可以一次性完成590臺被測產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性測試；帶有信號輸出功能的傳感器，裝置可以在實(shí)驗(yàn)中自動采集并存儲測試數(shù)據(jù)，最后生成表格打?。徽麄€測試過程自動完成，無需人工干預(yù)（無信號輸出功能的傳感器和便攜儀只能手動記錄檢驗(yàn)數(shù)值）。該穩(wěn)定性檢測裝置具有一定的獨(dú)創(chuàng)性，符合行業(yè)前景和企業(yè)工作需求。

2 檢測裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體設(shè)計(jì)

氣體傳感器穩(wěn)定性檢測裝置的硬件由檢驗(yàn)柜、送氣單元、排風(fēng)單元、反饋控制模塊、信號采集模塊、RS232調(diào)制單元、電腦主機(jī)等主要部分組成。

裝置可實(shí)現(xiàn)590臺被測儀表15d的穩(wěn)定性測試：每天12h柜體內(nèi)保持較穩(wěn)定的甲烷濃度，另12h柜體內(nèi)清潔空氣流通；每天定時充入2次標(biāo)準(zhǔn)氣體，記錄4次測量數(shù)值。以上全部測試過程和數(shù)據(jù)記錄自動完成，無需檢驗(yàn)員干預(yù)。

2.2 反饋控制模塊、信號采集模塊的設(shè)計(jì)

檢驗(yàn)柜體內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的反饋控制功能和被測儀表的輸出信號采集功能，均使用基于C8051F040單片機(jī)設(shè)計(jì)的反饋控制模塊和信號采集模塊來完成。

反饋控制模塊具備信號采集和控制輸出兩個功能單元，完成采集標(biāo)準(zhǔn)信號、控制氣路電磁閥、檢測關(guān)鍵點(diǎn)等任務(wù)。信號采集模塊只使用信號采集單元，將590路傳感器的頻率輸出信號先采集到單片機(jī)，然后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示、存儲、打印。

信號采集單元采用兩級片選方式，兩個8選1開關(guān)，交替選通，采集16路通道的輸入信號，為防止干擾，每路輸入信號通道的前端還增加阻容濾波電路。

輸出控制單元的控制通道的直流電平輸出采用單片機(jī)管腳直接驅(qū)動三極管放大電路的方式完成。單片機(jī)分析從標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集的標(biāo)氣濃度采樣信號，根據(jù)初始化信息，分析判斷，輸出控制命令，經(jīng)控制輸出單元傳送到繼電器，進(jìn)而控制各送氣支路的電磁閥。當(dāng)采樣回的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度達(dá)到初始化下發(fā)的柜體內(nèi)標(biāo)氣濃度范圍下限時，對應(yīng)控制通道輸出高電平，電磁閥開啟；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度達(dá)到上限時，對應(yīng)控制通道輸出低電平，電磁閥關(guān)閉。

2.3 模塊與上位機(jī)及各模塊之間的通訊

各個模塊之間相互獨(dú)立，模塊通過8位撥碼開關(guān)分配唯一的地址。各模塊之間通過CAN收發(fā)器芯片CTN8251，將單片機(jī)自帶的CAN控制器邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線使用的差分電平，實(shí)現(xiàn)各個模塊之間通過CAN總線的通訊。

模塊與上位機(jī)的通訊，通過一個RS232調(diào)制解調(diào)單元，實(shí)現(xiàn)CAN總線和RS232通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

檢測流程開始前，在上位機(jī)軟件中定義好各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)RS232調(diào)制單元調(diào)制解調(diào)，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0B協(xié)議下發(fā)初始化信息到各個單片機(jī)。初始化信息包括被測儀表的類型、柜體內(nèi)標(biāo)氣濃度控制范圍、檢測持續(xù)時間、檢測各步驟的時間分配等信息。然后單片機(jī)可獨(dú)立完成檢驗(yàn)過程的反饋控制，同時按地址分時上傳從信號采集單元接收的采樣值和測量值，由上位實(shí)時顯示和存儲。

3 檢測裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測裝置的軟件控制流程

載體催化燃燒式甲烷安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對于傳感器的工作穩(wěn)定性的測試，要求如下“連續(xù)通0.5%CH4的甲烷氣體（在型式試驗(yàn)時，采用標(biāo)準(zhǔn)氣樣；在出廠檢驗(yàn)時，氣樣值范圍控制在0.3%CH4～0.8%CH4）運(yùn)行12h后，按規(guī)定流量依次通入清潔空氣和1.5%CH4的標(biāo)準(zhǔn)氣樣各3min，記錄顯示值或輸出信號值。再在空氣中連續(xù)運(yùn)行12h后按標(biāo)準(zhǔn)時的流量通入1.5%CH4的標(biāo)準(zhǔn)氣樣3min，記錄顯示值或輸出信號值。連續(xù)試驗(yàn)15d”。

3.2 CAN2.0B總線信息

CAN總線下行信息（CDN信息）包括：模塊初始化信息，輪詢模塊數(shù)據(jù)信息，查詢模塊初始化信息，查詢模塊參數(shù)信息，同步時間信息，索取時間信息，手動控制信息等；上行信息（CUP信息）主要包括：輪詢模塊數(shù)據(jù)開始信息，輪詢塊數(shù)據(jù)結(jié)束信息，輪詢模塊返回?cái)?shù)據(jù)信息，模塊初始化完成信息，模塊請求初始化信息，查詢模塊初始化完成信息，查詢模塊參數(shù)完成信息，手動控制完成信息，同步時間完成信息，索取時間完成信息，通信異常通知信息等。下面對起到關(guān)鍵作用的主要信息進(jìn)行說明。

模塊初始化信息，

CDN_INIT_STATION=0x02；

模塊初始化完成信息，

CUP_INIT_STATION=0x84

模塊請求初始化信息，

CUP_REQUIRE_STATION_INIT=0x86。

在使用穩(wěn)定性檢測裝置開始檢測操作前，上位機(jī)軟件必須對各個模塊發(fā)送模塊初始化信息，以確定每個反饋控制模塊負(fù)責(zé)的控制范圍、控制通道關(guān)聯(lián)，和信息采集模塊連接的被測儀表的各項(xiàng)參數(shù)。在測試過程中，上位機(jī)軟件也通過模塊初始化信息在特定的時間修改控制范圍和控制特定的控制輸出通道，以實(shí)現(xiàn)自動的檢驗(yàn)柜中氣樣濃度控制及充氣和排風(fēng)功能的切換。在模塊每次重新上電后，為了避免該模塊的初始化信息混亂造成控制關(guān)聯(lián)錯位或被測儀表檢測數(shù)據(jù)錯誤，也會使用模塊請求初始化信息主動向上位機(jī)軟件申請進(jìn)行初始化。模塊完成初始化后，發(fā)動模塊初始化完成信息，表示模塊完成初始化。

模塊初始化信息格式中除信息碼，信息長度，效驗(yàn)碼等常規(guī)內(nèi)容，功能信息主要包括接收初始化信息的模塊地址；每個通道的傳感器類型（甲烷、一氧化碳、二氧化碳等）；傳感器輸出信號制式（200～1000Hz、4mA～20mA等）；傳感器量程上下限；控制量輸出類型（常開或常閉）；氣樣值上下限控制點(diǎn)濃度等。

輪詢模塊數(shù)據(jù)信息，

CDN_POLL_STATION=0x01

輪詢模塊數(shù)據(jù)開始信息，

CUP_START_POOL_STATION=0x81

輪詢模塊返回?cái)?shù)據(jù)信息，

CUP_NODES_DATA=0x83

輪詢模塊數(shù)據(jù)結(jié)束信息，

CUP_START_POOL_STATION=0x82

模塊接收到模塊數(shù)據(jù)輪詢信息后，先發(fā)送輪詢模塊數(shù)據(jù)開始信息，然后發(fā)送輪詢模塊返回?cái)?shù)據(jù)信息，最后發(fā)送輪詢模塊數(shù)據(jù)結(jié)束信息，表示該分站輪詢命令結(jié)束。

上位機(jī)軟件通過模塊數(shù)據(jù)輪詢信息讀取模塊各信號采集通道的傳感器數(shù)據(jù)、控制輸出通道的狀態(tài)。輪詢模塊返回?cái)?shù)據(jù)信息包括16個輸入通道狀態(tài)標(biāo)志（1表示該路連接了傳感器，0表示該路沒有連接傳感器）；8個輸出通道狀態(tài)標(biāo)志（1表示該路控制輸出為高電平，0表示該路控制輸出為高低平）；16個輸入通道數(shù)據(jù)。當(dāng)某路輸入通道的狀態(tài)標(biāo)志為0時，該路的通道數(shù)據(jù)為0字節(jié)。

4 結(jié)語

氣體傳感器穩(wěn)定性檢測裝置的設(shè)計(jì)研制，解決了生產(chǎn)型企業(yè)在進(jìn)行載體催化燃燒式甲烷傳感器和便攜儀表工作穩(wěn)定檢測時，所遇到的實(shí)際操作困難。檢測裝置通過單片機(jī)電路和信號反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀器儀表的實(shí)驗(yàn)室自動化檢測；單片機(jī)信號采集電路設(shè)計(jì)精度較高，檢測裝置的采集精度不低于0.5%，符合計(jì)量檢定要求；檢測裝置通過上位機(jī)軟件配置，同時檢測量可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，最大檢驗(yàn)量590臺；使用高精度、大流量標(biāo)準(zhǔn)氣體配置裝置，配氣速度快，穩(wěn)定性高；通過上位機(jī)軟件控制整個流程，15 d檢測全程無需人工參與；上位機(jī)軟件可實(shí)時顯示全部被測儀表的測試數(shù)據(jù)、檢測裝置各個關(guān)鍵部位工作狀態(tài)和參數(shù)，便于查詢和監(jiān)控。

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