瓦斯探測(cè)器零點(diǎn)校正技術(shù)的研究*

于春雨，潘春鶴，于曉霞，張光臻

（哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080）

0 引言

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，事故時(shí)有發(fā)生。這些事故中，尤以瓦斯爆炸造成的損失最大，每年的事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，有70%左右的特大事故源于瓦斯爆炸，瓦斯已成為煤礦危害之王［1］。為此，國(guó)家把“重特大事故大幅度減少”作為煤礦安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃目標(biāo)，并且一直堅(jiān)持“安全第一、預(yù)防為主”的原則。瓦斯探測(cè)器用于煤礦井下、地下管道、隧道等地下工程周?chē)諝猸h(huán)境中的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)和超限報(bào)警，從而預(yù)防此類(lèi)事故的發(fā)生。為此，瓦斯探測(cè)器的研究重點(diǎn)是如何克服零點(diǎn)漂移、提高穩(wěn)定性［2］。目前廣泛使用的瓦斯探測(cè)器所采用的零點(diǎn)校正技術(shù)主要有2種，一種是基于軟件的零點(diǎn)校正技術(shù);另一種是軟件與硬件相結(jié)合的零點(diǎn)校正技術(shù)［3］。以上2種方法的缺點(diǎn)是軟件成本的增加。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了基于恒溫控制電路的零點(diǎn)漂移自動(dòng)校正技術(shù)，該方法以較低的成本實(shí)現(xiàn)了瓦斯探測(cè)器的定時(shí)自動(dòng)調(diào)零點(diǎn)。

1 催化燃燒傳感器的零點(diǎn)漂移

催化燃燒法是檢測(cè)瓦斯氣體的一種重要的方法［4，5］。催化傳感器長(zhǎng)期以來(lái)一直采用的檢測(cè)方法為電橋檢測(cè)。即催化敏感元件r1，補(bǔ)償元件r2，電阻R1，R2組成惠斯頓電橋。如圖1所示。其基本原理是，電流流過(guò)催化敏感元件r1時(shí)，使其溫度為500℃左右，瓦斯接觸催化元件表面會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，使催化敏感元件r1溫度升高，阻值增大，電橋輸出的不平衡電壓即反映被測(cè)瓦斯的濃度。但是這種傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在檢測(cè)范圍小、響應(yīng)速度慢、傳感器使用壽命短等問(wèn)題［6，7］。

圖1 催化傳感器惠斯頓電橋示意圖Fig 1 Wheatstone bridge diagram of catalytic sensor

催化傳感器的以上問(wèn)題，靠傳感器本身的制作工藝是無(wú)法解決的，而采用新的檢測(cè)方法，使催化傳感器在檢測(cè)可燃?xì)怏w時(shí)始終工作在恒溫狀態(tài)，敏感元件的物理特性保持不變，從而從根本上解決上述問(wèn)題。

影響瓦斯探測(cè)器精度的另外一個(gè)重要因素是零點(diǎn)漂移。催化傳感器零點(diǎn)漂移是指:在正常大氣條件下，催化傳感器的零點(diǎn)輸出值隨時(shí)間的緩慢變化［8］。零漂與正常信號(hào)發(fā)生疊加，不僅影響測(cè)量精度，而且可能導(dǎo)致瓦斯探測(cè)器的誤報(bào)和漏報(bào)。因此，減小或消除零漂對(duì)提高催化傳感器的檢測(cè)可靠性有非常重要的意義。

產(chǎn)生零漂的主要因素是工作環(huán)境干擾，其主要是溫度的影響;其次由于催化傳感器在高溫的條件下載體顆粒、鉑絲等物理特性發(fā)生了變化［9，10］，催化傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。零漂是隨機(jī)誤差是不可避免的［11］。

圖2 催化傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Basic structure diagram of catalytic sensor

2 自動(dòng)零點(diǎn)校正方案

在純凈大氣條件下，催化傳感器輸出信號(hào)應(yīng)為零，此時(shí)如果發(fā)生零點(diǎn)漂移，完全可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號(hào)處理，即輸出信號(hào)減去零漂值即可。但是在有可燃?xì)怏w環(huán)境中，零漂信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)混為一體難以區(qū)別。

本文提出的零點(diǎn)校正的基本思想是通過(guò)恒溫控制電路使催化燃燒式傳感器工作在較低溫狀態(tài)，使之不與氣體發(fā)生反應(yīng)，這時(shí)的輸出電壓可以認(rèn)為是低溫時(shí)傳感器的零點(diǎn)漂移，然后根據(jù)一定的比例關(guān)系算出正常工作溫度下的零點(diǎn)漂移。綜合上述思路以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下關(guān)系式

式中VL為零點(diǎn)漂移，VC為參比元件上的電壓，VL'為低溫時(shí)傳感器的零點(diǎn)漂移，VC'為低溫時(shí)參比元件上的電壓。所以，零點(diǎn)漂移為

3 電路設(shè)計(jì)

依據(jù)上述分析設(shè)計(jì)的瓦斯探測(cè)器硬件框圖如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)框圖Fig 3 Block diagram of hardware design

測(cè)試電路主要由參考電壓電路、恒溫控制電路、氣敏元件、放大電路、調(diào)零電路以及單片機(jī)系統(tǒng)等部分組成。

首先通過(guò)控制電路對(duì)氣體傳感器進(jìn)行調(diào)零和恒溫控制?？刂齐娐酚蓡纹瑱C(jī)提供信號(hào)。氣體傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理和脈寬調(diào)制處理送入單片機(jī)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定時(shí)的模擬電路輸出電壓，可以得到氣體濃度和輸出電壓的關(guān)系，由此就可以準(zhǔn)確的探測(cè)出瓦斯氣體在每一個(gè)濃度變化下的測(cè)量值。

本文主要闡述傳感器恒溫控制電路、調(diào)零電路及放大電路的設(shè)計(jì)。

3.1 恒溫控制電路

恒溫控制電路原理框圖如圖4所示。其基本原理是:當(dāng)外部條件改變使傳感器上的溫度高于（低于）預(yù)設(shè)溫度時(shí)，通過(guò)反饋環(huán)節(jié)降低傳感器上的電壓使傳感器溫度降低（升高）。即當(dāng)瓦斯在敏感元件表面發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，使催化傳感元件的溫度升高，阻值增大，電橋輸出不平衡，這種不平衡經(jīng)由反饋電路反饋至恒溫控制電路，恒溫控制電路控制流經(jīng)電橋的電流下降，使敏感元件溫度下降，阻值減小，直到電橋重新恢復(fù)平衡狀態(tài)。

這種負(fù)反饋由一個(gè)運(yùn)放組成的比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于運(yùn)放的輸出能力較小，所以，在運(yùn)放的輸出端用了一個(gè)達(dá)林頓管來(lái)增強(qiáng)電流輸出能力。

圖4 檢測(cè)電路組成框圖Fig 4 Block diagram of composition of detecting circuit

3.2 調(diào)零電路

零點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)會(huì)使測(cè)量電路的輸出在A/D的轉(zhuǎn)換范圍之外，因此，調(diào)零電路是不可或缺的。目前，調(diào)零電路多采用專(zhuān)用芯片的數(shù)字電位器，這種芯片與MCU的接口一般為I2C或SPI，位數(shù)在5位到10位之間。使用這種芯片的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)精確。缺點(diǎn)是價(jià)格較高，需要占用通信接口，軟件開(kāi)銷(xiāo)增加。本文采用模擬開(kāi)關(guān)芯片CD4051配合電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了數(shù)字電位器，使得探測(cè)器成本降低，如圖5所示。圖5中MCU的 P15，P16，P17接到4051芯片A，B，C端，在MCU的控制下芯片會(huì)自動(dòng)使不同通道導(dǎo)通。4051的COM口與電橋電路B點(diǎn)相連，這樣就使電阻R1～R9中的1個(gè)電阻或多個(gè)電阻串聯(lián)后與R11并聯(lián)。從而控制B點(diǎn)電位。這樣就能通過(guò)P15，P16，P17電平的變化控制B點(diǎn)電位。當(dāng)瓦斯通過(guò)氣敏元件時(shí)，會(huì)使R10阻值發(fā)生變化，A點(diǎn)電位也隨之變化。

圖5 調(diào)零電路設(shè)計(jì)圖Fig 5 Design diagram of zero-adjusting circuit

調(diào)零時(shí)不需要調(diào)到絕對(duì)零電位，只需根據(jù)實(shí)際使用的敏感元件和參比元件可能出現(xiàn)的最大差值，選擇合適的R1～R9阻值，即可以完成所需的調(diào)零工作。

4 測(cè)試與結(jié)果分析

催化傳感器零點(diǎn)漂移隨時(shí)間增加，要觀察到非常明顯的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象需要很長(zhǎng)時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)人為較大預(yù)置零漂，再采用上述方法進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，減少了實(shí)驗(yàn)周期。表1是5只傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中可以看出:1號(hào)傳感器的校準(zhǔn)后的零點(diǎn)殘留偏差為校準(zhǔn)前的1.5%，2號(hào)傳感器的校準(zhǔn)后的零點(diǎn)殘留偏差為校準(zhǔn)前的2.1%，3號(hào)傳感器的校準(zhǔn)后的零點(diǎn)殘留偏差為校準(zhǔn)前的1.9%，4號(hào)傳感器的校準(zhǔn)后的零點(diǎn)殘留偏差為校準(zhǔn)前的10.8%，5號(hào)傳感器的校準(zhǔn)后的零點(diǎn)殘留偏差為校準(zhǔn)前的19.4%。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析證明式（2）得到的結(jié)果與測(cè)量結(jié)果接近，校準(zhǔn)后的殘留偏差與未經(jīng)校準(zhǔn)的輸出值相比減少了近1個(gè)數(shù)量級(jí)。

表1 傳感器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Calibration experiment data of sensor

5 結(jié)論

通過(guò)自動(dòng)零點(diǎn)校正的理論分析和樣機(jī)的驗(yàn)證，基于恒溫檢測(cè)電路的定時(shí)自動(dòng)零點(diǎn)校正技術(shù)很好地解決了催化傳感器工作壽命和穩(wěn)定性的問(wèn)題。該技術(shù)采用比較簡(jiǎn)單的原理實(shí)現(xiàn)了提高測(cè)量精度的目的。采用模擬開(kāi)關(guān)配合電阻網(wǎng)絡(luò)代替數(shù)字電位器，降低了成本。同時(shí)免除了手動(dòng)校準(zhǔn)，減少了維護(hù)成本。

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