基于非色散红外光谱吸收原理的瓦斯浓度检测仪设计解读.docx

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基于非色散红外光谱吸收原理的瓦斯浓度检测仪设计解读

智能仪表与传感器

计算机测量与控制.2009.17（6）ComputerMeasurement&Control

文献标识码:

A

1229

文章编号:

1671-4598（2009）06-1229-03中图分类号:

TP2161

基于非色散红外光谱吸收原理的瓦斯浓度检测仪设计

赵聪,林翚,彭楚武

（湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082）

摘要:

煤矿作业中瓦斯浓度检测仪器必不可少,现提出一种基于非色散红外光谱吸收原理的新型瓦斯浓度检测仪;DYNAMENT公司生产的MSH-HC/TC传感器,以及MSP430F157为设计的核心元器件;详细阐述了红外瓦斯传感器的工作原理、瓦斯浓度检测仪的硬件设计和控制软件设计的实现方法;实验表明,该瓦斯浓度检测仪具有检测精度高、检测范围宽、响应时间快、无需定期标定的特点。

关键词:

瓦斯浓度检测仪;红外瓦斯传感器;MSP430F157

DesignofGasDensityDetectorBasedonNon-dispersiveInfrared

SpectrumAbsorptiveFundamentals

ZhaoCong,LinHui,PengChuwu

（CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China）

Abstract:

Itisabsolutelynecessarytohaveamethanedensitydetectorintheworkingofcoalmine.Nowanew-typemethanedensitydetectorisputforwardwhichisbasedonnon-dispersiveinfraredspectrumabsorptivefundamentals.Inthisdesignscheme,thekeyele-mentsareasensornamedMSH-HC/TCmanufacturedbyDYNAMENTandaMCUmarkedMSP430F157.Theoperationalprincipleoftheinfraredmethanesensors,hardwareandsoftwareimplementationschemesofthemethanedensitydetectorareintroducedindetail.Theex-perimentresultindicatesthatthedetectorhasthegoodcharacteristicsofhighdetectionaccuracy,widedetectionrange,fastresponsetime,andnoscheduledcalibrationperiods.

Keywords:

methanedensitydetector;infraredmethanesensors;MSP430F157

0引言

近年来,伴随着全球能源需求的进一步加剧,各个产煤作业区的生产作业规模也在逐步的扩大,从而使煤矿高瓦斯矿井的数量在不断增加,由瓦斯爆炸引发的矿难频频发生。

目前在煤矿中使用的瓦斯浓度检测系统还是采用传统的热催化燃烧、半导体、光干涉等检测原理进行检测。

热催化燃烧型瓦斯浓度检测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。

半导体型瓦斯浓度检测器是利用半导体表面电阻变化来测定可燃气体浓度,两种方式都有精度不高,检测范围窄,需要定期标定等弊端。

尤其在高浓度瓦斯存在时会因为探测器中毒而不能继续检测瓦斯浓度,从而造成灾难性后果。

光干涉型瓦斯监测器易受二氧化碳的干扰和环境因素的影响,并且检测时间长,需要水汽吸收剂、二氧化碳吸收剂等,不利于长时间连续工作。

本文研究了基于非色散红外光谱吸收原理的瓦斯浓度检测仪,它具有测量精度高,检测范围宽的特点,能在0~100%的瓦斯浓度范围内安全可靠进行浓度检测的特点,并且免维护,对煤矿的安全生产起到举足轻重的作用。

调节光源,基本原理如图1所示。

图1红外传感器原理图

红外瓦斯传感器[2]由基准部分和检测部分构成,基准部分和检测部分都由红外灯、镀膜气室、滤光片、调制电路组成。

工作时,传感器根据预先设定的调制频率发出周期性的红外光,红外光通过窗口材料入射镀膜气室,镀膜气室的检测室中扩散有待测瓦斯气体,当红外光通过待测瓦斯气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯比尔（Lambert-Beer）吸收定律[3]。

朗伯-比尔定律数学表达式为:

A=lg（1/T）=Kbc

其中A为吸光度,T为透射比,即透过光强度比上入射光强度,c为吸光物质的浓度,b为吸收层厚度,K为吸光常数（摩尔吸光常数）。

物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。

在红外瓦斯浓度传感器中,镀膜气室的长度固定,红外光源前有吸收波长的窄带滤光片即吸收层厚度b不变,所以传感器调制电路根据镀膜气室射出的红外光强而转化出的电压信号变化只反映被测气体浓度变化。

1红外瓦斯传感器原理

DYNAMENT

公司生产的MSH-HC/TC[1]红外瓦斯传感器采用单光束双波长技术,使用超细钨丝作为灯丝,用电信号

收稿日期:

2008-11-20;修回日期:

2008-12-26。

基金项目:

湖南省2006年度重点科技攻关项目（06SK2014）。

作者简介:

赵聪（1979-）,女,河南省新乡市人,硕士研究生,主要从事嵌入式系统及检测技术等的研究。

1230计算机测量与控制第17卷

2红外瓦斯浓度检测仪电路设计

红外瓦斯浓度检测仪电路按照I类电气设备（煤矿用电气设备）本质安全电路的要求进行设计,以MSP430F157为核心,外扩电源监视看门狗电路,传感器探头驱动电路,检测信号滤波放大电路,4~20mA电流环电路,

RS485接口电路,报警输出接口及电源部分等,电路原理框图如图2所示。

3V,驱动能力为1mA,所以由MSP430F157的D/A输出接口串接一只12K的电阻,调整A/D的输出电压就可以得到输出范围为40~200A的电流,此电流经过XTR117放大100倍后,得到稳定而精确的4~20mA电流环输出信号。

25RS485接口电路

由于检测仪实际使用中,往往需要多探测点远距离传输,所以检测仪通讯接口电路设计采用RS485接口,接口电路中TTL电平与RS485电平之间的转换由转换芯片MAX487完成。

为了提高数据的抗干扰性能,MAX487的供电电源经电压隔离模块DC/DC隔离后单独供电,TTL电平信号经过高速光隔6N137隔离后与MAX487相连。

由于现场环境中传输距离会较长,同时现场可能有较强的电磁干扰,所以在RS485

图2电路原理框图

信号传输线路上并联瞬态电压抑制器TVS和串联自复位熔断器来提高抗干扰能力和保护转换芯片。

26传感器放大及驱动电路

信号滤波放大电路选用TI27L2构成两级低频放大滤波电路,有效地去除了信号回路中的高频干扰。

传感器探头红外灯驱动电路采用恒流驱动设计,保证红外灯在固定频率下发光亮度均匀。

红外瓦斯浓度检测仪在工作过程中,通过调整传感器的红外灯的驱动信号频率来改变传感器的工作频率,正常工作时传感器工作频率为4Hz,驱动信号的占空比为50%。

在无瓦斯气体时,基准信号和检测信号的信号电压幅值基本一致,当一定浓度的瓦斯气体存在时,检测信号的信号幅值会减小,浓度越高,变小的趋势越明显,图4是当2

5%的瓦斯气体存在时,传感器输出的浓度信号经过滤波放大电路放大后的波形图与基准信号波形图的比较:

21电源部分

红外瓦斯浓度检测仪电路按照I类电气设备（煤矿用电气设备）本质安全电路的要求进行设计,所以电源部分的设计非常重要。

检测仪采用直流12V供电,额定工作电流为150mA,依据国家防爆电气标准GB38364-2000[4]中的要求,额定工作电压为直流12V时,允许的最大点燃电流为5A,最大点燃电容值是20F,最大点燃电感值是25mH。

故为了满足电源限流的要求在电源入口处串联82、2W的电阻进行限流,并串接一只200mA快熔陶瓷保险丝,进行后级安全限压元件的保护。

限压保护元件用两组串联的齐纳二极管IN5342进行限

压,限制其最大输出电压为1328V,如图3所示。

图3限压保护电路

后级电路中,除必须的旁路滤波电容外,不加任何大的电容器件,将电路中的电容总量控制在20F以内,设计中不加任何的纯电感元件,确保检测仪电路中的元件实测电感值小于25mH,以满足I类电气设备（煤矿用电气设备）本质安全电路的要求。

22核心处理单元

MSP430F157[5]工作电压为18~36V,芯片带有8路12bit的A/D转换接口,2路12bit的D/A转换接口,2个16bit的定时器,1个UART接口,片内32KB+256BFlashMemory,最高主频8M,芯片可以工作在微功耗模式,所以被广泛用作检测或计量类仪器的核心处理单元[6]。

23看门狗电路

电路设计中采用TPS3823-33作为电源监视和硬件看门狗,芯片固定脉冲信号延时时间为200ms,复位电压门限值为293V,当核心处理单元工作电压低于293V时芯片发出复位信号,让检测仪复位。

有效地解决了现场电源异常或受到其它强电磁干扰造成检测仪的死机现象。

244~20mA电流环电路

因为MSP430F157的D/A转换接口的最高输出电压为

图4波形图对比

从图中可以很明显的看出,检测和基准信号的波形是和红外灯驱动信号频率一致、周期变化的。

当红外灯开启时,信号波形的幅值逐渐增大,并在红外灯关闭前到达幅值最高点,随着红外灯关闭,信号波形的幅值也逐渐减小,在红外灯下次开启前到达最低幅值。

检测信号幅值相对基准信号幅值减小的大小,即反应了气体浓度的大小。

3红外瓦斯浓度检测仪软件设计

红外瓦斯浓度检测仪软件流程图如图5所示。

第

6

期赵聪,等:

基于非色散红外光谱吸收原理的瓦斯浓度检测仪设计1231

实时性,也提高了检测仪的检测响应时间。

在程序设计中,为了更好地发挥处理单元的效率,我们将数据的采样和规整放到采样中断中完成,而浓度的计算则放到主循环程序中完成。

瓦斯浓度计算完成后,要立即和检测仪中设定的报警限值进行比较,如果计算出的当前浓度值大于设定的报警限值,则立即报警。

在程序设计中,根据计算出的浓度值,实时地调整MSP430F157的A/D输出值,使得4~20mA电流环输出与当前的浓度实时同步对外输出,程序中对A/D输出寄存器每调整一位数据,对应的电流变化为0005087mA。

通讯部分的软件设计中,正常状况下,初始化MAX487的RE为低电平,DE为高电平,使MAX487处于接收使能状态。

同时在软件设计中对数据发送的任务放到主程序中完成,采用查询方式发送,将数据接收的任务放到接收中断中处理,保证数据的可靠接收。

频繁发送数据可以减小中断资源的占用,提高程序运行的效率。

为了减小检测仪器与后台控制装置正常工作时的数据通讯流量,在瓦斯浓度值不发生变化时,不进行重复的浓度数据传输,只发送5字节的链路正常报文,报文格式如图6所示。

帧头（68H）

数据类型（A1H）

数据长度校验和（00H）（A1H）

帧尾

（68H）

图6正常链路报文

图5软件流程图

如果检测到的浓度变化超出变化死区,则马上发送当前的浓度数据,直到下一次检测的瓦斯浓度数据进入稳定状态。

报文格式如图7所示。

帧头（68H）

数据类型数据长度瓦斯浓度瓦斯浓度（A2H）（04H）低位高位

温度

低位

温度高位

校检和

帧尾（68H）

软件设计中,首先对检测仪硬件初始化,初始化中设置定时器1的定时时间为5ms,设置采样中断定时器的采样时间为2ms,从MSP430F157的内部Flash中读取报警上限值和报警下限值,初始化完成后中断使能。

在定时器1中,对驱动红外灯驱动电路的IO端口每过125ms进行一次电平转换,调整传感器的工作频率为4Hz,在对4Hz的检测信号采样时,每个信号周期内可以进行125次采样。

程序设计中将采样数据窗口设定为600个,共4个周波的数据,采样完毕后从数据窗口中查找出4个最大值和4个最小值,用线性最小二乘法分别计算出最大、最小的理想值,并由求得的最大值和最小值相减得出数据的绝对差值Zact,将Zact带入表达式（3）所示的浓度演推式中,求出当前的瓦斯浓度百分比Vol。

检测仪由于器件特性的不一致性,检测窗口和标准窗口的初始信号大小也会有所偏差,所以在软件设计中要修正由此造成的检测误差,此误差可以通过在无任何瓦斯气体的情况下计算两个窗口的数据差异百分比Zero（Zero=Zact0/Zref0）代入浓度演推式来进行修正,浓度演推式公式如下:

Vol=pow[-log（1-（1-Zact/Zero*Zref））]/（（1-Zactmax/（Zero*Zrefmax））/（1-exp（-A*pow（100,N）））（3）

式（3）中,当瓦斯浓度为100%体积比时A=00563,N=0497,式中Zact0是无瓦斯气体时检测窗数据峰值差,Zref0是无瓦斯气体时的标准窗数据峰值差,Zactmax为100%瓦斯浓度时的检测窗数据峰值差,Zrefmax为100%瓦斯浓度时的标准窗数据峰值差,Zact为当前的检测窗数据峰值差,Vol为瓦斯浓度百分比。

在对采样数据排序和规整的过程中,要根据设定的滤波窗口对数据进行校验,如果采集到的数据超出滤波范围,则要将此信号周期内的数据都抛弃,继续处理下一次的采样数据。

每完成一次浓度计算后,将最先采样的125个数据抛弃,再把后三个周期的475个数据迁移125个位置,最后将新采样的125个数据填充于末端,即进行下一次的浓度计算,这样即保证了数据的连续性,

图7带数据的报文

在数据传输报文中,将数据类型和数据长度都赋予了具体的数值,同时用异或校验对发送的数据进行校验,所以在保证数据解析正确的基础上,大大地提高了后台检测设备的解析效率。

4结论

基于非色散红外光谱吸收原理的瓦斯浓度检测仪,具有测量精度高,检测范围宽,能在0~100%的瓦斯浓度范围内安全可靠地进行浓度检测,免维护,完全避免了传统检测方式中,浓度严重超标时检测仪误报、不报的问题,对煤矿的安全生产起到举足轻重的作用。

而且,瓦斯浓度检测仪采用本质安全设计,通讯结构采用标准的RS485接口,并设计有4~20mA电流环接口电路,能方便地和现场地控制系统进行无缝接入,大大地提高了检测仪的使用灵活性,为检测现场的后期扩建升级提供了良好的基础,具有非常好的推广前景。

参考文献:

[1]MiniatureInfraredGasSensorsProduct[Z].Dynament,2006.

[2]余成波.传感器与自动检测技术[M].北京:

高等教育出版

社,2004.

[3]翁诗甫.傅里叶变换红外光谱仪[M].北京:

化学工业出版

社,2005.

[4]国家防爆电气标准[S].南阳防爆电气研究所,2000.

[5]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北

京:

北京航空航天大学出版社,2001.

[6]郑彤.基于MSP430超低功耗罗茨流量积算仪的开发[J].计

算机测量与控制,2006,14（4）.