瓦斯傳感器的抗干擾技術(shù)研究

劉海瑞

（西山煤電太原選煤廠， 山西 太原 030023）

引言

目前，在我國綜采工作面中，主要采用瓦斯傳感器監(jiān)測工作面的瓦斯?jié)舛戎怠５牵趯嶋H綜采工作面中，往往會存在有內(nèi)部或者外部的電氣干擾因素對瓦斯傳感器的精度造成影響。影響傳感器精度的干擾因素主要有煤炭綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、元器件類型、制造工藝以及綜采工作面供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素[2]。因此，為了保證煤炭綜采工作面瓦斯傳感器的監(jiān)測精度，必須對瓦斯傳感器做相應(yīng)的抗干擾處理。

1 抗干擾技術(shù)在測量系統(tǒng)應(yīng)用的功能

測量系統(tǒng)能作為整個測控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要功能是將綜采工作面瓦斯?jié)舛取囟鹊雀黜椫笜?biāo)值采集、處理后傳送至上位機。經(jīng)研究，影響測量系統(tǒng)精度的因素主要有，傳感器自身的精度指標(biāo)、元器件的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)傳輸過程中的干擾因素。針對此類干擾因素，對測量系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行線性化處理、對傳輸線路進(jìn)行屏蔽處理以及采取相應(yīng)的濾波技術(shù)和校正手段提高測量系統(tǒng)的精度。

1.1 實現(xiàn)傳感器的線性化處理

在實際工程應(yīng)用中，傳感器的測量輸出值與實際被測值存在有一定的非線性誤差。因此，為了提高傳感器的測量精度，對上述存在的非線性誤差進(jìn)行線性處理，即非線性補償。一般應(yīng)用中，常采用額補償手段有軟件補償法和硬件補償法[4]。

對于瓦斯傳感器而言，將被測瓦斯的濃度值轉(zhuǎn)換為電量值，通過電量值反應(yīng)實時的瓦斯?jié)舛戎怠榱吮ＷC電量的輸出值與瓦斯?jié)舛戎档木€性關(guān)系，瓦斯傳感器設(shè)計有相關(guān)了非線性補償環(huán)節(jié)和非線性反饋環(huán)節(jié)。且在對瓦斯傳感器靜特性研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過圖解或者解析法得到非線性補償環(huán)節(jié)的靜特性。

1.2 實現(xiàn)傳輸線路的屏蔽處理

為了保證信號在傳輸過程中不受外界環(huán)境的干擾，對信號傳輸線采取屏蔽處理的技術(shù)。常采用屏蔽雙絞線，該線既可以抑制靜電的干擾，又可以抑制電磁感應(yīng)干擾。除此之外，還應(yīng)對測量電路附近的屏蔽體采用接地的處理方式。有試驗表明，將屏蔽體接地處理后，信號被干擾的程度明顯降低。

1.3 實現(xiàn)濾波技術(shù)的引入及零位誤差的修正

針對A/D采集的模擬量中間摻雜一定的噪聲干擾信息，因此需采用濾波技術(shù)。瓦斯傳感器中引入低通開關(guān)電容濾波器。經(jīng)實驗表明，該濾波器的引入大大的降低了模擬信號的峰峰電壓值。

由于在實際的采樣過程中存在有零位誤差，使得零位輸出值不為零。因此，在采集過程中，將零位誤差存入寄存器中，每次讀取的數(shù)據(jù)值減去寄存器中的數(shù)值即完成了零位校正。此外，放大器在工作之前需進(jìn)行零位校正，進(jìn)而消除放大器的零位誤差。

2 硬件抗干擾技術(shù)在瓦斯傳感器的應(yīng)用

主要從改進(jìn)瓦斯傳感器測控系統(tǒng)的可靠性、改善時鐘電路的配置以及完善復(fù)位電路參數(shù)三個方面改善其抗干擾能力。

2.1 微機測控系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

經(jīng)研究表明，制約微機測控系統(tǒng)的影響因素主要包括有內(nèi)部和外部兩方面的因素。內(nèi)部因素著重指的是微機測控系統(tǒng)的各零部件的性能以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，外部因素著重指的是微機測控系統(tǒng)工作的外部環(huán)境，包括綜采工作面的電器條件、空間環(huán)境以及機械性能等。因此，在設(shè)計微機測控系統(tǒng)時需本著嚴(yán)格篩選高質(zhì)量、高精度的元器件，盡可能選用集成度高的CMOS元器件。在此基礎(chǔ)上依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行組裝。單片機作為測控系統(tǒng)的核心元器件，保證單片機的抗干擾能力也就直接決定了微機測控系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2 改善時鐘電路的配置信息

時鐘電路是CPU能否正常工作的關(guān)鍵電路，其主要功能是為CPU工作發(fā)起脈沖。綜采工作面的干擾因素影響時鐘電路的正常運行，進(jìn)而影響了瓦斯傳感器的CPU的正常運行。為此，配置時鐘電路時需注意以下幾點：時鐘電路應(yīng)靠近微機測控系統(tǒng)；振蕩電路必須用地線進(jìn)行包圍；振蕩電路選擇高精度的電容原件；電源變壓器應(yīng)遠(yuǎn)離振蕩電路[3]。

2.3 完善復(fù)位電路的參數(shù)設(shè)置

設(shè)計復(fù)位電路時，需根據(jù)實際振蕩電路的頻率選擇合適的電容、電阻參數(shù)，保證具有滿足設(shè)計要求寬度的脈沖低電平，進(jìn)而確保復(fù)位電路能夠高效運行。以某51單片機為例，脈沖低電平的寬度應(yīng)不小于設(shè)備的兩個周期。總之，在實際的應(yīng)用中，為保證設(shè)備的可靠性，需對電源穩(wěn)定時間、晶振穩(wěn)定時間有充足的余量。

3 軟件抗干擾技術(shù)在瓦斯傳感器中的應(yīng)用

瓦斯傳感器的是通過測量催化元件的阻值實現(xiàn)對綜采工作面瓦斯?jié)舛鹊臏y量。在理想狀態(tài)下，催化元件的阻值與瓦斯?jié)舛仁浅示€性關(guān)系的（如圖1中的實線所示），而在實際工作中，瓦斯?jié)舛戎蹬c催化元件的阻值關(guān)系如圖1中的虛線所示。

圖1 瓦斯?jié)舛戎蹬c催化元件阻值的關(guān)系曲線

因此，為了保證測量精度，在實際測量過程中常采用查表法、分段折線擬合法對結(jié)果進(jìn)行軟件處理。一般，根據(jù)不同的精度要求，將曲線分隔成不同數(shù)目的n段（精度越高，n值越大），而后通過多次試驗將輸入值與輸出的值存于寄存器中，最終得出瓦斯?jié)舛扰c催化元件阻值的關(guān)系如式（1）所示：

其中：φk為k+1段的瓦斯?jié)舛戎担沪読為實測瓦斯?jié)舛戎担沪誯+1為k+1段處的瓦斯?jié)舛戎担籸k為k段催化元件的阻值；rk+1為k+1段催化元件的阻值；ri為i段催化元件阻值。

傳感器線性處理的流程為：首先采用查表法判斷電阻值所在曲線的哪個段落，而后基于式（1）對瓦斯?jié)舛戎颠M(jìn)行精確計算。

瓦斯?jié)舛戎档淖兓鄬徛趯嶋H測量過程中可以采用程序判斷濾波法實現(xiàn)對模擬信號的抗干擾處理。而對于瓦斯壓力參數(shù)而言，其變化相對較快。因此，在實際測量過程中常采用加權(quán)平均濾波法或者復(fù)合濾波法對進(jìn)行抗干擾處理[5]。綜采工作面的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑捎昧顺绦蚺袛酁V波和算術(shù)加權(quán)平均濾波法的結(jié)合對采集的信號進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)而消除隨機干擾帶來的誤差。

4 結(jié)語

瓦斯傳感器作為監(jiān)控煤炭綜采工作面的瓦斯?jié)舛取毫Φ葏?shù)的各項指標(biāo)值，其測量精度直接決定著煤炭綜采工作面的安全生產(chǎn)。鑒于綜采工作面的外部因素和傳感器內(nèi)部因素對傳感器測量精度的干擾，文章從硬件和軟件兩個角度進(jìn)行抗干擾，從而有效阻止了干擾因素對傳感器的干擾。