煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中一氧化碳無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王璐

(天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

一氧化碳是無(wú)色無(wú)味、可燃可爆的有毒性氣體，是煤礦安全生產(chǎn)的大敵。當(dāng)一氧化碳進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)后,會(huì)與血紅蛋白結(jié)合導(dǎo)致中毒，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡[1]。在井下打探鉆孔時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致鉆孔內(nèi)混合氣體燃燒并涌出大量的一氧化碳。一氧化碳的質(zhì)量濃度是煤礦井下火災(zāi)自燃的重要指標(biāo)之一[2]。準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測(cè)出井下是否存在一氧化碳?xì)怏w，直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：煤礦井下的采掘工作面進(jìn)風(fēng)流、回風(fēng)巷和采空區(qū)等位置應(yīng)設(shè)置一氧化碳傳感器，且一氧化碳的質(zhì)量濃度不得大于24 mg/L[3]；在自然發(fā)火的危險(xiǎn)礦井，必須定期監(jiān)測(cè)一氧化碳的質(zhì)量濃度，以防止自燃情況的發(fā)生?，F(xiàn)有的一氧化碳檢測(cè)技術(shù)主要基于半導(dǎo)體、電化學(xué)和紅外等原理。半導(dǎo)體原理采用的是半導(dǎo)體器敏元件，常用在民用行業(yè)，其檢測(cè)精度低；電化學(xué)原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其測(cè)量精度高、價(jià)格適中，是當(dāng)前廣泛采用的監(jiān)測(cè)方式；紅外檢測(cè)方式是基于一氧化碳對(duì)紅外光譜選擇吸收性的原理，其測(cè)量精度高，但售價(jià)昂貴，受環(huán)境溫度和濕度影響相對(duì)較大。

在現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，大部分傳感器仍采用有線方式傳輸。在安裝布置傳感器的過(guò)程中，需敷設(shè)通信線纜。由于井下環(huán)境相對(duì)惡劣，通信線纜容易被砸斷，導(dǎo)致傳感器故障斷線，地面調(diào)度人員無(wú)法通過(guò)安全監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取井下的真實(shí)情況，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以WaveMesh無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種礦用一氧化碳無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)方案。

1 傳感器工作原理

1.1 電化學(xué)檢測(cè)原理

電化學(xué)檢測(cè)元件內(nèi)部含有微燃料化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)一氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散到電解液中，檢測(cè)元件的輸出端會(huì)輸出一定的電流，通過(guò)采樣電路可檢測(cè)電流大小，即可計(jì)算出一氧化碳的質(zhì)量濃度[4]。三極性電化學(xué)檢測(cè)方式較為常用，含有參考電極、感應(yīng)電極和對(duì)電極三部分。一氧化碳在感應(yīng)電極上發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳、氫離子和電子，在兩電極之間形成電流。感應(yīng)電極端發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

CO+H2O→CO2+2H++2e-

(1)

感應(yīng)電極端反應(yīng)生成的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到對(duì)電極端，在對(duì)電極端發(fā)生氧化反應(yīng)，重新生成水，化學(xué)方程式為：

O2+4H++4e-→2H2O

(2)

由上述兩個(gè)化學(xué)方程式可知，此化學(xué)反應(yīng)就是在氧氣存在的情況下，將一氧化碳轉(zhuǎn)變成二氧化碳，電極端只是起到催化作用，并沒(méi)有物質(zhì)消耗。但是，當(dāng)一氧化碳的質(zhì)量濃度較高時(shí)，工作電極會(huì)發(fā)生極化，偏離正常電位，催化能力降低。此時(shí)，通過(guò)參考電極提供一個(gè)恒定電位，不作為催化劑參與任何反應(yīng)，保證電化學(xué)元件輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。只需在兩電極端串入合適阻值的電阻，通過(guò)放大電路，即可實(shí)現(xiàn)電流值的采集。一氧化碳的質(zhì)量濃度與電流成正比關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合處理，即可準(zhǔn)確測(cè)算出一氧化碳的質(zhì)量濃度。

1.2 壓力及溫度補(bǔ)償原理

采用電化學(xué)原理的一氧化碳傳感器，在實(shí)際使用時(shí)，即使環(huán)境中沒(méi)有一氧化碳，感應(yīng)電極端也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的信號(hào)，需通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)調(diào)零。但隨著環(huán)境溫度的變化，感應(yīng)電極端的輸出信號(hào)也會(huì)按照一定規(guī)律發(fā)生偏移，此時(shí)就不能簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)零來(lái)保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。溫度補(bǔ)償通常分為軟、硬件兩種補(bǔ)償方式。在傳感器內(nèi)部靠近溫度敏感元件處安裝一個(gè)測(cè)溫芯片，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感元件周邊的環(huán)境溫度。通過(guò)測(cè)試不同溫度、不同一氧化碳的質(zhì)量濃度下元件輸出的信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，擬合出傳感元件的溫度特性曲線，從而得到準(zhǔn)確的溫度誤差修正模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中一氧化碳質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確采集。

電化學(xué)傳感器在進(jìn)行一氧化碳的質(zhì)量濃度檢測(cè)時(shí)，外界環(huán)境的壓力變化會(huì)導(dǎo)致發(fā)生瞬間響應(yīng)，元件的輸出峰值信號(hào)也會(huì)發(fā)生衰減。應(yīng)保證檢測(cè)元件端與外界環(huán)境相通，使氣流不受限制地排放到外部環(huán)境中，從而使內(nèi)外壓力保持穩(wěn)定。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往不具備相通的條件，通常采用在內(nèi)部安裝壓力傳感元件的方式，即通過(guò)壓力元件實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)部壓力的變化，并對(duì)不同壓力條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理后，得到壓力補(bǔ)償模型。

1.3 無(wú)線通信原理

井下掘進(jìn)工作面和回采工作面這些重點(diǎn)區(qū)域的環(huán)境條件復(fù)雜，空間狹小，設(shè)備較多，選用無(wú)線傳感器可有效避免布線帶來(lái)的麻煩[5]。以前通常選用ZigBee、WIFI和RFID等技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器。但這幾類技術(shù)都屬于視距傳輸，無(wú)線信號(hào)質(zhì)量會(huì)隨周邊設(shè)備的位置變化而變差，不適合用于井下工作面。近幾年，WaveMesh無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，它是一種完全分布式的網(wǎng)絡(luò)，定義完備的網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層協(xié)議規(guī)范，不限制物理層工作頻率和調(diào)制方式。WaveMesh網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)地位都是平等的，均具備休眠和路由能力，具有組網(wǎng)靈活、功耗低、傳輸可靠和效率高等特點(diǎn)。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)故障異常時(shí)，可通過(guò)跳頻路由機(jī)制重新組網(wǎng)，抗干擾性強(qiáng)，確保無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在任意時(shí)刻均處于最佳路由狀態(tài)，適合井下特殊環(huán)境的應(yīng)用。

2 傳感器方案設(shè)計(jì)

2.1 傳感器總體設(shè)計(jì)

1) 主要組成。一氧化碳無(wú)線傳感器主要由鋰電池供電電路、信號(hào)采集調(diào)理電路、單片機(jī)處理控制電路、人機(jī)交互電路和無(wú)線通信電路等組成。傳感器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器總體結(jié)構(gòu)

2) 工作原理。選用鋰離子電池為傳感器供電，具有單體電壓高、能量大和循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。傳感器電路采用低功耗設(shè)計(jì)，選取低功耗芯片，無(wú)線采用休眠間歇傳輸策略，以延長(zhǎng)無(wú)線傳感器的工作時(shí)間。當(dāng)電池電量不足時(shí)，傳感器會(huì)主動(dòng)上傳電量低報(bào)警信息給安全監(jiān)控系統(tǒng)，提示相關(guān)人員及時(shí)更換電池。信號(hào)采集調(diào)理電路完成一氧化碳質(zhì)量濃度的獲取，原始信號(hào)經(jīng)放大送至單片機(jī)處理后得到對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度值，可通過(guò)數(shù)碼管本地顯示，還可通過(guò)無(wú)線通信傳輸?shù)缴霞?jí)監(jiān)測(cè)分站。傳感器的零點(diǎn)、線性、報(bào)警閾值和無(wú)線通信等參數(shù)均可通過(guò)遙控設(shè)置，并放入flash保存，當(dāng)一氧化碳監(jiān)測(cè)值超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值時(shí)聲光報(bào)警。

2.2 一氧化碳檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

一氧化碳信號(hào)采集電路完成探頭驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、信號(hào)取樣、放大和濾波等功能，最終輸出電壓信號(hào)，電路如圖2所示。檢測(cè)元件的參考電極可穩(wěn)定感應(yīng)電極的電動(dòng)勢(shì)，參考電極和感應(yīng)電極之間無(wú)電流通過(guò)，從而確保兩者電壓穩(wěn)定，即使對(duì)電極極化也不會(huì)影響感應(yīng)電極。電路中選用場(chǎng)效應(yīng)管V6控制參考電極和感應(yīng)電極的通斷，傳感器在不工作時(shí)兩電極導(dǎo)通，保證檢測(cè)元件時(shí)刻處于準(zhǔn)備狀態(tài)。傳感器上電工作后，兩電極斷開(kāi)，可避免環(huán)境中存在的一氧化碳?xì)怏w與溶液蒸汽接觸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)元件的保護(hù)。由于電化學(xué)檢測(cè)元件輸出的信號(hào)為弱電流信號(hào)(約70 nA/ppm)，需在電流回路中串接小阻值電阻進(jìn)行取樣，信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路放大，由RC低通濾波器濾波處理后，與基準(zhǔn)電壓組成一對(duì)差分信號(hào)送至單片機(jī)信號(hào)采集端。

圖2 一氧化碳采集電路

2.3 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

隨著外界環(huán)境溫度的變化，傳感檢測(cè)元件的量程和基線零點(diǎn)的信號(hào)輸出會(huì)發(fā)生改變。為了準(zhǔn)確采集一氧化碳的質(zhì)量濃度，需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。溫度監(jiān)測(cè)電路如圖3所示。電路中選取DS18B20數(shù)字式單總線半導(dǎo)體芯片，其具有精度高、體積小、硬件開(kāi)銷低和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)DS18B20與微處理器連接時(shí)，溫度信號(hào)可在1 s內(nèi)直接轉(zhuǎn)換成9位數(shù)字量，通過(guò)單總線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。溫度芯片可從總線上獲得電源，不需要額外供電。傳感器在零點(diǎn)和線性校準(zhǔn)時(shí)記錄校準(zhǔn)溫度。在實(shí)際工作時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的環(huán)境溫度值，參照溫度試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)軟件程序擬合處理，實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境溫度下對(duì)一氧化碳質(zhì)量濃度的測(cè)量。

圖3 溫度監(jiān)測(cè)電路

2.4 壓力補(bǔ)償設(shè)計(jì)

壓力補(bǔ)償方案是在壓力槽工裝中試驗(yàn)獲取。向槽內(nèi)通入不同質(zhì)量濃度的一氧化碳?xì)怏w，通過(guò)抽取槽內(nèi)氣體來(lái)改變壓力，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，并通過(guò)特定算法建立壓力補(bǔ)償模型，以此來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)償是否可行。一般情況下，井下環(huán)境的壓力不大于130 kPa。綜合考慮壓力范圍和傳感器的空間大小，選用NPP-301系列微型壓力檢測(cè)元件，可測(cè)量0～200 kPa范圍內(nèi)的絕對(duì)壓力，完全滿足煤礦井下的使用要求。NPP-301壓力元件內(nèi)部具有高精密電阻應(yīng)變片，只需恒壓供電，不再需要額外電路。壓力元件輸出的差分電壓信號(hào)與壓力成線性關(guān)系，通過(guò)單片機(jī)即可完成采集工作。

2.5 無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

無(wú)線通信電路中選用BM200N無(wú)線自組網(wǎng)模塊，內(nèi)嵌WaveMesh自組網(wǎng)協(xié)議，工作在433 MHz頻段，擁有1～15個(gè)輔助信道和1個(gè)基本信道，具有低功耗和通信穩(wěn)定等特點(diǎn)。無(wú)線接口電路如圖4所示。BM200N采用智能的同步校時(shí)喚醒算法，保證工作和休眠的同步，無(wú)線模塊平時(shí)處于休眠模式，由ACT引腳觸發(fā)喚醒，以此來(lái)降低整機(jī)功耗。模塊的TXD引腳和RXD引腳與單片機(jī)相連，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)；RESET為復(fù)位引腳；SET為工作方式配置引腳。

圖4 BM200N無(wú)線通信電路接口

3 性能測(cè)試

3.1 常態(tài)性能測(cè)試

在常態(tài)環(huán)境下，需要對(duì)一氧化碳無(wú)線傳感器的響應(yīng)時(shí)間和基本誤差等進(jìn)行測(cè)試。選取6臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，按照AQ 6205—2006《煤礦用電化學(xué)式一氧化碳傳感器》的要求，完成傳感器的調(diào)零和線性設(shè)置后，通入20 mg/L、350 mg/L、500 mg/L和750 mg/L四種不同質(zhì)量濃度的一氧化碳。等待3 min后，記錄傳感器的顯示值，重復(fù)測(cè)試4次，取后面3次的平均值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1?？煽闯鲈诔B(tài)環(huán)境下，傳感器測(cè)量準(zhǔn)確，基本誤差較小。

表1 常態(tài)基本誤差測(cè)試 (單位：mg/L)

傳感器的檢測(cè)靈敏度通過(guò)響應(yīng)時(shí)間T90來(lái)衡量。在清潔空氣中，傳感器完成標(biāo)校后，使用不大于300 mL/min的流量通入500 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)氣樣，用秒表記錄傳感器顯示值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣樣90%所耗費(fèi)的時(shí)間，重復(fù)測(cè)量3次，取平均值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，傳感器的響應(yīng)時(shí)間比較快，完全滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ 6205—2006的要求。

表2 響應(yīng)時(shí)間T90測(cè)試 (單位：s)

3.2 溫度影響測(cè)試

將待測(cè)傳感器放入高低溫箱中，依次進(jìn)行高溫和低溫測(cè)試。高溫測(cè)試時(shí)，將高低溫箱設(shè)置為40 ℃，傳感器通電后在高低溫箱中恒溫放置2 h以上，然后通入上述幾種一氧化碳?xì)怏w，測(cè)量每種質(zhì)量濃度的基本誤差，每間隔1 h測(cè)試一次，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高溫40 ℃性能測(cè)試 (單位：mg/L)

將高低溫箱設(shè)置為0 ℃進(jìn)行低溫測(cè)試。測(cè)試方法和步驟與高溫測(cè)試的相同，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 低溫0 ℃性能測(cè)試 (單位：mg/L)

結(jié)合表3和表4可以得出：傳感器無(wú)論處在高溫還是低溫環(huán)境中，測(cè)量結(jié)果都很準(zhǔn)確，可滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)一氧化碳傳感器的技術(shù)要求。

3.3 壓力影響測(cè)試

通過(guò)壓力槽模擬不同壓力條件，對(duì)傳感器進(jìn)行壓力影響測(cè)試。通過(guò)抽氣泵使壓力槽內(nèi)的壓力值在40～140 kPa范圍內(nèi)變化，以20 kPa為間隔進(jìn)行測(cè)試。在不同壓力測(cè)試點(diǎn)通入不同質(zhì)量濃度的一氧化碳。沒(méi)有壓力補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鞯娘@示值隨環(huán)境壓力的變化而變化，測(cè)量誤差很大，不能滿足使用要求。而經(jīng)壓力補(bǔ)償后的傳感器，在不同壓力影響下的顯示值變化很小，可滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種具有壓力和溫度補(bǔ)償?shù)?、基于WaveMesh無(wú)線自組網(wǎng)的礦用一氧化碳傳感器的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了一氧化碳的檢測(cè)原理，并給出了傳感器的總體設(shè)計(jì)和主要模塊的電路設(shè)計(jì)。該傳感器具有測(cè)量準(zhǔn)確、響應(yīng)快和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。一氧化碳無(wú)線傳感器有效克服了安裝布線的難題，能為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。