基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器研制

董康寧，楊晉芳

(1．北京科技大學 機械工程學院， 北京 100083；2.北京思優(yōu)特科技發(fā)展有限公司， 北京 100083)

0 引言

《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定：在煤礦井下大巷、回風巷、采煤工作面、掘進工作面、采空區(qū)等地點，需要對CO氣體濃度進行實時監(jiān)測，并在氣體濃度達到或者超過預設定危險值時進行報警。煤礦在運輸巷打探水鉆孔時，干打眼導致鉆孔內燃燒，會涌出大量CO氣體，容易發(fā)生CO氣體中毒事故，甚至導致人員死亡。采空區(qū)的煤氧化，產生CO氣體的同時伴隨熱量產生，隨著煤逐漸氧化達到自燃，會造成礦井火災的發(fā)生。因此，CO氣體成為煤礦重點監(jiān)測的氣體之一，一般采用一氧化碳傳感器對CO氣體進行監(jiān)測。一氧化碳傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能否正確反映被測環(huán)境和設備參數的關鍵[1-3]。現(xiàn)有的一氧化碳傳感器檢測技術主要基于半導體和電化學等原理。基于半導體原理的一氧化碳傳感器采用的是半導體器敏元件，常用在民用行業(yè)，其檢測精度低。基于電化學原理的一氧化碳傳感器是將化學能轉化為電能，價格低、測量精度較高，是當前煤礦廣泛采用的一種CO氣體監(jiān)測方式[4]，但礦用電化學一氧化碳傳感器測量數據容易受烷類氣體、氫氣苯類等氣體及礦井環(huán)境壓力的影響，測量結果誤差大，且需定期調校[5-6]。鑒此，筆者研制了一種基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器，該傳感器相比傳統(tǒng)電化學傳感器，具有紅外波長固定、測量數據不受其他氣體影響的優(yōu)勢，采用泵吸式原理可以維持壓力的穩(wěn)定性，精準檢測出CO氣體濃度，保證了數據測量的準確性，且免標校，維護方便簡單。

1 紅外原理及泵吸式的優(yōu)勢

1.1 非分散式紅外吸收原理

紅外氣體分子在紅外波段都具有一定的吸收帶，紅外光譜吸收法檢測氣體濃度的原理是通過檢測氣體投射光強或反射光強，根據其變化情況來檢測氣體濃度[7-9]。 CO是典型的雙原子氣體分子，分子的動能包括振動動能和轉動動能，2種動能分別對應于分子的振動頻率和轉動頻率，當分子本身的固有振動頻率和轉動頻率同紅外輻射中某一段的頻率相同時，分子便吸收這一波段的紅外輻射能量，使紅外輻射能量轉換為分子振動動能和轉動動能。CO分子在紅外某一波段有吸收，含有不同濃度CO氣體的混合氣體在該波段的吸收量各不相同。根據這一原理研制的一氧化碳傳感器具有檢測精度高且不受H2S、SO2、H2等干擾氣體的影響[10-11]。非分散式紅外吸收原理如圖1所示。

圖1 非分散式紅外吸收原理Fig.1 Principle of non-dispersed infrared absorption

1.2 紅外光學氣體原理檢測

紅外光學氣體原理檢測的關鍵還是光學原理,檢測模塊不會受磨損或化學反應影響，維護保養(yǎng)簡單。利用紅外原理檢測氣體的獨特吸收光譜，CO氣體對4.5 μm的紅外輻射具有強烈的吸收，通過測量紅外輻射的初始能量和紅外輻射被氣體吸收后的能量，就能檢測出CO氣體濃度[12]。

1.3 微型泵吸式優(yōu)勢

目前多數傳感器采用擴散式檢測方式，即通過自然的空氣流動使部分氣體進入傳感器內部進行分析檢測，從而得出被測氣體濃度值。擴散式檢測采樣速度緩慢，并且檢測結果容易受檢測環(huán)境的風速、溫度等外界因素干擾，會存在誤差。而微型泵吸式檢測方式采用定制型迷你超低功率小氣泵，不僅可滿足礦用傳感器低功耗需求，而且采樣速度較快，同時可穩(wěn)定地對氣體進行循環(huán)采樣，保證了傳感器氣流的穩(wěn)定性，且不受環(huán)境壓力的影響，測量結果更準確。

2 礦用紅外一氧化碳傳感器硬件設計

基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器結構如圖2所示。 傳感器由礦用本安電源供電，經DC/DC電源轉換(24 V轉5 V)后給所有芯片及接口供電，待測氣體由微型氣泵進氣口吸入后經出氣口進入紅外一氧化碳探測器，探測器檢測到CO氣體后將信號以數字方式傳輸給單片機，由單片機驅動數碼管顯示，并將CO濃度信號以RS485數字信號方式輸出，且在CO濃度達到所設報警值時驅動聲光報警。

圖2 基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器結構Fig.2 Structure of mine-used infrared carbon monoxide sensor based on mini pump suction

2.1 單片機

單片機采用8051系列單片機， 其有2路UART，一路用作接收紅外一氧化碳探測器信號，另一路用作RS485信號。紅外一氧化碳探測器將實時采集到的CO氣體濃度信號通過UART傳輸給單片機，單片機對氣體濃度信號進行數字濾波、計算、線性化校正、溫度補償等處理，并完成電源電壓檢測、溫度檢測、CO濃度顯示、超限報警和信號輸出等功能。

2.2 微型氣泵

微型氣泵選擇低功耗的迷你型負壓泵SC3101PM，如圖3所示。電壓為DC5.0 V，電流為160 mA(最大為250 mA)，空載時真空流量大于500 mL/min，使用時整機功耗為DC24 V/120 mA(正常工作狀態(tài))。選擇該微型氣泵的原因是它不僅能滿足礦用產品本質安全型要求，還能降低功耗，提升傳感器檢測效率，并能有效縮小傳感器體積。

圖3 微型氣泵Fig.3 Miniature air pump

2.3 紅外一氧化碳探測器

礦用紅外一氧化碳傳感器使用非分散式紅外原理的一氧化碳探測器。該探測器與單片機之間采用Modbus ASCII RTU TTL 數字通信方式，可以將所采集的氣體濃度信號精確地傳輸到單片機進行分析、顯示。紅外一氧化碳探測器如圖4所示。

圖4 紅外一氧化碳探測器Fig.4 Infrared CO detector

2.4 聲光報警模塊

聲光報警模塊由發(fā)光二極管和低壓蜂鳴器組成,當檢測到 CO 氣體濃度處于設定安全值以下時，單片機控制管腳輸出高電平,蜂鳴器和發(fā)光二極管不工作；當檢測到CO氣體濃度超限時，單片機控制管腳的高低電平以1 Hz頻率變化,從而驅動發(fā)光二極管和蜂鳴器工作,完成聲光報警。

2.5 遙控電路

為使礦用紅外一氧化碳傳感器操作方便快捷，在傳感器設計中加入了遙控電路，在煤礦井下可通過遙控器在線調節(jié)報警值、顯示環(huán)境溫度。在有標準氣樣的情況下，使用紅外遙控器可對傳感器進行零點與精度調校[8]。另外，使用紅外遙控器還可對傳感器的輸出接口信號進行控制，防止誤傳信號到地面監(jiān)控室。

3 礦用紅外一氧化碳傳感器軟件設計

礦用紅外一氧化碳傳感器選擇STC12C5A32S2單片機作為主控芯片，用C語言進行編程，實現(xiàn)對CO氣體的檢測。主程序實現(xiàn)串口1數據采集、軟件濾波、LED數碼管顯示、聲光報警、遙控器按鍵功能設置、串口2數字通信等功能。軟件各功能模塊組成如圖5所示。

圖5 礦用紅外一氧化碳傳感器軟件功能模塊Fig.5 Functional modules of mine-used infrared carbon monoxide sensor software

礦用紅外一氧化碳傳感器主程序流程如圖6所示，主要實現(xiàn)一氧化碳數據采集、數碼管顯示、聲光報警及RS485信號輸出等功能。

圖6 礦用紅外一氧化碳傳感器主程序流程Fig.6 Flow of main program of mine-used infrared carbon monoxide sensor

4 試驗結果與分析

4.1 模擬實驗結果分析

在實驗室用標準氣樣對礦用紅外一氧化碳傳感器進行性能測試，待紅外一氧化碳傳感器在清潔空氣中穩(wěn)定運行20 min后，向氣室內分別注入表1所示的標準CO氣體約3 min，待數值顯示穩(wěn)定后記錄傳感器顯示數據，本文對3 個傳感器進行了測試，記錄數據見表1。

表1 濃度檢測實驗數據Table 1 Experimental data of concentration detection

依據AQ 6205—2006《煤礦用電化學式一氧化碳傳感器》，電化學一氧化碳傳感器濃度測量的基本誤差見表2。結合表1可看出，傳感器設計參數低于表2的基本測量誤差要求。表明基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器設計精度完全滿足礦用傳感器的標準要求，適用于煤礦氣體檢測。

表2 電化學式一氧化碳傳感器濃度測量基本誤差Table 2 Basic concentration measurement error of electrochemical CO sensor

4.2 工業(yè)性試驗結果分析

為驗證基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器在礦井實際環(huán)境中的工作穩(wěn)定性和有效性，傳感器配接KDY660/24B礦用隔爆兼本安型直流電源，在某礦井下采掘工作面、綜采工作面、回風巷等不同地點進行了連續(xù)6個月的工業(yè)性試驗，且試驗過程中不對傳感器進行調校與維護，記錄傳感器運行于不同采煤地點的監(jiān)測數據。

基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器與電化學一氧化碳傳感器測試數據對比如圖7所示。從圖7可看出：電化學一氧化碳傳感器易受電磁干擾或者H2S、SO2、H2等氣體干擾影響而出現(xiàn)不正常的高濃度值，且長時間不標校會出現(xiàn)靈敏度下降的現(xiàn)象。而基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器穩(wěn)定性好、靈敏度高、測量準確，電源工作穩(wěn)定，且沒有受到粉塵、電磁干擾、高瓦斯沖擊及H2S、SO2、H2等有害氣體的影響，基本誤差均符合AQ 6205—2006《煤礦用電化學式一氧化碳傳感器》的規(guī)定。實際使用中，礦用紅外一氧化碳傳感器的維護周期大于6個月，主要維護操作是清潔處理，無需更換敏感元件及標校。相比電化學一氧化碳傳感器每15 d 周期性標校及干擾氣體造成的損壞等，礦用紅外一氧化碳傳感器大大降低了維護人員的工作量。

圖7 礦用紅外一氧化碳傳感器與電化學一氧化碳傳感器測試數據對比曲線Fig.7 Test data comparison curves of mine-used infrared CO sensor and electrochemical CO sensor

5 結語

基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器采用泵吸式、紅外吸收技術，可穩(wěn)定地對氣體進行采樣，在使用過程中不受烷類氣體、氫氣苯類等氣體及礦井環(huán)境壓力的影響，可對煤礦井下的CO氣體濃度進行可靠、有效的監(jiān)測。工業(yè)性試驗結果表明，該傳感器相比傳統(tǒng)電化學一氧化碳傳感器，具有紅外波長固定、測量數據不受其他氣體影響的優(yōu)勢，同時，采用泵吸式原理能夠維持壓力的穩(wěn)定性，精準檢測出CO氣體濃度，保證了數據測量的準確性，且免標校，維護方便簡單。