基于溫度補(bǔ)償?shù)耐咚箼z測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 強(qiáng),高 宏,魏 明

(1.蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215325；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122)

0 引 言

由于目前瓦斯檢測系統(tǒng)含有大量未經(jīng)處理的錯(cuò)誤信息,極易發(fā)生誤報(bào)警,這些誤報(bào)警信息頻繁出現(xiàn)會對工作人員造成干擾,長久以往易于導(dǎo)致瓦斯事故發(fā)生,為煤礦生產(chǎn)帶來隱患[1]。對瓦斯管路內(nèi)瓦斯含量準(zhǔn)確測量,是保證煤礦瓦斯抽放系統(tǒng)做到計(jì)量準(zhǔn)確運(yùn)行正常的重要條件。非色散紅外(non-dispersed infrared,NDIR)光譜技術(shù)是利用瓦斯氣體能吸收特定波長的紅外輻射而產(chǎn)生熱效應(yīng)變化,將這種變化轉(zhuǎn)換為可測量的電流信號,從而測定瓦斯含量。該技術(shù)是一種比較先進(jìn)的氣體分析技術(shù),具有快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[2]?；贜DIR技術(shù)的紅外瓦斯傳感器具有檢測精度高、檢測范圍廣、性能穩(wěn)定、不受環(huán)境其他氣體干擾等優(yōu)點(diǎn),成為煤礦瓦斯檢測技術(shù)的主流產(chǎn)品。

1 瓦斯氣體檢測系統(tǒng)工作原理

1.1 紅外瓦斯傳感器工作原理

氣體分子具有特定的吸收光譜,紅外光線入射前后光強(qiáng)度變化關(guān)系的物理過程被描述為朗伯—比爾(Lambert-Beer)定律[3],其吸收率為

Q=ln(IO/I)=KvCL

(1)

式中IO為紅外光線入射前光強(qiáng)度,I為紅外光線入射后光強(qiáng)度,L為氣室光程,Kv為被測氣體比例系數(shù),則氣體濃度為

(2)

由式(2)可得,對于固定結(jié)構(gòu)的采樣氣室,光程L是確定的。紅外瓦斯傳感器檢測原理為通過測量紅外光線在采樣氣室中瓦斯氣體分子吸收前后光強(qiáng)的大小實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測[4]。

紅外瓦斯傳感器的工作原理圖如圖1所示。LED光源和光電探測器(photoelectric detector,PD)分別位于采樣氣室兩端,構(gòu)成光學(xué)測量單元。LED光源在光源驅(qū)動(dòng)器作用下發(fā)出一定波長的紅外光,不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯氣體對紅外光的吸收率不同,PD將產(chǎn)生與氣體體積分?jǐn)?shù)相關(guān)不同大小的電信號,經(jīng)過信號處理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入控制器,控制器通過程序算法得到瓦斯體積分?jǐn)?shù)信息,輸出端口輸出模擬量電壓信號,或者通過通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接口輸出數(shù)字量信號,從而完成檢測過程[5]。

圖1 非色散紅外瓦斯傳感器工作原理

1.2 最小二乘法的擬合原理

瓦斯檢測系統(tǒng)利用最小二乘法建立瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系,根據(jù)測量數(shù)據(jù)可得瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律[6]。假設(shè)瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)為y,傳感器輸出電壓為u,已知一組數(shù)據(jù)(ui,yi)(i=1,2,…,n)以及各點(diǎn)權(quán)系數(shù)α,求出濃度y與電壓值u、權(quán)系數(shù)α之間函數(shù)關(guān)系y=f(u,α),其中，α與y之間不存在線性關(guān)系。最小二乘法不要求f(u,α)通過測量點(diǎn),但必須滿足誤差平方和最小,由此可得擬合曲線為

f(u)=α0φ0(u)+α1φ1(u)+…+αnφn(u)

(3)

根據(jù)極值原理可得

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)線性無關(guān),因此，可得唯一解α0,α1,…,αn,從而確定唯一的擬合函數(shù)。

2 瓦斯檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

瓦斯檢測系統(tǒng)由STM32F103C8T6微控制器、MH—440D紅外瓦斯傳感器、PT100貼片式溫度傳感器、SP3485通信電路以及聲光報(bào)警電路組成。MH—440D是通用型智能紅外瓦斯傳感器,運(yùn)用NDIR技術(shù)對瓦斯氣體進(jìn)行檢測,具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn),提供UART和模擬電壓兩種輸出方式[7]。

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為提高瓦斯含量檢測系統(tǒng)測量精度,模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用外部AD,如圖2所示。LTC1865采用5V電源供電,3線制串行SPI通信協(xié)議,具有高分辨率、高速數(shù)據(jù)獲取和低功耗等特點(diǎn)。芯片6,7,8腳為SPI接口,其中6腳為串行通信數(shù)據(jù)輸入端,7腳為串行通信數(shù)據(jù)輸出端,8腳為串行通信時(shí)鐘信號端?？紤]到參考電平的精度和穩(wěn)定性影響轉(zhuǎn)換性能,參考電平輸入端(10腳)連接去耦電容,選擇標(biāo)稱值C6=0.1 μF。為保證A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度,電源輸入端(9腳)連接去耦電容,選擇標(biāo)稱值C5=0.1 μF。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2 RS—485通信電路設(shè)計(jì)

由于井下檢測系統(tǒng)與地面監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn),而且環(huán)境復(fù)雜,因此，采用RS—485轉(zhuǎn)光纖、光纖轉(zhuǎn)RS—485 的通信方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。RS—485隔離接口SP3485具有差分接收、差分驅(qū)動(dòng)和三通道隔離功能,總線上最多連接256個(gè)節(jié)點(diǎn),通信模塊如圖3所示。由于SP3485包含信號通道磁隔離模塊,因此不需要外接信號隔離模塊。同時(shí),電路增加SM712系列ESD靜電二極管,避免來自靜電放電、電氣快速瞬變和雷電引起的浪涌電流帶來的損壞[8]。

圖3 RS—485通信模塊電路

2.3 溫度采集電路設(shè)計(jì)

瓦斯檢測系統(tǒng)增加溫度補(bǔ)償電路,檢測環(huán)境溫度變化,修正瓦斯檢測值。溫度采集電路如圖4所示,溫度傳感器采用鉑熱電阻Pt100,通過電橋?qū)t100輸出的電壓信號進(jìn)行采樣,利用差分電路消除線路阻抗引起的測量偏差,從而提高測量精度。根據(jù)Pt100分度表可知環(huán)境溫度在0 ℃時(shí)電阻值為100 Ω,因此,在初始條件下調(diào)整Pt100的阻值為100,調(diào)整電位器RV1使VA和VB相等,此時(shí)電橋達(dá)到平衡狀態(tài)。隨著溫度的升高,Pt100阻值增大,電橋失去平衡,VA和VB形成電壓差[9]。差分放大電路實(shí)現(xiàn)電信號運(yùn)算放大,其電壓增益為

圖4 溫度采集電路原理

(6)

當(dāng)Pt100取值138.51 Ω時(shí),環(huán)境溫度對應(yīng)100 ℃,經(jīng)過分析計(jì)算,差分放大電路反饋電阻R24選擇標(biāo)稱值69.8 kΩ,此時(shí)電路輸出電壓3.314 V。隨著溫度的升高,當(dāng)PT100取值超過138.51 Ω時(shí),差分放大電路仍工作在線性放大區(qū),但輸出電壓將大于3.314 V,直至達(dá)到飽和電壓5 V。為了實(shí)現(xiàn)對控制器電路的保護(hù),將差分放大電路的輸出電壓限幅在3.314 V以下,因此,選取3.3 V穩(wěn)壓管D1構(gòu)成限幅電路。

2.4 電源和其它電路設(shè)計(jì)

已知紅外瓦斯傳感器MH—440D工作電壓為3.6～5 V,A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC1865工作電壓5 V,控制器STM32工作電壓為2～3.6 V,RS—485通信模塊SP3845工作電壓為3.3 V,溫度傳感器PT100工作電壓為5 V。因此,瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)工作電壓5 V,選擇正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117—3.3實(shí)現(xiàn)電壓變換,輸出電壓為3.3 V。另外,瓦斯檢測系統(tǒng)增加聲光報(bào)警電路,在實(shí)際檢測過程中,當(dāng)瓦斯含量超過閾值時(shí),發(fā)出報(bào)警信號,提示工作人員注意安全。

3 瓦斯檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度補(bǔ)償算法

通過對瓦斯檢測系統(tǒng)進(jìn)行溫度影響實(shí)驗(yàn)獲得測試數(shù)據(jù),分析數(shù)值變化規(guī)律,采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行溫度補(bǔ)償[10]。調(diào)節(jié)高低溫實(shí)驗(yàn)箱在-20～60 ℃的溫度范圍內(nèi),選取不同溫度測量點(diǎn),依次通入1.99 %,10.51 %,20.22 %VOL不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體,記錄系統(tǒng)測試值,將不同溫度條件下的測量值進(jìn)行歸一化處理(以20 ℃測量值為基準(zhǔn)),得到不同標(biāo)準(zhǔn)下瓦斯氣體溫度補(bǔ)償系數(shù)K曲線,如圖5所示。

圖5 甲烷氣體溫度補(bǔ)償系數(shù)曲線

瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測系統(tǒng)溫度補(bǔ)償公式為

C=Cbef/K

(7)

式中C為溫度補(bǔ)償后的甲烷濃度值,Cbef為溫度補(bǔ)償前的濃度值,K為溫度Ts的一次線性函數(shù),對溫度補(bǔ)償曲線進(jìn)行線性擬合,得到擬合關(guān)系式為

K=-0.004 162 4Ts+1.088 1

(8)

根據(jù)上式完成軟件程序算法編程,實(shí)現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)測量的溫度補(bǔ)償修正,提高測量精度。

3.2 控制器主程序流程

瓦斯檢測系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 主程序工作流程圖

首先對檢測系統(tǒng)進(jìn)行初始化,包括參數(shù)初始化,紅外瓦斯傳感器、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換以及RS—485通信模塊初始化等；然后根據(jù)設(shè)定時(shí)間進(jìn)行瓦斯傳感器數(shù)據(jù)采集,A/D轉(zhuǎn)換完成后通過最小二乘法計(jì)算出瓦斯體積分?jǐn)?shù),并通過溫度補(bǔ)償修正瓦斯體積分?jǐn)?shù)參數(shù)；最后根據(jù)煤礦監(jiān)測要求設(shè)置瓦斯?jié)舛乳撝?如果瓦斯含量超過閾值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號,實(shí)現(xiàn)對管路瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)控。

通過對瓦斯檢測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并經(jīng)過井下分工作站上位機(jī)處理計(jì)算后,上傳至井下集中的交換機(jī),通過交換機(jī)將所有處理后的數(shù)據(jù)傳輸給地面監(jiān)測中心,通過監(jiān)測中心的軟件處理分析,可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測瓦斯含量的狀態(tài),保證煤礦的安全生產(chǎn)。

4 瓦斯檢測系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用

將瓦斯檢測系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際煤礦瓦斯檢測之中,以判斷測量精度是否滿足礦井使用需求,選用大型紅外頻譜探測儀對瓦斯管路氣體進(jìn)行檢測,測量數(shù)據(jù)作為實(shí)際參考瓦斯體積分?jǐn)?shù),催化燃燒式瓦斯傳感器和紅外瓦斯傳感器測量數(shù)據(jù)與實(shí)際參考瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比,得到測量誤差,如圖7所示。由誤差分析可知,紅外瓦斯傳感器測量誤差小于2.2 %,滿足國家規(guī)定燃?xì)馓綔y器設(shè)備測量誤差精度在2.5 %之內(nèi),測量精度較高；催化燃燒式瓦斯傳感器測量誤差大于5 %,測量精度低,同時(shí)需要通過預(yù)熱才能進(jìn)入正常測量狀態(tài)。因此,檢測系統(tǒng)測試效果優(yōu)良。

圖7 瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)測量誤差分析

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于NDIR技術(shù)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測系統(tǒng),通過MH—440D紅外瓦斯傳感器實(shí)現(xiàn)煤礦管路瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測,采用最小二乘法計(jì)算瓦斯體積分?jǐn)?shù)。為降低環(huán)境因素影響,利用溫度補(bǔ)償算法修正瓦斯體積分?jǐn)?shù)值。同時(shí),通過RS—485通信實(shí)現(xiàn)該瓦斯檢測系統(tǒng)與地面監(jiān)測中心之間的數(shù)據(jù)通信,實(shí)時(shí)監(jiān)測瓦斯含量狀態(tài)。經(jīng)過驗(yàn)證,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,精度較高,具有良好的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。