光干涉甲烷测定器检定仪

中煤科工集团重庆研究院有限公司 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 唐 瓒

光干涉甲烷测定器检定仪

中煤科工集团重庆研究院有限公司 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 唐 瓒

光干涉甲烷测定器检定仪用于检定、校准光干涉式甲烷测定器，可供煤矿安全仪表计量站（室）及相关计量检测机构等单位使用，确保了量值传递的准确可靠，保证了煤矿的安全生产工作。本文中详细介绍了光干涉甲烷测定器检定仪的工作原理和研制过程。

电路；光干

1 概述

光干涉甲烷测定器是煤矿井下大量使用的测定矿井空气中甲烷含量的仪器,其量值的准确性直接影响矿井中甲烷浓度的测量,对煤矿安全生产起着巨大的影响。目前光干涉甲烷测定器的检定工作主要由全国各矿务局通风实验室矿山计量站承担。为确保光干涉甲烷测定器量值统一可靠,国家矿山安全计量站建立了甲烷测量仪表行业的最高计量标准,作为统一全国矿山甲烷测量仪表量值的依据。并研制生产了干涉甲烷测定器检定仪作为全国各矿务局通风实验室矿山计量站检定光干涉甲烷测定器的标准装置。

图1 检定仪原理图

2 检测装置的工作原理

检定仪工作原理如图1所示,分别由压力传感器、温度传感器检测光干涉甲烷测量气室的压力和检定环境温度,将检测到的压力、温度转换成电信号,经信号处理单元放大、A/D转换后,再由微处理器直接计算出对应于该压力、温度下以体积分数表示的甲烷浓度值,并显示出来。

甲烷浓度与压力、温度的对应关系式:

X=p/[1.7666(273+t)]

X-甲烷浓度,P-压力,t-温度。

3 电路系统的设计

电路系统设计主要包括:数据采集电路、数据显示电路和电源管理电路等几部分组成。

3.1 数据采集电路

数据采集电路主要功能:将压力传感器传来的电流信号转换为电压信号,然后对转换后的电压信号进行A/D变换,将电压信号变换为数字信号以方便后续对数据进行处理运算。

数据采集电路基于ADuC845单片机为核心部分: ADuC845是美国AD公司新推出的一款非常灵活的高性能的单片机。

数据采集部分电路如图2所示。

3.2 数据显示电路

根据外观和显示数据的大小,本设计中数据显示采用12864J-1点阵型液晶显示模块。

3.3 电源管理电路

在本设计中微处理器芯片采用的是DC5V供电,点阵型液晶显示模块12864J-1采用的是DC5V供电,压力传感器采用的是DC12V供电;为了满足电路中各功能模块的供电需求以及仪器便于携带,因此需要对电源管理电路进行针对这2方面的设计。

3.3.1 电池的选型

在本设计中,整个电路最大能耗电流在200mA左右,因此选择12VDC电压4Ah的铅酸蓄电池,使整个仪器在最大能耗的情况下可以使用20个小时。

3.3.2 电路部分各分离元件供电需求DC-DC变换设计

在本设计中微处理器芯片采用的是DC5V供电,字符型液晶显示模块12864J-1采用的是DC5V供电,压力传感器采用的是DC12V供电;压力传感器直接用铅酸蓄电池的12VDC直接供电。单片机和温度传感器,显示模块等采用7805将12VDC转为5VDC供电。

4 单片机软件系统

图2 数据采集电路图

图3 整机布置图

单片机软件系统应用c语言编程开发,采用模块化结构,分为:单片机Aduc845片内各模块初始化、点阵液晶显示模块12864J-1初始化、压力传感器数据计算、电池剩余电量计算,温度传感器模块SHT75的初始化、温度的计算、甲烷浓度的计算以及数据显示程序等几个模块组成。

5 压力传感器

本方案选用扩散硅压力变送器,该压力变送器采用具有国际先进水平的传感器,配合高精度电子元件,经严格的工艺过程装配而成。采用无中介液的压力测量技术,抗过载和抗冲击能力强,温度飘移小,稳定性高,具有很高的测量精度。

6 温度传感器

在充分考虑供电电压、功耗和精度的基础上,我们选择了瑞士Sensirion数字温湿度传感器SHT75,该传感器具有以下特点:

温度测量范围:-40～+123.8℃;

温度测量精度:±0.3℃(25℃);

供电电压2.2V到3.6V;

低功耗(typ.30μW);

响应时间:〈4s;

可完全浸没。

7 整机外观设计

7.1 机箱设计

考虑本仪器的便携性,我们采用了一体化机箱设计。机箱布置设计如图3所示:

7.2 按键设计

按键采用PVC触摸键设计,具有防水、防尘的功能。同时,触摸键的使用寿命比普通机械开关要长,且体积小、重量轻。

8 结论

便携式光干涉甲烷测定器检定仪具有测量数据精确可靠,操作方便、重量轻、携带方便等优点,达到国内领先水平,具有较强的市场竞争力。

便携式光干涉甲烷测定器检定仪的研究工作不但可以提高国家矿山安全计量站在全国矿山安全计量行业中的地位,而且对推动煤矿行业计量检定技术水平的发展也能起到积极的作用,使煤矿行业计量检定工作上到一个新台阶。同时也确保了量值传递的准确可靠,保证了煤矿的安全生产工作。

唐瓒（1982—），男，重庆市人，工程师，毕业于中国矿业大学，主要从事矿用产品检测检验技术和装置的科研开发工作。