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中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng)煤炭科學(xué)研究所有限公司 祝 啟

礦用氧氣傳感器，主要用于連續(xù)檢測(cè)煤礦井下空氣中的氧氣含量，但目前市場(chǎng)上的氧氣傳感器未設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償，當(dāng)在溫度在0℃或40℃工作時(shí)，會(huì)有較大的誤差。本文以DS18B20為溫度元件，以STM8單片機(jī)為控制核心，通過(guò)電化學(xué)元件對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、AD轉(zhuǎn)換、溫度采集、數(shù)據(jù)處理等，最終將檢測(cè)的電壓值轉(zhuǎn)成濃度值，顯示在界面上。

在煤礦安全生產(chǎn)中，氧氣的含量是否充足對(duì)礦工生命安全至關(guān)重要。且煤礦井下工作環(huán)境惡劣，目前市場(chǎng)上的氧氣傳感器未設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償功能，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量會(huì)有較大的誤差。

1 工作原理

傳感器為采用氧化電池電化學(xué)傳感元的檢測(cè)元件，其產(chǎn)生與氧氣濃度成正比的電壓信號(hào)。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

它產(chǎn)生一個(gè)與氧氣的含量成比例的微弱電流信號(hào)，元件信號(hào)采集電路采集到此信號(hào)并進(jìn)行初步放大，放大后產(chǎn)生一個(gè)反向輸出電壓信號(hào)，此信號(hào)再經(jīng)放大電路放大，送入CPU片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換輸入口，CPU將此模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)顯示，報(bào)警等功能。同時(shí)檢測(cè)信號(hào)類型控制，選擇頻率信號(hào)模式或者數(shù)字信號(hào)模式與關(guān)聯(lián)設(shè)備通訊。其原理框圖如圖1所示。

2 性能指標(biāo)

傳感器使用溫度范圍為0～40℃，相對(duì)濕度：≤98%，大氣壓力80kPa～110kPa，風(fēng)速不大于8m/s。傳感器的量程范圍：0～25%，基本誤差：±3%(滿量程)。傳感器輸出信號(hào)制式，數(shù)字信號(hào)：1路RS485總線，傳輸速率：2400bps，傳感器使用電纜的單芯截面積1.5mm2時(shí)，傳感器與關(guān)聯(lián)設(shè)備的最大傳輸距離應(yīng)為2km。響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于60s。

3 電路設(shè)計(jì)

氧氣傳感器都是自身供電，有限擴(kuò)散，其金屬-空氣型電池由空氣陰極，陽(yáng)極和電解液組成。氧氣傳感器簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是一個(gè)密封容器(金屬的或塑料的容器)，它里面包含有兩個(gè)電極：陰極是涂有活性催化劑的一片PTFE(聚四氟乙烯)，陽(yáng)極是一個(gè)鉛塊。這個(gè)密封容器只在頂部有一個(gè)毛細(xì)微孔，允許氧氣通過(guò)進(jìn)入工作電極。兩個(gè)電極通過(guò)集電器被連接到傳感器表面突出的兩個(gè)引腳，而傳感器通過(guò)這兩個(gè)觸角被連接到所應(yīng)用的設(shè)備上。傳感器內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液，使不同種離子得以在電極之間交換。進(jìn)入傳感器的氧氣的流速取決于傳感器頂部的毛細(xì)微孔的大小。當(dāng)氧氣到達(dá)工作電極時(shí)，它立刻被還原釋放出氫氧根離子：O2+ 2H2O + 4e-->4OH-這些氫氧根離子通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極(鉛)，與鉛發(fā)生氧化反應(yīng)，生成對(duì)應(yīng)的金屬氧化物。2Pb + 4OH---> 2PbO +2H2O + 4e-上述兩個(gè)反應(yīng)發(fā)生生成電流，電流大小相應(yīng)地取決于氧氣反應(yīng)速度(法拉第定律)，可外接一只已知電阻來(lái)測(cè)量產(chǎn)生的電勢(shì)差，這樣就可以準(zhǔn)確測(cè)量出氧氣的濃度。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電路設(shè)計(jì)

圖3 氧氣電化學(xué)溫度曲線

4 實(shí)驗(yàn)

環(huán)境條件溫度：15℃～35℃、相對(duì)濕度：45%～75%、大氣壓力：80kPa～116kPa。試驗(yàn)用氣樣選取氮中氧標(biāo)準(zhǔn)氣樣（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)氣樣）應(yīng)采用經(jīng)國(guó)家計(jì)量部門考核認(rèn)證的單位提供的氣樣，其不確定度不大于1%。

試驗(yàn)用主要儀器采用氣體流量計(jì)：測(cè)量范圍：（30～300）ml/min，準(zhǔn)確度：2.5級(jí)、秒表：分度值為0.01s；電壓表及電流表：采用四位半的數(shù)字萬(wàn)用表，其準(zhǔn)確度應(yīng)不小于0.5級(jí)。示波器：250M，精度為1μs；直流穩(wěn)壓電源：輸出電壓：DC（0～30）V；輸出電流：2A。

在以下所有需對(duì)傳感器調(diào)校的試驗(yàn)中，通氣流量應(yīng)保持在200ml/min。用制造廠提供的注氣裝置，按標(biāo)定時(shí)的流量向傳感器依次通入氮?dú)狻?5%氧氣和25%氧氣3種氣樣。每一種濃度的氣樣通人3min后再讀取顯示值。重復(fù)測(cè)定4次，取其后3次的算術(shù)平均。

5 測(cè)試

傳感器開機(jī)后首先進(jìn)行初始化，讀取標(biāo)定配置信息，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，采集完成后則進(jìn)入數(shù)據(jù)處理，通過(guò)電化學(xué)元件對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行信號(hào)放大、AD轉(zhuǎn)換、溫度采集、最終將檢測(cè)的電壓值轉(zhuǎn)成濃度值，

采用標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行高低溫測(cè)試，當(dāng)通入18ppm標(biāo)準(zhǔn)氣樣時(shí)，補(bǔ)償前低溫0℃時(shí)為17.8ppm，高溫為18.1ppm，當(dāng)通入5.5ppm標(biāo)準(zhǔn)氣樣時(shí)補(bǔ)償后0℃時(shí)為5.5ppm，高溫為5.3ppm。氧氣電化學(xué)溫度曲線如圖3所示。

結(jié)論：本文對(duì)電化學(xué)氧氣傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了氧氣傳感器在高低溫時(shí)誤差小，適合溫度變化范圍較大場(chǎng)合使用。