基于红外吸收原理的无线瓦斯巡检仪

沈 斌, 秦宪礼

(黑龙江科技学院 安全工程学院,哈尔滨 150027)

基于红外吸收原理的无线瓦斯巡检仪

沈 斌, 秦宪礼

(黑龙江科技学院 安全工程学院,哈尔滨 150027)

针对传统光学瓦斯检定仪存在的量程范围小、测量精度低、不具备数据传输功能等问题,根据红外吸收气体检测原理研制一种无线接入式瓦斯巡检仪。该仪器硬件结构由红外瓦斯传感器、控制单元、LCD显示器、声光报警电路、功能键盘电路、时钟电路、无线通信模块和电源模块等部分组成,无线通信采用半双工模式的无线通信协议。实验结果表明,该瓦斯检巡仪量程为 0～10%,检测精度为 0.01%,井下通信距离可达 120 m。它提高了瓦斯检测的量程和准确性,实现了数据的无线传送,为瓦斯巡检员远程作业定位管理系统的构建奠定了基础。

瓦斯检测;红外吸收原理;无线接入;nRF9E5

瓦斯检测技术落后和无法有效监管是目前煤矿井下瓦斯检测工作中亟待解决的两个问题。传统光学瓦斯检定仪虽具有防电磁干扰、不易中毒等优点,但使用中存在体积大、操作繁琐等缺点[1]。而基于载体催化技术的便携式瓦斯检测仪易受高浓度瓦斯和硫化物的毒化,抗高浓度瓦斯冲击能力差[2-3]。这两种瓦检仪的量程为 0～4%,检测精度为 0.1%。两者均不具备数据通信功能,检测时无法同井上监控中心通信,易形成信息孤岛,当出现瓦检员脱岗、漏检和虚报瓦斯浓度等情况时,井上管理人员无法监控到。一旦发生瓦斯超限的紧急情况,井上管理人员也无法及时获知,不能有效防止危险的发生。红外吸收气体检测技术具有测量范围宽、选择性好、不会中毒、使用寿命长、功耗低等特点。针对传统瓦检仪存在的问题,笔者根据红外吸收检测原理,选用短距离无线射频通信技术,研制出新一代无线接入式瓦斯巡检仪,为瓦检员远程作业定位管理系统的构建奠定了基础。

1 红外吸收气体检测原理

红外吸收气体检测原理即利用非对称双原子气体(如 CH4、CO2)在红外波段具有特征吸收峰的特性对空气中存在的气体进行检测,其吸收的能量与气体在红外光区的浓度有关。当红外光通过待测气体时,气体分子会吸收某些频率的辐射,使相应吸收区域的透射光强度减弱,其吸收关系服从朗伯 -比尔 (LambertBeer)吸收定律[4-5]。矿井瓦斯是混合气体,主要成分为甲烷,瓦斯浓度可近似为甲烷的浓度,甲烷在红外波段的特征吸收峰为 3.3μm。在传感器的红外光源前安装一个适合分析甲烷吸收波长的窄带滤光片,使传感器的信号变化只反映甲烷气体的浓度变化。在实际设计中,选用两个晶体滤光片对经过气室的红外光进行分光,并分别采用对应甲烷气体和参考气体的红外探测器接收。经光电转换后的电压比与气体浓度成比例,由此,瓦斯浓度计算公式为

式中:C——甲烷浓度;

Ugas、Uref——甲烷探测器和参考探测器输出的电压;

α——系数,由气体浓度反演测定[6]。

2 无线接入式瓦斯巡检仪

无线接入式瓦斯巡检仪(以下称无线瓦检仪)能实时检测作业点瓦斯浓度。当显示器显示当前时间的瓦斯浓度不超限时,瓦检人员需按下存储键来确认检测完成,同时将检测到的瓦斯浓度数据存储、发射。当瓦斯浓度超限时,无线瓦检仪自动存储瓦斯浓度,并发射数据。瓦检仪同时定时发射一次定位数据,用来跟踪瓦检人员作业位置。无线瓦检仪的标校、超限阀值和定位信号间隔时间均由管理人员通过无线方式统一设定。无线信号由设置在检测点一定范围内的无线分站接收,并通过通讯电缆传输到监控中心。当无线接收基站距离检测点太远或检测点发生变化时,可通过路由分站延长通讯距离。

2.1 硬件设计

无线瓦检仪硬件结构由红外瓦斯传感器、控制单元、LCD显示器、声光报警电路、功能键盘电路、时钟电路、无线通信模块和电源模块等部分组成,如图1所示。

图1 无线瓦检仪硬件结构Fig.1 Hardware structure of wireless gas detector

2.1.1 瓦斯检测电路

瓦斯检测电路由红外瓦斯传感器和微控制器组成。红外瓦斯传感器由一个红外发射光源、光通路(吸收区)、两个晶体滤光片 (一个检测被测气体的光谱波段、一个作为不被检测气体吸收的参比光谱波段)和红外探测器组成。文中选用英国Dynament公司的 Premier红外甲烷传感器来实现瓦斯浓度的检测[7]。该传感器提供的线性信号经模数转换后被微控制器接收,微控制器通过内部预设的计算准则,给出相应浓度值。

2.1.2 单片机控制系统

无线瓦检仪的主控制芯片选用高速/低功耗单片机 STC89C52RC。单片机控制系统由微控制器、LCD显示器、声光报警器、时钟电路、存储电路和功能键盘电路组成。微控制器获取甲烷浓度值后,通过LCD显示器显示数据,同时判断是否超过预设值,若超限则进行声光报警。微控制器通过 SPI口将瓦检仪编号、瓦斯浓度和通信匹配地址等数据按照无线通信协议数据帧格式传输给无线发射模块,由无线发射模块完成监测数据的发射。数据存储格式同无线通信协议数据帧格式一致。时钟功能由DS1302慢速充电时钟芯片实现,时间采用 24小时制,按年月日时分格式显示,掉电后以备用电池供电。功能键盘包括存储发射键、时钟设置键和报警点设置键。

2.1.3 无线通信模块

无线通信模块以单片射频收发器芯片 nRF9E5为核心,结合高频天线电路及单端鞭状天线构成。nRF9E5为系统级 RF芯片[8],内置 nRF905收发器、8051兼容微控制器,工作频段为 433、868、915MHz,频道间可以小于 650μs的时间快速切换。相关文献资料表明[9-10],1 GHz附近频段无线电波最适于进行井下无线数据传输,因此,无线通信频段选用915 MHz。无线通信主要由内部 nRF905收发器来完成,通过对内部寄存器读写和工作模式的切换进行数据收发控制。nRF9E5与 STC89C52RC的连接如图 2所示。STC89C52RC的 P1.4～P1.7连接 nRF9E5的 SPI接口,P1.2、P1.3、P3.2、P3.3和 P3.5连接 nRF9E5的控制和检测信号,用于控制内部 nRF905的模式切换以及通信过程中的信号指示接口。

图2 无线通信单元电路原理Fig.2 C ircuit principle of wireless commun ication un it

2.2 软件设计

2.2.1 无线通信协议

多点通信时,防止各节点之间通信数据发生碰撞是关键。由于接收基站与瓦检仪之间的通信会受到其他数据终端或外界环境的干扰而发生错误,因此,需要通过通讯协议来保证数据传输的可靠性。该系统无线通信协议为半双工模式,具体格式为

[前导码][通信地址码][标识码][中继站地址码][瓦检仪编码 ][瓦斯浓度 ][CRC校验码 ],其中,前导码和 CRC校验码由 nRF9E5自动添加;通信地址码为 2字节,用于确认通信双方;标识码为1字节,字节高位用于区分数据是上行数据还是下行数据,字节低位用于识别无线检测终端,该标识码用于监控中心对接收到的数据进行分类处理及向井下发送控制命令,如查询人员位置等;瓦检仪编码长度为 2字节,它和瓦检员编号唯一对应,用于确定瓦斯监测数据来源;瓦斯浓度定义为 1个字节的定点整数。无线通信过程中采用地址匹配、载波检测、带有冲突避免的载波侦听多路访问(CS MA/CA)等技术以确保无线通信过程可靠[11-12]。

2.2.2 应用软件

无线瓦检仪软件以瓦斯数据处理过程为流程,完成瓦斯浓度检测、瓦斯浓度与时间显示、声光报警、数据存储与发送等功能,如图 3所示。为提高检测数据的准确度,对读取的瓦斯浓度数据采用中位值平均滤波法处理,每 12个值处理一次。以键盘扫表方式进入相应功能操作,当瓦斯检测人员按下存储键时即确认某次检测完成,将相关数据存储,并触发 nRF9E5进行无线发射。当瓦斯浓度超限时,自动声光报警,发送超限信号。定位信息发送以定时器计时中断的方式实现,每隔 10 s主动发射一次定位数据,确定瓦斯检测人员位置,流程如图 4所示。

3 实 验

3.1 甲烷浓度模拟检测

无线瓦检仪样机如图 5所示。在实验室条件下,采用标准气体浓度标校箱对无线瓦检仪检测的瓦斯浓度值和理论值进行比较。结果显示:甲烷浓度为 0～10%时,瓦检仪的检测精度为 0.01%,且具备较好的线性关系;甲烷浓度大于 10%时,检测精度大于 0.1%;当甲烷浓度超过量程的 50%时,误差明显增大。

图5 无线瓦检仪样机Fig.5 Prototype of wireless gas detector

3.2 无线通信距离测试

采用多台瓦检仪和一个接收分站组成测试系统,分别测试 433.6、868.0、915.2 MHz三个频率的地面空旷地和井下环境的通信效果(发射功率为 10 dBm,接收灵敏度为 -100 dBm)。测试结果显示:在地面空旷地,433.6MHz的通信距离达400 m,868.0MHz和915.2MHz的通信距离为 200 m;在井下主要运输大巷内,915.2MHz和 868.8MHz的有效通信距离分别为120 m和 105 m,而 433.6MHz仅有65 m。这是井下巷道环境的小尺度多径效应作用所致。

4 结 论

基于红外吸收检测原理的接入式无线瓦斯巡检仪,采用 Premier红外甲烷传感器及系统级 RF芯片nRF9E5等元件实现了数据的检测与无线传送。当甲烷体积分数为 0～10%时,该仪器能较准确地测量实际瓦斯量,检测精度达 0.01%。在 915.2 MHz频点下,其井下通信距离可达 120 m,实现了瓦检信息的无线传输。该研究克服了传统便携式瓦斯巡检仪存在的“信息孤岛”问题,为构建煤矿瓦斯巡检员远程作业定位管理系统奠定了基础。

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W ireless gas detector design based on infrared absorption principle

SHEN B in,Q IN X ianli
(College of Safety Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

This paper is a imed at an alternative to the conventional optical gas detectorwhich suffers from smaller scale range,lower accuracy,and absence of data tran smission function by developing awireless access-type gas detector depending on infrared absorption gas detection principle.This detector’s hardware consists of infrared gas sensor,control unit,LCD,sound and light alarm circuit,keyboard circuit,clock circuit,wireless communication module,and powermodule.W ireless communication builds on half-duplexmode wireless communication protocol.The results show that the detector boasts a range from 0 to 10%,a detection accuracy of 0.01%,and an underground communication distance of up to 120 m.This gas detector,capable of a longer range and a greater accuracy of gas detection and the wireless data tran smission,provides a basis for developing the remote gas detection and location management system.

gas detector;infrared absorption principle;wireless access;nRF9E5

TD712.55

A

1671-0118(2011)02-0108-04

2011-03-01

黑龙江省重大科技攻关项目(GA04A501);黑龙江省教育厅科学技术研究项目(10551279)

沈 斌(1983-),男,浙江省长兴人,助教,硕士,研究方向:矿山安全监测监控技术,E-mail:shenbin1121@163.com。

(编辑荀海鑫)