光干涉甲烷測定器檢定儀

中煤科工集團重慶研究院有限公司 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 唐 瓚

光干涉甲烷測定器檢定儀

中煤科工集團重慶研究院有限公司 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 唐 瓚

光干涉甲烷測定器檢定儀用于檢定、校準光干涉式甲烷測定器，可供煤礦安全儀表計量站（室）及相關計量檢測機構等單位使用，確保了量值傳遞的準確可靠，保證了煤礦的安全生產工作。本文中詳細介紹了光干涉甲烷測定器檢定儀的工作原理和研制過程。

電路；光干

1 概述

光干涉甲烷測定器是煤礦井下大量使用的測定礦井空氣中甲烷含量的儀器,其量值的準確性直接影響礦井中甲烷濃度的測量,對煤礦安全生產起著巨大的影響。目前光干涉甲烷測定器的檢定工作主要由全國各礦務局通風實驗室礦山計量站承擔。為確保光干涉甲烷測定器量值統一可靠,國家礦山安全計量站建立了甲烷測量儀表行業的最高計量標準,作為統一全國礦山甲烷測量儀表量值的依據。并研制生產了干涉甲烷測定器檢定儀作為全國各礦務局通風實驗室礦山計量站檢定光干涉甲烷測定器的標準裝置。

圖1 檢定儀原理圖

2 檢測裝置的工作原理

檢定儀工作原理如圖1所示,分別由壓力傳感器、溫度傳感器檢測光干涉甲烷測量氣室的壓力和檢定環境溫度,將檢測到的壓力、溫度轉換成電信號,經信號處理單元放大、A/D轉換后,再由微處理器直接計算出對應于該壓力、溫度下以體積分數表示的甲烷濃度值,并顯示出來。

甲烷濃度與壓力、溫度的對應關系式:

X=p/[1.7666(273+t)]

X-甲烷濃度,P-壓力,t-溫度。

3 電路系統的設計

電路系統設計主要包括:數據采集電路、數據顯示電路和電源管理電路等幾部分組成。

3.1 數據采集電路

數據采集電路主要功能:將壓力傳感器傳來的電流信號轉換為電壓信號,然后對轉換后的電壓信號進行A/D變換,將電壓信號變換為數字信號以方便后續對數據進行處理運算。

數據采集電路基于ADuC845單片機為核心部分: ADuC845是美國AD公司新推出的一款非常靈活的高性能的單片機。

數據采集部分電路如圖2所示。

3.2 數據顯示電路

根據外觀和顯示數據的大小,本設計中數據顯示采用12864J-1點陣型液晶顯示模塊。

3.3 電源管理電路

在本設計中微處理器芯片采用的是DC5V供電,點陣型液晶顯示模塊12864J-1采用的是DC5V供電,壓力傳感器采用的是DC12V供電;為了滿足電路中各功能模塊的供電需求以及儀器便于攜帶,因此需要對電源管理電路進行針對這2方面的設計。

3.3.1 電池的選型

在本設計中,整個電路最大能耗電流在200mA左右,因此選擇12VDC電壓4Ah的鉛酸蓄電池,使整個儀器在最大能耗的情況下可以使用20個小時。

3.3.2 電路部分各分離元件供電需求DC-DC變換設計

在本設計中微處理器芯片采用的是DC5V供電,字符型液晶顯示模塊12864J-1采用的是DC5V供電,壓力傳感器采用的是DC12V供電;壓力傳感器直接用鉛酸蓄電池的12VDC直接供電。單片機和溫度傳感器,顯示模塊等采用7805將12VDC轉為5VDC供電。

4 單片機軟件系統

圖2 數據采集電路圖

圖3 整機布置圖

單片機軟件系統應用c語言編程開發,采用模塊化結構,分為:單片機Aduc845片內各模塊初始化、點陣液晶顯示模塊12864J-1初始化、壓力傳感器數據計算、電池剩余電量計算,溫度傳感器模塊SHT75的初始化、溫度的計算、甲烷濃度的計算以及數據顯示程序等幾個模塊組成。

5 壓力傳感器

本方案選用擴散硅壓力變送器,該壓力變送器采用具有國際先進水平的傳感器,配合高精度電子元件,經嚴格的工藝過程裝配而成。采用無中介液的壓力測量技術,抗過載和抗沖擊能力強,溫度飄移小,穩定性高,具有很高的測量精度。

6 溫度傳感器

在充分考慮供電電壓、功耗和精度的基礎上,我們選擇了瑞士Sensirion數字溫濕度傳感器SHT75,該傳感器具有以下特點:

溫度測量范圍:-40～+123.8℃;

溫度測量精度:±0.3℃(25℃);

供電電壓2.2V到3.6V;

低功耗(typ.30μW);

響應時間:〈4s;

可完全浸沒。

7 整機外觀設計

7.1 機箱設計

考慮本儀器的便攜性,我們采用了一體化機箱設計。機箱布置設計如圖3所示:

7.2 按鍵設計

按鍵采用PVC觸摸鍵設計,具有防水、防塵的功能。同時,觸摸鍵的使用壽命比普通機械開關要長,且體積小、重量輕。

8 結論

便攜式光干涉甲烷測定器檢定儀具有測量數據精確可靠,操作方便、重量輕、攜帶方便等優點,達到國內領先水平,具有較強的市場競爭力。

便攜式光干涉甲烷測定器檢定儀的研究工作不但可以提高國家礦山安全計量站在全國礦山安全計量行業中的地位,而且對推動煤礦行業計量檢定技術水平的發展也能起到積極的作用,使煤礦行業計量檢定工作上到一個新臺階。同時也確保了量值傳遞的準確可靠,保證了煤礦的安全生產工作。

唐瓚（1982—），男，重慶市人，工程師，畢業于中國礦業大學，主要從事礦用產品檢測檢驗技術和裝置的科研開發工作。