井下多參數(shù)檢測儀溫度補償算法的研究*

周榮艷　李　孟

(南陽理工學院　南陽　473000)

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井下多參數(shù)檢測儀溫度補償算法的研究*

周榮艷李孟

(南陽理工學院南陽473000)

近年來,能在同一時刻檢測煤礦井下多種氣體含量和溫濕度指標的多參數(shù)檢測儀成為發(fā)展趨勢,但是由于這種檢測儀所適用的場合特殊,井下環(huán)境中溫濕度指數(shù)較為多變,而檢測儀中的氣體傳感器的前端器件又容易受到溫度的影響而導致測量精度的下降。因此,論文為了解決這一問題研究了一種溫度補償算法。同時將此算法應用于以FPGA為主控芯片的檢測儀上進行算法的實現(xiàn)。最后通過仿真軟件將引入算法之前的數(shù)據(jù)與引入算法之后的數(shù)據(jù)分別進行擬合,對得到的信號比—溫度曲線進行對比驗證,從而證明該溫度補償算法的合理性和正確性。

多參數(shù); 氣體檢測; 溫度補償

Class NumberTP311

1　引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,能夠同時檢測多種氣體含量參數(shù)的多參數(shù)煤礦井下氣體檢測設備越來越多地應用于煤礦工業(yè)生產(chǎn)中,為了能夠保證檢測多種煤礦井下氣體的氣敏傳感器能夠正常工作,一般在這種檢測設備上還加裝有溫濕度傳感器,其主要作用是用來檢測煤礦井下環(huán)境中的溫度與濕度參數(shù)[1],同時根據(jù)檢測到的溫濕度參數(shù)來對氣敏傳感器的檢測數(shù)據(jù)進行一定的補償和校正,從而提高氣敏傳感器的精確度。這是由于氣敏傳感器因本身工藝或制造材料的影響,當溫度發(fā)生變化的時候會出現(xiàn)溫度漂移的現(xiàn)象。而這一現(xiàn)象會降低檢測儀測量精度[2]。

為了降低或消除此影響,近年來針對于此方面的研究也取得了很大的進展,本設計在以FPGA為主控芯片的井下多參數(shù)氣體檢測儀硬件平臺上[3],在對整個系統(tǒng)電路設計基礎上研究了對氣敏傳感器的溫度補償算法,此算法是基于在對氣敏傳感器特性進行研究和對多參數(shù)井下檢測儀的硬件平臺的設計基礎上,與理論研究相結(jié)合開發(fā)的,通過實驗驗證該算法能夠有效降低氣敏傳感器由于溫度變化而引起的誤差,從而提高井下多參數(shù)氣體檢測儀在煤礦井下溫度多變的環(huán)境中使用時的檢測精度。

2　硬件設計

本文中所研究的井下多參數(shù)檢測儀主要是對井下復雜環(huán)境中的混合氣體的濃度進行檢測,主要檢測CH4、CO、O2、H2S這四種氣體的含量,包括對井下環(huán)境中的溫、濕度兩個參數(shù)進行檢測[4]。系統(tǒng)的硬件電路設計框圖如圖2所示,主要是由對應四種檢測氣體的氣敏傳感器及相對應的信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主控單元(FPGA芯片)及其外圍電路、顯示電路、按鍵鍵盤等幾部分所組成。

圖1　硬件電路設計框圖

本設計采用FPGA處理器作為井下便攜式多參數(shù)檢測儀的核心芯片,芯片選擇Altera公司的Cyclone II系列中的EP2C8Q208C8N。首先氣敏傳感器通過前端敏感元件將對應的需檢測氣體濃度進行轉(zhuǎn)換,通過傳感器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路和測量電路將氣體濃度轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可以測量和處理的電信號,通過傳感器輸出的模擬電信號通過信號調(diào)理電路將進行必要的放大和處理[3],可將微弱的電信號轉(zhuǎn)換為可以被A/D芯片處理的模擬信號,之后將此模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,將這一數(shù)字信號傳輸給主控單元進行處理,主控芯片收到A/D轉(zhuǎn)換芯片的信號后,對數(shù)據(jù)進行計算和處理,同時溫、濕度傳感器也將檢測到的信號傳送給主控芯片進行處理,主控芯片在將讀取到的四種氣體濃度和溫、濕度數(shù)據(jù)進行計算和處理之后[4],進行分析驗證與補償校正,最后將這些處理結(jié)果通過液晶顯示裝置進行顯示,同時將數(shù)據(jù)存儲在dataflash中,可作為歷史數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和查詢[4]。在對四種氣體進行檢測時,還需對其氣體含量進行爆炸三角形算法進行計算,當氣體的含量超出了危險閾值時,主控芯片通過控制聲光報警模塊進行報警,以防出現(xiàn)危險情況。同時,本裝置也有很好的人機交互平臺,使用者可通過鍵盤設備對井下多參數(shù)檢測儀的各個參數(shù)進行所需要的人為設置,以適應不同的環(huán)境需求和不同的工作場合。

3　溫度補償算法原理

查看元件的使用手冊可知其溫度曲線的信號比率近似的成線性關(guān)系。假定溫度曲線的函數(shù)為

R=f(x)

(1)

式中x是溫度取值,R是信號比值,可得溫度補償公式:

(2)

式中V0是傳感器檢測到的電壓信號,T是實測溫度值,V是進行溫度補償之后的電壓信號。

若要推導函數(shù)式(1),可采用曲線擬合的方式來進行計算,從而求得其近似值,在此選取最小二乘法來進行擬合計算[5]。

最小二乘法擬合原理:給定數(shù)據(jù)組(xi,yi)(i=1,2,…,n),給定函數(shù)類H,計算函數(shù)ψ(x)∈H,使

(3)

的值最小,也就是

(4)

運算函數(shù)ψ(x)就是上述數(shù)據(jù)組的最小二乘常數(shù),一般H是一些簡單函數(shù)集合。一般情況下多項式擬合的擬合函數(shù)如下所示

Pm(x)=a0+a1x+…+amxm

(5)

若

=F(a0+a1+…+am)

(6)

的取值最小,即選取參數(shù)ai(i=0,1,…,m),使

(7)

由于H是小于或等于m次多項式集合。Pm(x)就是該數(shù)據(jù)組利用最小二乘法擬合之后所得多項式。依據(jù)多元運算函數(shù)取其極值的必要條件,即其偏微分的值為零,得方程組(8)如下:

(8)

簡化為

(9)

即

(10)

上述過程中的兩個變量實測溫度值和信號比值(T,R),通過這樣的一組成對數(shù)據(jù)即可得到兩個變量的關(guān)系,如:(T1,R1)(T2,R2),…,(Tm,Rm)。建立T-R直角坐標系,并將以上記錄數(shù)據(jù)標注進行標注,通過觀察可以直觀地看到這些點近似的分散在一條直線上,依據(jù)此可得直線表達式:

R(x)=a0+a1T

(11)

式中參數(shù)a1和a0取值范圍為R。但要求得直線方程就必須求得a1與a0。根據(jù)最小二乘法運算原理[6],將數(shù)據(jù)組(Ti,Ri)代進方程式(10),即

(12)

從測量得到的溫度曲線圖上,對其中的10個(T,R)值作為一組,將其代入式(12)中,將其加以計算即可得到所要確定的參數(shù)a0和a1,將其值代入式(11)中即可得傳感器的溫度補償公式。

4　溫度補償算法實驗驗證

根據(jù)測試實驗針對,并記錄下每個濃度值對應的溫度值。各氣體濃度與溫度對比數(shù)據(jù)如表所示,表1為O2信號比與溫度對比數(shù)據(jù)取值,表2為H2S信號比與溫度對比數(shù)據(jù)取值,表3為CO信號比與溫度對比數(shù)據(jù)取值:

實驗將這三種在煤礦井下含量較多的氣體作為測試對象,分別取這三種氣體在不同濃度下一組測試數(shù)據(jù)[7]。如表1～3所示,分別為O2、H2S和CO這三種氣體信號比與溫度對比的數(shù)據(jù)取值。

表1　O2信號比與溫度對比數(shù)據(jù)取值

表2　H2S信號比與溫度對比數(shù)據(jù)取值

表3　CO信號比與溫度對比數(shù)據(jù)取值

由上述三表中的數(shù)據(jù),使用Matlab軟件將數(shù)值進行擬合。依此即可得相對應的三種氣體的信號比—溫度曲線,如圖2～4所示。

圖2　O2信號比—溫度曲線

圖3　H2S信號比—溫度曲線

圖4　CO信號比—溫度曲線

為了確定擬合公式中的參數(shù),可將表1、2、3中的數(shù)值帶入式(12)中進行運算。由此即可得到這三種氣體擬合公式中的參數(shù)a0和a1值[8],如表4。

表4　氣體擬合系數(shù)

將表4內(nèi)系數(shù)代入式(11)可得出相對應的氣體擬合公式:

O2擬合公式:RO2=0.1293T+96.0940

(13)

CO擬合公式:RCO=0.6807T+84.9156

(14)

H2S擬合公式:RH2S=0.2965T+92.7208

(15)

將式(13)～(15)代入式(12),由此可得三種氣體溫度補償公式:

O2補償公式:

(16)

CO補償公式:

(17)

H2S補償公式:

(18)

在式(16)～(18)中的VO2、VCO、VH2S分別代表實際測量中得到的氣體的相對應的電壓信號,其中T表示溫度傳感器測量得到的實際環(huán)境溫度參數(shù)值,而對應的DO2、DCO、DH2S分別是三種氣體在通過對溫度補償算法的補償之后得到的數(shù)值[9]。借助于MatLab軟件來調(diào)用溫度補償算法分別對三種氣體檢測數(shù)值做補償運算。把進行溫度算法補償之后的數(shù)據(jù)重新進行擬合,即可得到相對應的三種氣體的檢測數(shù)值進行補償之后的擬合曲線[10],如圖5～7所示。

圖5　O2補償后的擬合線

圖6　CO補償后的擬合線

圖7　H2S補償后的擬合線

由圖5～圖7可直觀觀察到進行溫度補償算法的補償之后的數(shù)據(jù)擬合曲線此時比未進行補償之前的更加接近于一條直線,此時就能將其近似認為成一種線性關(guān)系。對比未進行補償之前的曲線,可知此溫度補償算法能夠提高氣體傳感器的檢測精確度。

5　結(jié)語

本文在井下多參數(shù)檢測儀硬件電路基礎上,利用主控芯片的可編程優(yōu)勢,完成了對氣敏傳感器的溫度補償算法的實現(xiàn)。利用Matlab軟件對未采用溫度補償算法氣體的檢測數(shù)據(jù)和采用了溫度補償算法的數(shù)據(jù)分別進行曲線擬合,通過對比證明此算法滿足提高檢測儀精度的要求,具有非常好的應用前景。

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Temperature Compensation Algorithm with Underground Multi Parameter Detective Instrument

ZHOU RongyanLI Meng

(Nanyang Institute of Technology, Nanyang473000)

In recent years, the multi parameter detect instrument has become the new trend of development,which also can detect temperature and humidity index in coal mine underground at the same time. But because the detecting instrument is for special occasions, and temperature and humidity index is changing, the front end of gas sensor is easily affected by the temperature, which leads to the decrease of the measurement accuracy.Therefore, this paper studies a kind of temperature compensation algorithm in order to solve this problem, and applies this algorithm to the realization of the algorithm based on the FPGA as the main chip.Finally, this paper uses the simulation software fitting curve, then comparative analysis before the algorithm of data and the after data to get the signal-temperature curve, which proves that the temperature compensation algorithm is correct and reasonable.

multi-parameter, gas detection, temperature compensation

2016年4月7日,

2016年5月17日

周榮艷,女,碩士研究生,助教,研究方向：信號與信息處理。李孟,男,助教,研究方向：信號檢測與處理。

TP311

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.007