基于温度补偿的瓦斯检测系统设计*

王 强,高 宏,魏 明

(1.苏州大学 应用技术学院,江苏 苏州 215325；2.煤矿安全技术国家重点实验室 中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122)

0 引 言

由于目前瓦斯检测系统含有大量未经处理的错误信息,极易发生误报警,这些误报警信息频繁出现会对工作人员造成干扰,长久以往易于导致瓦斯事故发生,为煤矿生产带来隐患[1]。对瓦斯管路内瓦斯含量准确测量,是保证煤矿瓦斯抽放系统做到计量准确运行正常的重要条件。非色散红外(non-dispersed infrared,NDIR)光谱技术是利用瓦斯气体能吸收特定波长的红外辐射而产生热效应变化,将这种变化转换为可测量的电流信号,从而测定瓦斯含量。该技术是一种比较先进的气体分析技术,具有快速、准确、稳定性好的特点[2]。基于NDIR技术的红外瓦斯传感器具有检测精度高、检测范围广、性能稳定、不受环境其他气体干扰等优点,成为煤矿瓦斯检测技术的主流产品。

1 瓦斯气体检测系统工作原理

1.1 红外瓦斯传感器工作原理

气体分子具有特定的吸收光谱,红外光线入射前后光强度变化关系的物理过程被描述为朗伯—比尔(Lambert-Beer)定律[3],其吸收率为

Q=ln(IO/I)=KvCL

(1)

式中IO为红外光线入射前光强度,I为红外光线入射后光强度,L为气室光程,Kv为被测气体比例系数,则气体浓度为

(2)

由式(2)可得,对于固定结构的采样气室,光程L是确定的。红外瓦斯传感器检测原理为通过测量红外光线在采样气室中瓦斯气体分子吸收前后光强的大小实现瓦斯浓度的检测[4]。

红外瓦斯传感器的工作原理图如图1所示。LED光源和光电探测器(photoelectric detector,PD)分别位于采样气室两端,构成光学测量单元。LED光源在光源驱动器作用下发出一定波长的红外光,不同体积分数的瓦斯气体对红外光的吸收率不同,PD将产生与气体体积分数相关不同大小的电信号,经过信号处理电路转换为电压信号输入控制器,控制器通过程序算法得到瓦斯体积分数信息,输出端口输出模拟量电压信号,或者通过通用异步收发器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接口输出数字量信号,从而完成检测过程[5]。

图1 非色散红外瓦斯传感器工作原理

1.2 最小二乘法的拟合原理

瓦斯检测系统利用最小二乘法建立瓦斯气体体积分数与输出电压的函数关系,根据测量数据可得瓦斯体积分数的变化规律[6]。假设瓦斯气体体积分数为y,传感器输出电压为u,已知一组数据(ui,yi)(i=1,2,…,n)以及各点权系数α,求出浓度y与电压值u、权系数α之间函数关系y=f(u,α),其中，α与y之间不存在线性关系。最小二乘法不要求f(u,α)通过测量点,但必须满足误差平方和最小,由此可得拟合曲线为

f(u)=α0φ0(u)+α1φ1(u)+…+αnφn(u)

(3)

根据极值原理可得

αnφn(ui)-yi]φk(ui)=0

(4)

其中,k=1,2,…,n,由式(4)可得

(5)

由于φ0(u),φ1(u),…,φn(u)线性无关,因此，可得唯一解α0,α1,…,αn,从而确定唯一的拟合函数。

2 瓦斯检测系统硬件设计

瓦斯检测系统由STM32F103C8T6微控制器、MH—440D红外瓦斯传感器、PT100贴片式温度传感器、SP3485通信电路以及声光报警电路组成。MH—440D是通用型智能红外瓦斯传感器,运用NDIR技术对瓦斯气体进行检测,具有高灵敏度、高分辨率、响应时间快等特点,提供UART和模拟电压两种输出方式[7]。

2.1 模数转换电路设计

为提高瓦斯含量检测系统测量精度,模数转换电路选用外部AD,如图2所示。LTC1865采用5V电源供电,3线制串行SPI通信协议,具有高分辨率、高速数据获取和低功耗等特点。芯片6,7,8脚为SPI接口,其中6脚为串行通信数据输入端,7脚为串行通信数据输出端,8脚为串行通信时钟信号端。考虑到参考电平的精度和稳定性影响转换性能,参考电平输入端(10脚)连接去耦电容,选择标称值C6=0.1 μF。为保证A/D转换器的转换精度,电源输入端(9脚)连接去耦电容,选择标称值C5=0.1 μF。

图2 模数转换电路原理图

2.2 RS—485通信电路设计

由于井下检测系统与地面监控中心距离较远,而且环境复杂,因此，采用RS—485转光纤、光纤转RS—485 的通信方式进行远程数据传输。RS—485隔离接口SP3485具有差分接收、差分驱动和三通道隔离功能,总线上最多连接256个节点,通信模块如图3所示。由于SP3485包含信号通道磁隔离模块,因此不需要外接信号隔离模块。同时,电路增加SM712系列ESD静电二极管,避免来自静电放电、电气快速瞬变和雷电引起的浪涌电流带来的损坏[8]。

图3 RS—485通信模块电路

2.3 温度采集电路设计

瓦斯检测系统增加温度补偿电路,检测环境温度变化,修正瓦斯检测值。温度采集电路如图4所示,温度传感器采用铂热电阻Pt100,通过电桥对Pt100输出的电压信号进行采样,利用差分电路消除线路阻抗引起的测量偏差,从而提高测量精度。根据Pt100分度表可知环境温度在0 ℃时电阻值为100 Ω,因此,在初始条件下调整Pt100的阻值为100,调整电位器RV1使VA和VB相等,此时电桥达到平衡状态。随着温度的升高,Pt100阻值增大,电桥失去平衡,VA和VB形成电压差[9]。差分放大电路实现电信号运算放大,其电压增益为

图4 温度采集电路原理

(6)

当Pt100取值138.51 Ω时,环境温度对应100 ℃,经过分析计算,差分放大电路反馈电阻R24选择标称值69.8 kΩ,此时电路输出电压3.314 V。随着温度的升高,当PT100取值超过138.51 Ω时,差分放大电路仍工作在线性放大区,但输出电压将大于3.314 V,直至达到饱和电压5 V。为了实现对控制器电路的保护,将差分放大电路的输出电压限幅在3.314 V以下,因此,选取3.3 V稳压管D1构成限幅电路。

2.4 电源和其它电路设计

已知红外瓦斯传感器MH—440D工作电压为3.6～5 V,A/D转换芯片LTC1865工作电压5 V,控制器STM32工作电压为2～3.6 V,RS—485通信模块SP3845工作电压为3.3 V,温度传感器PT100工作电压为5 V。因此,瓦斯浓度检测系统工作电压5 V,选择正向低压降稳压器AMS1117—3.3实现电压变换,输出电压为3.3 V。另外,瓦斯检测系统增加声光报警电路,在实际检测过程中,当瓦斯含量超过阈值时,发出报警信号,提示工作人员注意安全。

3 瓦斯检测系统软件设计

3.1 温度补偿算法

通过对瓦斯检测系统进行温度影响实验获得测试数据,分析数值变化规律,采用经验公式进行温度补偿[10]。调节高低温实验箱在-20～60 ℃的温度范围内,选取不同温度测量点,依次通入1.99 %,10.51 %,20.22 %VOL不同体积分数的甲烷标准气体,记录系统测试值,将不同温度条件下的测量值进行归一化处理(以20 ℃测量值为基准),得到不同标准下瓦斯气体温度补偿系数K曲线,如图5所示。

图5 甲烷气体温度补偿系数曲线

瓦斯体积分数检测系统温度补偿公式为

C=Cbef/K

(7)

式中C为温度补偿后的甲烷浓度值,Cbef为温度补偿前的浓度值,K为温度Ts的一次线性函数,对温度补偿曲线进行线性拟合,得到拟合关系式为

K=-0.004 162 4Ts+1.088 1

(8)

根据上式完成软件程序算法编程,实现瓦斯体积分数测量的温度补偿修正,提高测量精度。

3.2 控制器主程序流程

瓦斯检测系统工作流程如图6所示。

图6 主程序工作流程图

首先对检测系统进行初始化,包括参数初始化,红外瓦斯传感器、温度传感器、A/D转换以及RS—485通信模块初始化等；然后根据设定时间进行瓦斯传感器数据采集,A/D转换完成后通过最小二乘法计算出瓦斯体积分数,并通过温度补偿修正瓦斯体积分数参数；最后根据煤矿监测要求设置瓦斯浓度阈值,如果瓦斯含量超过阈值时发出声光报警信号,实现对管路瓦斯体积分数监控。

通过对瓦斯检测系统采集到的数据进行整理,并经过井下分工作站上位机处理计算后,上传至井下集中的交换机,通过交换机将所有处理后的数据传输给地面监测中心,通过监测中心的软件处理分析,可以实时动态监测瓦斯含量的状态,保证煤矿的安全生产。

4 瓦斯检测系统在煤矿的应用

将瓦斯检测系统应用到实际煤矿瓦斯检测之中,以判断测量精度是否满足矿井使用需求,选用大型红外频谱探测仪对瓦斯管路气体进行检测,测量数据作为实际参考瓦斯体积分数,催化燃烧式瓦斯传感器和红外瓦斯传感器测量数据与实际参考瓦斯体积分数进行对比,得到测量误差,如图7所示。由误差分析可知,红外瓦斯传感器测量误差小于2.2 %,满足国家规定燃气探测器设备测量误差精度在2.5 %之内,测量精度较高；催化燃烧式瓦斯传感器测量误差大于5 %,测量精度低,同时需要通过预热才能进入正常测量状态。因此,检测系统测试效果优良。

图7 瓦斯浓度检测系统测量误差分析

5 结 论

本文设计了基于NDIR技术的瓦斯体积分数检测系统,通过MH—440D红外瓦斯传感器实现煤矿管路瓦斯体积分数检测,采用最小二乘法计算瓦斯体积分数。为降低环境因素影响,利用温度补偿算法修正瓦斯体积分数值。同时,通过RS—485通信实现该瓦斯检测系统与地面监测中心之间的数据通信,实时监测瓦斯含量状态。经过验证,该系统运行稳定,精度较高,具有良好的实用价值和广泛的应用前景。