礦用一氧化氮傳感器研究與設(shè)計

【摘要】分析了電化學(xué)一氧化氮傳感元件的反應(yīng)機(jī)理，提出了一種礦用一氧化氮傳感器的設(shè)計方案。該傳感器以C8051F021單片機(jī)為核心，將一氧化氮傳感元件輸出的信號進(jìn)行采集、補(bǔ)償處理后通過LED數(shù)碼管顯示，并通過RS485或頻率的方式實時傳輸?shù)矫旱V井下監(jiān)控分站。該傳感器目前已廣泛應(yīng)用于非煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中。現(xiàn)場應(yīng)用證明，該傳感器測量精度高、穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】一氧化氮傳感器；信號處理；溫度補(bǔ)償

1.引言

隨著礦井安全以人為本思想的不斷深化，工人的健康問題、安全問題逐漸引起人們的關(guān)注。近年來礦井生產(chǎn)過程中對有毒氣體的監(jiān)測越來越引起礦方的重視。礦井下一氧化氮（NO）是有毒氣體之一，主要損害呼吸道。吸入初期僅有輕微的眼及呼吸道刺激癥狀，如咽部不適、干咳等。常經(jīng)數(shù)小時至十幾小時或更長時間潛伏期后發(fā)生遲發(fā)性肺水腫、成人呼吸窘迫綜合征，出現(xiàn)胸悶、呼吸窘迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫紺等，可并發(fā)氣胸及縱隔氣腫。肺水腫消退后兩周左右可出現(xiàn)遲發(fā)性阻塞性細(xì)支氣管炎。一氧化氮濃度高可致高鐵血紅蛋白血癥[1]。因此，一氧化氮氣體嚴(yán)重危害井下人員的身體健康，而且影響礦井生產(chǎn)安全，對井下一氧化氮氣體的實時監(jiān)測具有必要性。為此，本文采用電化學(xué)原理檢測技術(shù)，提出了一種礦用一氧化氮傳感器設(shè)計方案。

2.電化學(xué)一氧化氮傳感元件原理分析

圖1為三電極電化學(xué)一氧化氮傳感元件示意圖，該傳感元件由參考電極、感應(yīng)電極和負(fù)電極組成。工作時，在感應(yīng)電極上保持一個恒定的偏壓，當(dāng)一氧化氮氣體通過擴(kuò)散柵欄進(jìn)入傳感元件時，一氧化氮的總反應(yīng)方程為：

（1）

通過以上反應(yīng)可以看出，在感應(yīng)電極與負(fù)電極上分別產(chǎn)生了正負(fù)電子，正負(fù)電子在電場的作用下會形成電流，根據(jù)菲克擴(kuò)散定律，感應(yīng)電極與負(fù)電極之間電流I的大小為：

（2）

式（2）中的n（轉(zhuǎn)移電子數(shù)）、F（法拉第常數(shù)）、A（擴(kuò)散面的面積）、D（擴(kuò)散系數(shù)）及δ（擴(kuò)散層厚度）均為常數(shù)，所以電解電流I與一氧化氮的濃度C成正比，因此只要檢測出電流I的大小即可反推出一氧化氮的實際濃度C。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本傳感器以C8051F021單片機(jī)為核心，由一氧化氮傳感元件取樣信號放大電路、紅外接收電路、LED數(shù)碼管顯示電路、RS485/頻率通信電路、聲光報警電路等部分組成，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

3.1 一氧化氮傳感元件信號處理模塊

一氧化氮探頭采用英國City公司生產(chǎn)的4系列三電極傳感元件。由于一氧化氮傳感元件輸出的是nA級別的電流信號，在檢測時首先需對電流信號取樣，再將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后通過運算放大電路對微弱的電壓信號放大，供單片機(jī)C8051F021模擬ADC采集，得到感應(yīng)電極與負(fù)電極之間電流信號大小[2]。圖3為一氧化氮傳感元件信號處理電路，通過IC1提供偏壓，保證了參考電極上無電流通過，IC2運放將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大。由于電流信號小，需選擇偏置電流小的運放，如OP-77系列運放。為了延長探頭使用壽命，沒有上電時參考電極和感應(yīng)電極需要短接。用一個場效應(yīng)管將感應(yīng)電極和參考電極相連，探頭上電工作時場效應(yīng)管再斷開。為了避免傳感器上電很長的一個穩(wěn)定時間，可以通過電池對傳感器提供一個偏壓。

3.2 RS485通信模塊設(shè)計

RS485通信模塊采用Maxim（美信）公司的MAX3072接口芯片，MAX3072采用平衡驅(qū)動器和差分接收器組合方式，抗共模干擾能力增強(qiáng)。RS485通訊采用半雙工工作模式。圖4為選用的RS485通信電路，當(dāng)W/R為邏輯低電平時，傳感器處于接收狀態(tài)，出現(xiàn)在差分傳輸線上的信號將經(jīng)過MAX3072轉(zhuǎn)化為邏輯電平，輸出至單片機(jī)C8051F021的接收腳RX0，當(dāng)W/R為邏輯高時，傳感器RS485通訊處于發(fā)送狀態(tài)。在本電路中，對RS485電路進(jìn)行了多級保護(hù)處理，包括使用限流電路、TVS管及共模線圈等措施，能有效預(yù)防雷電毀壞和靜電干擾。

3.3 頻率輸出模塊

本傳感器和監(jiān)控分站之間除了采用RS485通訊方式，也運用了頻率傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)通訊。圖5為頻率輸出電路。為了增加傳輸距離，減小頻率信號的衰減，保證信號在負(fù)載電阻為1.5kΩ時，高電平大于3V，低電平小于0.5V，供電電源選擇傳感器輸入電源供電，供電范圍為9～24.5V，而不選擇單片機(jī)供電電壓5V或3.3V。頻率輸出為三極管集電極開漏輸出，這樣頻率信號對線間電容沖放電時間更短、傳輸?shù)酶h(yuǎn)。圖5中電阻R1、三極管V1構(gòu)成限流回路，保護(hù)三極管V2不被損壞。

3.4 顯示模塊

為了較好的實現(xiàn)人機(jī)界面，本傳感器采用4位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。LED數(shù)碼管顯示器是嵌入式系統(tǒng)常用的人機(jī)交互設(shè)備，本傳感器顯示主要采用軟件譯碼、動態(tài)掃描的控制方式。

3.5 接收配置模塊

本傳感器采用紅外遙控方法完成傳感器配置，所采用的紅外接收管為HS0038B3V，其特點為體積小、抗光和電的干擾性強(qiáng)，輸出信號沒有突變，上電初始化時間短（約200μs）等。HS0038B3V可接收來自任何38kHz調(diào)制遙控器的信號，周期約26μs，同時能對信號進(jìn)行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號送入C8051F021單片機(jī)進(jìn)行解碼。

4.一氧化氮傳感器軟件設(shè)計

4.1 軟件設(shè)計

一氧化氮傳感器軟件采用C語言模塊化設(shè)計，主要包括一氧化氮傳感元件信號處理、溫度采集、溫度補(bǔ)償處理、調(diào)零和調(diào)精度等參數(shù)設(shè)置、顯示輸出等，軟件運行流程如圖6所示。為了使操作簡單，該傳感器調(diào)零點、調(diào)線性、報警點等參數(shù)均采用紅外遙控控制。軟件調(diào)整具體思路：在新鮮空氣中，C8051F021單片機(jī)將當(dāng)前的A/D采樣值作為零點偏移存入內(nèi)部FLASH，再通入標(biāo)準(zhǔn)一氧化氮氣體，調(diào)整遙控器使其顯示為標(biāo)稱氣體值，C8051F021單片機(jī)求出調(diào)校斜率，此后再按退出鍵退出，系統(tǒng)即完成標(biāo)校。

4.2 溫度補(bǔ)償

電化學(xué)傳感元件的輸出會隨溫度變化而微弱變化[3]，因此對電化學(xué)一氧化氮傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償關(guān)鍵是得出不同溫度下輸出信號變化關(guān)系。圖7為通過實驗得出的一氧化氮傳感元件輸出信號量隨溫度的變化情況。設(shè)傳感器在20oC時每10-6一氧化氮氣體輸出的反應(yīng)信號為100%，則溫度在-20～50oC的每10-6一氧化氮氣體輸出的反應(yīng)信號變化范圍為90%～104.4%。

在煤礦應(yīng)用中如果不增加溫度補(bǔ)償，誤差會比較大，將采集的當(dāng)前溫度與標(biāo)校溫度（20℃）相除作為溫度補(bǔ)償系數(shù)來矯正傳感器信號值，從而實現(xiàn)對一氧化氮傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。具體的補(bǔ)償過程為：通過標(biāo)校線性時溫度計算出標(biāo)校溫度時的信號量系數(shù)K_T_Save；通過采集當(dāng)前溫度計算出當(dāng)前溫度下信號量系數(shù)K_T_m；由公式k_temp=K_T_Save/K_T_m求出溫度補(bǔ)償系數(shù)k_temp；最后通過K（comp）=K*K_temp修正線性值。溫度補(bǔ)償流程圖如圖8所示。

5.測試分析

為了驗證該一氧化氮傳感器的測量精度，對4臺傳感器進(jìn)行了常態(tài)基本誤差實驗。采用純氮氣進(jìn)行調(diào)零點，采用100×10-6一氧化氮進(jìn)行標(biāo)校，標(biāo)校后在零點、50×10-6、100×10-6、150×10-6、200×10-6等測點進(jìn)行測試[4]。表1為傳感器在各個測試點的數(shù)據(jù)。

6.結(jié)語

本文設(shè)計的一氧化氮傳感器已通過國家檢測中心各項檢驗，并取得安標(biāo)證，由于該傳感器具有測量精度高、穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)等特點，目前已經(jīng)在煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和非煤礦山安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]Bonn.Health Aspects of Air Pollution with Particulate Matter，Ozone and Nitrogen Dioxide.2008.

[2]袁友祥，劉佳，要建東.基于C8051F021單片機(jī)的多通道氣體監(jiān)測儀設(shè)計[J].石油機(jī)械，2011，39（9）：41-43，49.

[3]劉炎，張立斌，蔣澤.具有溫度及壓力補(bǔ)償?shù)牡V用紅外甲烷傳感器設(shè)計[J].工礦自動化，2012，38（6）：7-10.

[4]陳曉霞.一氧化氮電化學(xué)傳感器及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2006（06）.

項目來源：天地（常州）自動化股份有限公司科研基金項目（項目編號：13SY001）。

作者簡介：劉炎，男，湖南衡陽人，工程師，主要從事煤礦自動化技術(shù)研究工作。