礦用紅外一氧化碳監(jiān)測儀設(shè)計

賀玉凱

（煤炭科學(xué)研究總院 北京 100083）

近年來紅外氣體傳感器取得很大進(jìn)步，但就光源、探測器、氣體采樣方式、光源調(diào)制等方面還存在許多不足，如光強(qiáng)小、功耗大、探測效率低、溫度漂移大、使用氣泵和管道吸氣方式增加了系統(tǒng)噪聲和電功率、及復(fù)雜機(jī)械式光調(diào)制信號，而井下環(huán)境惡劣，低濃度的一氧化碳?xì)怏w受溫度、濕度影響大[1]。文中選擇進(jìn)口紅外器件，采用紅外發(fā)光二極管作為光源，采用開放式氣室結(jié)構(gòu)，被測氣體經(jīng)擴(kuò)散方式進(jìn)入[2]，軟件上采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對溫度、濕度等干擾因素進(jìn)行補(bǔ)償，因此傳感器具有較高的靈敏度、準(zhǔn)確度、可靠性和性能價格比。

1 礦用紅外一氧化碳監(jiān)測儀系統(tǒng)硬件設(shè)計

礦用紅外一氧化碳檢測儀在煤礦井下長期連續(xù)工作，能自動顯示監(jiān)測到的一氧化碳濃度、初始值的設(shè)定、自動聲光報警、監(jiān)測結(jié)果的存貯、外圍電路控制實現(xiàn)一氧化碳濃度的超限排放、溫度和濕度檢測及數(shù)據(jù)結(jié)果上傳地面監(jiān)測系統(tǒng)等等[3-4]，其系統(tǒng)框圖如圖 1所示。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮

新型礦用紅外一氧化碳監(jiān)測儀整機(jī)設(shè)計成本質(zhì)安全型，考慮到井下供電方式、安裝位置、使用習(xí)慣等特點，紅外一氧化碳檢測儀設(shè)計成便攜式檢測系統(tǒng)，電源采用自帶電源的方式，可以采用干電池、鋰電池等、或高能可充電電池組，保障儀器工作時間大于48小時，使工作人員有充裕的時間完成相應(yīng)的操作和數(shù)據(jù)處理，考慮到整機(jī)節(jié)能的需要，檢測系統(tǒng)電路采用微功耗并能在低電壓下工作的集成元器件。保證儀器輕便、操作簡潔、便于懸掛。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計成防爆結(jié)構(gòu)與防塵結(jié)構(gòu)，主機(jī)設(shè)計成全封閉形式，光學(xué)系統(tǒng)與主機(jī)為一體，底端是氣室，安放紅外傳感元件和光源及光學(xué)系統(tǒng)，被測氣體由擴(kuò)散方式進(jìn)入氣室。經(jīng)過防塵、防潮處理后氣室部分與外界直接接觸，所以整機(jī)的抗干擾能力、防塵防水防潮能力很強(qiáng)。

圖1 紅外一氧化碳監(jiān)測儀框圖Fig.1 Block diagram of carbon monoxide monitoring instrument

1.2 信號放大電路設(shè)計

紅外一氧化碳探測器輸出的信號很弱，必須經(jīng)過放大后才能對其進(jìn)行處理。由于紅外探測器本身存在探測精度問題，而且由于物理特性其精度難以提高，要保證精度能滿足要求，前置放大電路中的放大器采用兩級具有低失調(diào)、低溫漂、高增益、共模抑制比及電源電壓抑制比高的放大器。如圖2所示。

圖2 信號放大電路Fig.2 Signal amplifier circuit

1.3 聲光報警電路設(shè)計

該模塊主要由比較電路、振蕩電路、聲光報警驅(qū)動電路組成。用比較電路的電位器設(shè)定報警點和電池欠壓點。單片機(jī)對檢測得到的CO濃度數(shù)值，設(shè)計了進(jìn)行相應(yīng)判斷處理的程序。系統(tǒng)檢測到氣體濃度超過標(biāo)準(zhǔn)時，自動發(fā)出聲音和光信號報警，及時提醒工作人員做好安全防護(hù)。圖3給出了系統(tǒng)的聲光報警電路。

圖3 系統(tǒng)聲光報警電路Fig.3 Sound－light alarm circuit of the system

1.4 結(jié)果顯示與數(shù)據(jù)上傳

紅外一氧化碳監(jiān)測儀實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)并顯示監(jiān)測到的氣體濃度值，同時通過傳輸接口將數(shù)據(jù)上傳到地面監(jiān)控中心，通過結(jié)果上傳，便于系統(tǒng)的整體調(diào)度和綜合管理，對增強(qiáng)系統(tǒng)實時處理能力，對于一些需要及時決策的重要信息，便于及時控制事態(tài)發(fā)展，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理。

2 礦用紅外一氧化碳監(jiān)測儀軟件設(shè)計

礦用紅外一氧化碳監(jiān)測儀軟件設(shè)計包括主控程序模塊設(shè)計、初始化設(shè)定子模塊、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理子模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)查表與濃度顯示子模塊、聲光報警與外部設(shè)備控制子模塊設(shè)計。本文給出主控模塊設(shè)計和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償模塊設(shè)計。

2.1 主控模塊設(shè)計

設(shè)計如圖4所示。

2.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償模塊設(shè)計

樣本數(shù)據(jù)獲取：

1）將紅外一氧化碳傳感器置于溫度試驗箱內(nèi)，設(shè)溫度箱的溫度為5℃。

2）待溫度穩(wěn)定后（約2小時），通入100 ppm的一氧化碳?xì)怏w。

圖4 主控程序流程圖Fig.4 Flow chart main program

3）向?qū)嶒炏鋬?nèi)通入水汽，使?jié)穸葹?0%RH，待濕度穩(wěn)定后，分別測出溫度傳感器、濕度傳感器、紅外探測器輸出的電壓值，記為 Vt，Vh，Vs。

4）改變濕度值，依次測出每個濕度值對應(yīng)的Vt，Vh，Vs

5）返回步驟2）依次通入其他濃度的氣體，重復(fù) 3）、4）步驟

6）返回步驟 1）依次調(diào)整到各個溫度值，重復(fù) 2）～5）步。這樣共得到175組樣本數(shù)據(jù)。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能以任意精度逼近任意非線性連續(xù)函數(shù)。因此，衡量它的性能，可以通過它對函數(shù)的逼近能力來考察。而網(wǎng)絡(luò)的性能主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)的速度、學(xué)習(xí)的精度、網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)的泛化能力等方面[5－6]。

首先從175組樣本數(shù)據(jù)中選出100組樣本數(shù)據(jù)用于網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，另外75組數(shù)據(jù)用于網(wǎng)絡(luò)測試。根據(jù)訓(xùn)練樣本集，采用最大最小距離法確定聚類個數(shù)，流程圖如圖5所示，聚類中心參數(shù)計算方法流程如圖6所示。

圖5 最大最小距離算法流程圖Fig.5 Flow chart of the max－min distance arithmetic

圖6 聚類中心算法流程圖Fig.6 Flow chart of clustering centers arithmetic

3 礦用紅外一氧化碳監(jiān)測儀準(zhǔn)確性實驗

為了驗證礦用紅外一氧化碳檢測儀準(zhǔn)確性，在不同的環(huán)境下對整機(jī)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行測試，實驗時，干擾量環(huán)境溫度變化范圍是5～40℃、環(huán)境濕度變化范圍是60%～95%RH，選取3個樣品標(biāo)定值為0.1%、0.17%、0.31%，共測得8組實驗數(shù)據(jù)，如表1所示。從所得到的數(shù)據(jù)表可以看出：3個標(biāo)準(zhǔn)氣樣中測得誤差小于±0.039%，最大方差為3.7×10-4，說明新型紅外一氧化碳檢測儀性能良好，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)波動小，測試數(shù)據(jù)滿足精度要求。

表1 整機(jī)性能測試表Tab.1 Table of performance test

4 結(jié) 論

文中進(jìn)行了礦用紅外一氧化碳監(jiān)測儀部分硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算發(fā)設(shè)計，所設(shè)計的樣機(jī)具有選擇性好，不會中毒老化，精度高，壽命長、抗干擾能力強(qiáng)、可連續(xù)在線測量等優(yōu)點，在設(shè)計中充分考慮了礦井CO檢測環(huán)境濕度大、粉塵嚴(yán)重的特點，采用最大最小距離法和k-means算法相結(jié)合的混合學(xué)習(xí)算法進(jìn)行溫度、濕度補(bǔ)償，實驗分析結(jié)果表明，新型紅外一氧化碳檢測儀性能良好，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)波動小，測試數(shù)據(jù)滿足精度要求。

[1]王汝琳，王詠濤.紅外檢測技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]張永懷，白 鵬，林繼鵬，等.一種新型多組分氣體傳感器[J].光電工程，2004，31（1）：65-68.ZHANG Yong-huai，BAI Peng，LIN Ji-peng， et al.A novel IR multicomponent gas sensor[J].Opto-Electronic Engineering，2004，31（1）：49-51.

[3]劉中奇，王汝琳.基于紅外吸收原理的氣體檢測[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33（1）：23-25.LIU Zhong-qi，WANG Ru-lin.Gas detection based on infrared absorption principal[J].Coal Science and Technology，2005，33（1）：23-25.

[4]張景超，劉瑾，王玉田，等.新型光纖CO氣體傳感器的研究[J].光電子·激光，2004，15（4）：428-431.ZHANG Jing-chao，LIU Jin，WANG Yu-tian， et al.Study on a novel optical fiber co gas sensor[J].Journal of Optpelectronics，Laser，2004，15（4）：428-431.

[5]張廣軍，武曉利.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的紅外二氧化碳傳感器數(shù)學(xué)模型[J].儀器儀表學(xué)報，2004，25（1）：72-74.ZHANG Guang-jun，WU Xiao-li.Mathematic model of IR carbon dioxide sensor based on RBF neural network[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2004，25（1）：72-74.

[6]童敏明，張愉，齊美星.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可燃混合氣體分析方法的研究[J].計量學(xué)報，2006，27（2）:169－171.TONG Min-ming，ZHANG Yu，QIMei-xing.Themixed inflammable gas analysis based on BP neural network[J].Acta Metrologica Sinica，2006，27（2）:169－171.