瓦斯传感器的抗干扰技术研究

2018-11-28刘海瑞

机械管理开发 2018年11期

刘海瑞

（西山煤电太原选煤厂，山西太原 030023）

引言

目前，在我国综采工作面中，主要采用瓦斯传感器监测工作面的瓦斯浓度值。但是，在实际综采工作面中，往往会存在有内部或者外部的电气干扰因素对瓦斯传感器的精度造成影响。影响传感器精度的干扰因素主要有煤炭综采工作面监控系统的结构形态、元器件类型、制造工艺以及综采工作面供电系统的不稳定因素[2]。因此，为了保证煤炭综采工作面瓦斯传感器的监测精度，必须对瓦斯传感器做相应的抗干扰处理。

1 抗干扰技术在测量系统应用的功能

测量系统能作为整个测控系统的关键环节，其主要功能是将综采工作面瓦斯浓度、温度等各项指标值采集、处理后传送至上位机。经研究，影响测量系统精度的因素主要有，传感器自身的精度指标、元器件的稳定性以及数据传输过程中的干扰因素。针对此类干扰因素，对测量系统的传感器进行线性化处理、对传输线路进行屏蔽处理以及采取相应的滤波技术和校正手段提高测量系统的精度。

1.1 实现传感器的线性化处理

在实际工程应用中，传感器的测量输出值与实际被测值存在有一定的非线性误差。因此，为了提高传感器的测量精度，对上述存在的非线性误差进行线性处理，即非线性补偿。一般应用中，常采用额补偿手段有软件补偿法和硬件补偿法[4]。

对于瓦斯传感器而言，将被测瓦斯的浓度值转换为电量值，通过电量值反应实时的瓦斯浓度值。为了保证电量的输出值与瓦斯浓度值的线性关系，瓦斯传感器设计有相关了非线性补偿环节和非线性反馈环节。且在对瓦斯传感器静特性研究的基础上，经过图解或者解析法得到非线性补偿环节的静特性。

1.2 实现传输线路的屏蔽处理

为了保证信号在传输过程中不受外界环境的干扰，对信号传输线采取屏蔽处理的技术。常采用屏蔽双绞线，该线既可以抑制静电的干扰，又可以抑制电磁感应干扰。除此之外，还应对测量电路附近的屏蔽体采用接地的处理方式。有试验表明，将屏蔽体接地处理后，信号被干扰的程度明显降低。

1.3 实现滤波技术的引入及零位误差的修正

针对A/D采集的模拟量中间掺杂一定的噪声干扰信息，因此需采用滤波技术。瓦斯传感器中引入低通开关电容滤波器。经实验表明，该滤波器的引入大大的降低了模拟信号的峰峰电压值。

由于在实际的采样过程中存在有零位误差，使得零位输出值不为零。因此，在采集过程中，将零位误差存入寄存器中，每次读取的数据值减去寄存器中的数值即完成了零位校正。此外，放大器在工作之前需进行零位校正，进而消除放大器的零位误差。

2 硬件抗干扰技术在瓦斯传感器的应用

主要从改进瓦斯传感器测控系统的可靠性、改善时钟电路的配置以及完善复位电路参数三个方面改善其抗干扰能力。

2.1 微机测控系统的抗干扰设计

经研究表明，制约微机测控系统的影响因素主要包括有内部和外部两方面的因素。内部因素着重指的是微机测控系统的各零部件的性能以及整体的结构设计，外部因素着重指的是微机测控系统工作的外部环境，包括综采工作面的电器条件、空间环境以及机械性能等。因此，在设计微机测控系统时需本着严格筛选高质量、高精度的元器件，尽可能选用集成度高的CMOS元器件。在此基础上依据相关标准要求进行组装。单片机作为测控系统的核心元器件，保证单片机的抗干扰能力也就直接决定了微机测控系统的抗干扰能力。

2.2 改善时钟电路的配置信息

时钟电路是CPU能否正常工作的关键电路，其主要功能是为CPU工作发起脉冲。综采工作面的干扰因素影响时钟电路的正常运行，进而影响了瓦斯传感器的CPU的正常运行。为此，配置时钟电路时需注意以下几点：时钟电路应靠近微机测控系统；振荡电路必须用地线进行包围；振荡电路选择高精度的电容原件；电源变压器应远离振荡电路[3]。

2.3 完善复位电路的参数设置

设计复位电路时，需根据实际振荡电路的频率选择合适的电容、电阻参数，保证具有满足设计要求宽度的脉冲低电平，进而确保复位电路能够高效运行。以某51单片机为例，脉冲低电平的宽度应不小于设备的两个周期。总之，在实际的应用中，为保证设备的可靠性，需对电源稳定时间、晶振稳定时间有充足的余量。

3 软件抗干扰技术在瓦斯传感器中的应用

瓦斯传感器的是通过测量催化元件的阻值实现对综采工作面瓦斯浓度的测量。在理想状态下，催化元件的阻值与瓦斯浓度是呈线性关系的（如图1中的实线所示），而在实际工作中，瓦斯浓度值与催化元件的阻值关系如图1中的虚线所示。

图1 瓦斯浓度值与催化元件阻值的关系曲线

因此，为了保证测量精度，在实际测量过程中常采用查表法、分段折线拟合法对结果进行软件处理。一般，根据不同的精度要求，将曲线分隔成不同数目的n段（精度越高，n值越大），而后通过多次试验将输入值与输出的值存于寄存器中，最终得出瓦斯浓度与催化元件阻值的关系如式（1）所示：

其中：φk为k+1段的瓦斯浓度值；φi为实测瓦斯浓度值；φk+1为k+1段处的瓦斯浓度值；rk为k段催化元件的阻值；rk+1为k+1段催化元件的阻值；ri为i段催化元件阻值。

传感器线性处理的流程为：首先采用查表法判断电阻值所在曲线的哪个段落，而后基于式（1）对瓦斯浓度值进行精确计算。

瓦斯浓度值的变化相对缓慢，在实际测量过程中可以采用程序判断滤波法实现对模拟信号的抗干扰处理。而对于瓦斯压力参数而言，其变化相对较快。因此，在实际测量过程中常采用加权平均滤波法或者复合滤波法对进行抗干扰处理[5]。综采工作面的瓦斯浓度传感器采用了程序判断滤波和算术加权平均滤波法的结合对采集的信号进行抗干扰处理，进而消除随机干扰带来的误差。