基于脉冲供电的便携式甲烷检测仪_周德胜.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 基金项目 国家科技重大专项资助项目2016ZX05045006 基于脉冲供电的便携式甲烷检测仪 周德胜， 梁光清， 郭清华 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039） 摘要 设计了一款低功耗全量程便携式甲烷检测仪， 该便携仪选用低功耗 MEMS 催化元件作 为主要敏感元件， 采用脉冲供电的方式进一步降低整机功耗。详细叙述了便携仪的总体设计方 案、 主要硬件电路以及核心数据处理算法。试验结果表明 设计的便携仪测量精度高， 平均功耗 低， 连续工作时间长， 完全满足煤矿井下工作人员对所处环境甲烷浓度监测的需求。 关键词 甲烷便携仪； MEMS 甲烷元件； 脉冲供电； 低功耗； 全量程 中图分类号 TD679文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0093-04 Design of Portable Methane Instrument Based on Pulse Power Supply ZHOU Desheng, LIANG Guangqing, GUO Qinghua （China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute Co., Ltd., Chongqing 400039, China） Abstract A novel low power consumption portable methane instrument is designed, which uses the MEMS catalytic methane detector as the main sensitive component, and uses pulse supply to reduce power consumption. In this paper, the overall design scheme, primary circuit and the most important algorithm is described. The test results show that the designed portable instrument has high precision, low power consumption, long working time, and can fully meet the requirements of underground workers in coal mine for monitoring the ambient methane concentration. Key words portable methane instrument; MEMS element; pulse power supply; low power consumption; full-scale 我国煤矿大部分为井工开采，尽管煤矿井下环 境和生命安全监测系统逐渐普及，技术逐步提高， 煤矿事故大幅度下降，但煤矿安全事故仍然时有发 生[1-2]。煤矿安全事故中瓦斯事故总量最多， 瓦斯 （甲 烷） 监测是井下环境安全监测的重中之重，为保证 井下工作人员的生命安全，应要求下井人员必须随 身携带具有报警功能的甲烷监测设备，因此，设计 一款功耗低， 连续工作时间长， 稳定性高， 价格便宜 的便携式甲烷监测设备具有重要意义。 煤矿井下的甲烷监测主要有红外、激光、电化 学、 催化等技术[3-4]。红外和激光由于其较高的测量 精度被大量应用于对测量精度要求较高的场所， 但 目前采用这 2 种原理的元件功耗都很大， 价格昂贵， 不适用于数量需求大，功耗要求低的便携式设备， 电化学和传统的催化元件虽然价格便宜，但同样功 耗巨大。兼顾成本和功耗，选用价格便宜功耗较低 的新型 MEMS 催化甲烷元件作为主要敏感元件设 计一款便携式甲烷检测仪 （以下简称便携仪） ， 且以 脉冲方式给元件供电以降低功耗。为弥补 MEMS 催 化元件测量范围只覆盖 0 到 5的局限，当浓度较 高的时候，采用热导元件进行检测，将便携仪的测 量范围扩展到 0 到 100[5]。 1便携仪总体方案 基于脉冲供电的便携式甲烷检测仪原理如图 1， 便携式甲烷检测仪主要由电池模块、 显示模块、 蓝牙模块、 电源管理电路、 信号处理电路、 调零电路 和敏感元件等组成，各部分均选用低功耗元器件， 通过合理的低功耗电路设计和模块工作节奏调度， 在保证较高的检测精度下使便携仪整机功耗达到最 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.019 周德胜， 梁光清， 郭清华.基于脉冲供电的便携式甲烷检测仪 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 93-96. ZHOU Desheng, LIANG Guangqing, GUO Qinghua. Design of Portable Methane Instrument Based on Pulse Power Supply ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 93-96. 移动扫码阅读 设计 开发 93 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 低。便携仪具有浓度曲线记录功能，开机之后在实 时检测所处空气环境中甲烷浓度的同时将浓度特征 值和时间记录在 flash 中， 当开启蓝牙功能后可通过 其他蓝牙设备读取便携仪中记录的浓度信息。 便携仪以 32 位单片机 EFM32TG11B140 为主控 芯片， 该芯片是一款专为超低功耗应用设计的 ARM Cortex M0核处理器， 在 active 模式下， 功耗仅为 37 μA/MHz，在 EM2 深度睡眠且保持 RTCC 运行模式 下功耗低至 1.3 μA，非常适合所设计的便携仪需 求。 芯片内置 12 位低功耗 ADC 采样通道， 能够同时 对电池电压，甲烷元件信号等多路模拟量高精度采 样， 芯片内置 RTCC 时钟模块， 方便实现时钟功能和 定时唤醒功能。 2敏感元件 兼顾成本和功耗， 选用新型 MEMS 催化甲烷元 件作为便携仪的低浓度敏感元件。MEMS 催化元件 体积小， 功耗低， 零点漂移小， 线性度好， 抗震动能 力强， 非常适合在煤矿井下使用[6-7]。MEMS 催化元 件采用蚀刻工艺将 “催化珠” 印制在硅片上， 大大提 高了元件的一致性，解决了传统催化元件悬挂式催 化珠震动易断丝的问题，该工艺下催化珠有更优异 的加热性能和热保持性能，灵敏度可达 13 mV/1 以上，甲烷在催化燃烧时可以迅速加热硅片上的电 阻桥进而达到热平衡。MEMS 催化元件优异的热效 应极大的降低了催化珠加热到指定温度所需要的电 能， 其在 3 V 恒压供电下功耗低至 120 mW 左右， 不 到传统催化元件的 1/3[8-9]。 MEMS 催化元件精度较高，多用于测量爆炸极 限范围内的甲烷浓度，当甲烷浓度较高时，剧烈燃 烧将破坏催化珠的物理结构，导致催化元件损坏。 热导甲烷元件功耗低，测量范围广，可检测 0 到 100范围的甲烷浓度， 但在甲烷浓度较低时测量误 差较大。结合 2 种元件的优点， 在甲烷浓度低于 4 的时候采用 MEMS 催化元件，当甲烷浓度高于 4 时， 使用热导元件。 3便携仪硬件电路 3.1电源管理电路 便携仪选用高可靠性， 高能量密度， 低温性能良 好且无记忆效应的可充电镍氢电池组件作为电源， 正常工作电压范围 3.3～4.2 V。电池组件输出通过 3 路 LDO 分别给主板， MEMS 催化元件和热导元件供 电， 电源管理电路如图 2。 U1给主板供电， U2给 MEMS 元件供电， U3给热 导元件供电。 其中， U1、 U2的 LP3985 芯片的电压开启 时间仅为 200 μs，输出截止的静态电流小于 1.5 μA， 并且可以通过 EN 引脚控制电压输出， 非常适合 作为 MEMS 元件脉冲供电的脉冲发生器。热导元件 的 U3选用输出电压可调的线性稳压器 TPS77601 供 电， TPS77601 转换效率高， 静态电流小， 具有热保护 功能， 同样可以通过 EN 引脚控制是否给元件上电。 3.2信号处理与调零电路 MEMS 催化元件灵敏度在 13 mV/1左右， 需要 对信号放大处理提高分辨率， 信号放大电路如图 3， 信号放大倍数由 R1、 R2、 R3、 R4决定，其中， CH4为元 件电压信号， ZB 为调零电压。 信号处理电路供电电源 Vx 与元件供电电源相 同， 当元件不工作的时候， 这部分电路也不供电， 以 降低无用电能消耗。由于电路老化和催化剂损耗等 原因， 元件存在缓慢零点漂移， 需要定期进行调零， 调零电路如图 4， 主控芯片通过 DAC 端口输出模拟 图 1脉冲供电的便携式甲烷检测仪原理图 Fig.1Diagram of portable methane instrument 图 2电源管理电路 Fig.2Power management circuit 94 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 3信号放大电路 Fig.3Signal amplifier circuit 电压将 ZB 点电压调节到元件零点需要的电压， 可 通过调节电阻 R8与 R6、 R7的相对大小调节 ZB 点的 电压可调范围和电压分辨率，提高调零效果。热导 元件的灵敏度在 2 mV/1左右， 同样需要对信号放 大， 热导元件采用与 MEMS 元件相同的信号处理和 调零电路， 只是放大倍数和调零参数不一样。 3.3蓝牙模块 为加强井下甲烷浓度监测，提高工人的安全保 障，便携仪具有记录甲烷浓度时间曲线功能。便携 仪正常工作时每隔一定时间记录下当前甲烷浓度值 的特征值和当前时间，并可通过蓝牙通信将记录传 输给其他设备。 蓝牙模块与单片机的连接示如图 5， 该模块支持 5.0 BLE 及 BR/EDR 协议栈，串口波特 率 115 200 bps， 接收灵敏度-96 dBm， 待机功耗 4.2 μA， 深度睡眠功耗低至 0.3 μA。蓝牙模块平时处于 深度睡眠状态以减小功耗，只有在需要的时候才进 行唤醒。 3.4显示电路 便携仪采用 4 位数码管进行显示，其中高位数 码管显示菜单项， 余下 3 位显示数值。为降低功耗， 对数码管采用动态扫面方式进行驱动，显示电路如 图 6。 关机时， 显示模块消耗电流仅为三极管的静态 电流， 小于 1 μA， 开机动态扫描， 同一时刻只有 1 位 数码管亮， 总功耗 2 mA 左右， 可以通过进一步缩短 数码管点亮时间牺牲数码管亮度来降低功耗。 4脉冲供电及软件流程 为降低功耗， 便携仪以脉冲形式给 MEMS 催化 元件供电。催化元件上电都需要一个热平衡过程， MEMS 催化元件只需要 300 ms 就可以达到热平衡， 设计采用 300 ms 高电平， 700 ms 低电平频率 1 Hz 的脉冲给元件供电，元件整体功耗只有恒压供电的 3/10[10]。便携仪在不同甲烷浓度环境下采用不同的 元件进行测量，在浓度低于 4的时候采用 MEMS 催化元件， 当浓度升高到 4以上时， 自动切换为热 导元件。为充分保证 MEMS 催化元件的安全， 切换 时刻不仅需要考虑浓度值的大小，还需要兼顾浓度 图 4调零电路 Fig.4Zero adjustment circuit 图 5蓝牙模块连接图 Fig.5Bluetooth module connection diagram 图 6显示电路 Fig.6Display circuit 95 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 变化率。 便携仪信号采集与数据处理过程如图 7， 浓 度升高时， 大于 3就开始提前预热热导元件， 高于 4立即断电保护 MEMS 元件， 当浓度下降时， 浓度 低于 3且浓度向减小的方向变化时才切换为 MEMS 元件。 5结语 基于脉冲供电的便携式甲烷检测仪采用 MEMS 催化加热导的原理，实现了甲烷浓度的全量程测 量，便携仪在 0 到 1区间测量误差为0.10， 1到 100区间误差为真值的 10，具有较高的测量精 度。便携仪采用低功耗， 低成本的 MEMS 催化元件 作为主要敏感元件，以脉冲的形式给元件供电， 大 大降低了整机功耗。经测试， 3.3 V 供电下， 便携仪 在甲烷浓度不大于 4的环境下整机工作平均电流 约为 16 mA, 在容量 2 100 mAh 的镍氢电池组件供 电下理论上可以连续工作 111 h （一般情况下， 电池 只能释放自身 85的电量） ，实测能连续工作工作 102 h。 设计的便携式甲烷检测仪完全满足煤矿井下 工作人员对甲烷浓度测量精度和待机时长的要求。 参考文献 ［1］ 孙继平.煤矿信息化自动化新技术与发展 ［J］ .煤炭科 学技术， 2016， 44 （1） 19-23. ［2］ 诸利一， 吕文生， 杨鹏， 等.20072016 年全国煤矿事 故统计及发生规律研究 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （7） 237-240. ［3］ 樊荣， 侯媛彬， 郭清华， 等.可调谐半导体激光吸收光 谱式甲烷传感器温度补偿技术 ［J］ .煤炭学报， 2015， 40 （1） 226-231. ［4］ 赵庆川. 基于无线 Mesh 网络技术的一氧化碳传感器 设计 ［J］ .工矿自动化， 2016， 42 （7） 8-11. ［5］ Bo Zhang.Design of Micro Methane Concentration Sens- or Based on FBG ［C］ //2016 International Symposium on Computer, Consumer and Control（IS3C） . IEEE, 2016. ［6］ 孙世岭.基于 MEMS 技术的载体催化甲烷检测元件制 作方法 ［J］ .工矿自动化， 2016， 42 （4） 47-50. ［7］ Arefin M S, Redout J M, uce M R. A Low-Power and Wide -Range MEMS Capacitive Sensors Interface IC Using Pulse-Width Modulation for Biomedical Applicati- ons ［J］ . IEEE Sensors Journal,2016,16 （17 ） 1. ［8］ Pisliakov A V, Sokolov A V, Polovko O V, et al. Perv- aporation unit with MEMS gas sensor for the measure- ment of methane concentration in water ［C］ //2015 IEEE Workshop on Environmental, Energy, and Structural Monitoring Systems. IEEE, 2015 136-140. ［9］ 王丽影， 秦顺利， 马洪宇.矿用 MEMS 甲烷传感器硅微 加热器功率优化设计 ［J］ .工矿自动化， 2018， 44 （10） 23-27. ［10］ 沈国杰.MEMS 低功耗催化甲烷传感器脉冲供电研 究 ［J］ .工矿自动化， 2018， 44 （7） 27-30. 图 7信号采集与数据处理流程图 Fig.7Chart of signal and data processing 作者简介 周德胜 （1987） ， 四川广安人， 助理研究员， 硕士， 2013 年毕业于大连理工大学，现主要从事煤矿瓦斯 灾害治理仪器设备的研究工作。 （收稿日期 2019-06-06； 责任编辑 李力欣） 96 ChaoXing