礦用自動校正一氧化碳傳感器的設計

宋 玉

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

1 一氧化碳傳感器硬件設計

傳感器功能的實現主要通過CPU、供電電源模塊、氣體檢測模塊、通信等模塊協同合作實現的，以下是結構示意圖1[1]。

圖1 一氧化碳傳感器結構示意圖

1.1 傳感器一氧化碳檢測模塊簡介

傳感器上的一氧化碳成分檢測主要分為兩部分：一氧化碳傳感元件和檢測電路。

在一氧化碳傳感器中，具體檢測工作是通過電化學三級元件實現的。具體工作原理是簡單的電化學氧化過程，主要是保持預設電解槽中的電極兩端形成合適電位，所需要檢測的氣體在電解槽中會發生氧化反應，由于在整個過程中幾乎不產生電流，故可以將其忽略，所以認為一氧化碳氧化反應產生的電流和濃度正相關，并遵循法拉第定律，表現為電位變動，利用這個關系，依據測量電流從側面來反映一氧化碳的濃度。電化學一氧化碳傳感器的特性曲線如圖2 所示，從圖2 中反映出設備的低功耗、高精度、高靈敏度等優勢，適合采礦應用。

圖2 電化學一氧化碳傳感器的特性

設備檢測電路是一個普適性的電路。電信號的輸出主要是敏感元件通過釋放微弱電流形式實現的，再經過放大處理轉換為電壓信號，隨后通過模數轉換模塊完成轉換工作。傳感器中使用的放大器具有靜態電流低和失調電壓低的優勢，保證信號的穩定輸出。

1.2 傳感器電源模塊簡介

傳感器電源轉換單元的原理如下頁圖3 所示。電源轉換單元出現在所有的傳感器設備中，本安電源的輸入端口由J1 連接，電池轉換單元輸入端口接入＋10 V，轉換單元再將供電電源轉換為+5 V，CPU轉換模塊再次完成轉換工作輸出3.3 V，用3.3 V 輸出端口連接輸出。

圖3 傳感器電源轉換單元原理圖

1.3 傳感器微處理器簡介

設計中的傳感器的微處理器采用STM32F103系列芯片。其特點：最大工作頻率，集成兩種存儲器，多轉換通道，最多通信接口，表現強大的功能，達到礦井對氣體傳感器要求的高標準。此外，采用設備精度高且低復雜性和成本。微處理器收集并轉換電壓信號，根據多種濾波分析方式完成數字濾波的處理相關工作，將設備反饋收集的環境溫度數據相結合，得到校正后的精確測量的一氧化碳濃度數據，隨后完成具體數值數據的上傳工作。

1.4 傳感器通信單元簡介

為了使得設備具有更為強大的普適性，采用雙模式進行工作，即為WiFi 無線通信和多標準有線通信。其中的WiFi 無線模塊，一氧化碳傳感器適合多種開發文檔的WiFi 模塊，滿足各種形式接口。另外的有線通信模塊，輸出電路功能強大，各種制式信號都可以輸出，同時，要想改變輸出的制式，還可以通過遙控器來實現。再者該設備還擁有RS485 通信接口，信號收發器采用耗能較低的版本，可以將具體氣體濃度實時數據同步發送，保證數據的得到及時處理，最終使得設備的自動校正功能得以實現[2]，具體電路圖如圖4 所示。

圖4 電流/頻率輸出電路和RS485 通信單元原理圖

2 軟件設計

2.1 傳感器元件的自動校準方法

一氧化碳傳感器的電化學傳感器由于長期使用和不斷變化的使用環境的影響而老化。因此，一氧化碳傳感器煤礦井下標定周期為15 d，工作量大，存在一定風險。

傳感元件的輸出數與實際測量的氣體濃度有一階函數的關系，所以設備一氧化碳濃度計算方法為：

式中：x 為化學檢測元件輸出值，μA；b 為常量，10-6；k 為函數斜率，10-6/μA。

因此，設備的校準工作在遵照兩點確定直線的原則下進行。整個校準過程為：在濃度值不同的兩組一氧化碳氣體環境，設備自動完成氣體濃度數據采集工作，并且計算出k 和b 值，那么最終y 就是準確測量的濃度H。

根據上述原理，經過在眾多煤礦數據收集以及整理工作，得到經過標定具體環境情況的校準數據庫就建立起來了。那么設備就可以根據當前具體參數情況匹配數據庫中的參考的k、d 值，從而實現數據的自行校正。

2.2 自診斷原理

從功能的實現角度進行劃分，一氧化碳傳感器自診斷包含以下四部分：首先硬件方面是電化學一氧化碳傳感器，隨后是前期信號預處理部分，再者是故障診斷部分，最后是生成輸出數據部分。當傳感器靈敏度僅僅只有15%時，預示著傳感器使用壽命的終止。預處理單元完成信號放大輸出、濾波以及進行模數轉換等工作。故障診斷功能的實現主要依靠算法以及反應的設備信息評估當前的傳感器工作情況，判斷設備異常。輸出數據單元功能的實現主要是故障診斷的結果進行故障分類和集體測量值以及原始數據的輸出[3]。

2.3 傳感器運行程序流程

傳感器的控制系統整體通過單片機來完成，實現一氧化碳關鍵指標數值的輸出功能。控制軟件編程內容通過C 語言來完成，具體的編程形式上采用相互獨立的模塊編程，能夠最大程度上保持模塊之間的獨立運行，不會出現重復設計情況，很大程度上保持各自的獨立運行。主程序的基本流程如下頁圖5 所示。

圖5 主程序基本流程

3 一氧化碳傳感器自動校正功能的實現

當前，多個煤礦已經使用了此校正方法，驗證該型一氧化碳傳感器的自動校正性能。在進行自行校準過程中，上位機以前置的環境參數和時間等條件，以15 d 為一個周期，傳感器將定期接收到數據庫存儲的k 和b 值，從而進行一氧化碳傳感器進行函數的自我更新，使得一氧化碳傳感器自行校正的功能得以實現。

4 結語

針對當前的煤礦一氧化碳檢測精度不足而導致事故頻發的問題，提出一種能夠對元件進行自動校正的一氧化碳傳感器。該設計基于實際數據庫，完成參數的自行校正。并且能夠實現元件、電源、電路等部分的自我診斷。這種傳感器的研究將會對整個高危氣體檢測領域產生深遠的影響。