基于时分补偿原理的瓦斯检测方法.pdf

第3 7 卷第1 期 2 0 0 8 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 基于时分补偿原理的瓦斯检测方法 尹洪胜1 ，刘秀荣2 ，钱建生1 ，华 1 ．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ． 钢1 ，徐永刚1 V 0 1 ．3 7N o ．1 J a n ．2 0 0 8 中国矿业大学图书馆，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要基于时分信号处理方法和桥路平衡补偿思路，提出用时分补偿原理改善电源波动对催化 瓦斯传感器的稳定性和精度造成的影响．利用微处理器实现时分补偿对瓦斯的检测，提出了2 种 A ／D 转换积分算法．结果表明新型检测方法将桥路电压的测量转化为基于微处理器的时间测 量，消除了电源波动的影响，其精确度比传统测量方法提高约1 ．5 倍，稳定性提高约3 倍． 关键词煤矿；瓦斯传感器；时分补偿；微处理器 中图分类号T P2 1 2 ．2 ；T D7 6文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 1 0 0 4 8 0 5 D e t e c t i o nM e t h o do fM e t h a n eB a s e do na T i m e D i v i s i o nC o m p e n s a t i o nP r i n c i p l e Y I NH o n g s h e n 9 1 ，L I UX i u r o n 9 2 ，Q I A NJ i a n s h e n 9 1 ， HU AG a n 9 1 。X UY o n g g a n 9 1 1 ．S c h o o lo fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u 。J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；2 ．L i b r a r yo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt og e to v e rt h ee f f e c t so fp o w e rs u p p l yf l u c t u a t i o no nt h es t a b i l i t ya n dp r e c i s i o no fc a t a l y t i cg a ss e n s o r s ，ap r i n c i p l eo ft i m e d i v i s i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do nt h es i g n a l p r o c e s so ft i m e d i v i s i o na n dt h eb a l a n c ec o m p e n s a t i o no fb r i d g ec i r c u i tw a sp r o p o s e d ．M a k i n g u s eo ft h em i c r o p r o c e s s o r ，an e wm e t h o do fm e t h a n ed e t e c t i o nb a s e do nt h et i m e d i v i s i o nC O m p e n s a t i o np r i n c i p l ew a sr e a l i z e d ．T w ok i n d so fA ／Di n t e g r a la l g o r i t h mw e r ep r o p o s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sd e t e c t i o nm e t h o dc o n v e r t e dt h ev o l t a g em e a s u r e m e n to fb r i d g ec i r c u i ti n t o t h et i m em e a s u r e m e n to fm i c r o p r o c e s s o r b a s e d ，a n de l i m i n a t e dt h ee f f e c to fp o w e rs u p p l yf l u e t u a t i o n ．T h ep r e c i s i o nw a si n c r e a s e db y1 ．5t i m e sa n ds t a b i l i t yw a si n c r e a s e db y3t i m e sc o r n p a r e dw i t ht h a tu s i n gt h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o n ． K e yw o r d s c o a lm i n e ；m e t h a n es e n s o r ；t i m e d i v i s i o nc o m p e n s a t i o n ；m i c r o p r o c e s s o r 煤矿瓦斯监测系统极大地改善了矿井安全状 况，对于防止重大瓦斯事故的发生和保障煤矿安全 生产发挥了极为重要的作用．然而其中最为关键设 备瓦斯传感器，目前普遍采用催化元件 俗称黑白 元件 作为一次敏感元件，现场使用表明该类传感 器普遍存在着稳定性差、测量精度低、寿命短、调校 周期短和调校过程麻烦等问题1 1 卅，给煤矿安全生 产带来一定的隐患．因此研究新型矿用瓦斯传感器 具有重要现实意义． 研制高性能瓦斯传感器，通常有2 种途经[ 1 。5 ] ． 一是研制高性能的一次敏感元件，它往往涉及材 料、工艺等许多方面，短时间内要有较大的突破是 很困难的．二是使用新型高性能测量电路来弥补一 次敏感元件的不足，使整机性能有较大提高．基于 催化元件检测瓦斯，目前国内外普遍采用传统的电 桥检测方法[ 1 书] ，上述瓦斯传感器缺陷较难解决；文 收稿日期2 0 0 7 一0 3 一0 3 基金项目国家自然科学基金重点项目 7 0 5 3 3 0 5 0 作者简介尹洪胜 1 9 6 7 一 ，男，江苏省沛县人，副教授，博士研究生，从事监测监控、信息处理及计算机网络通信方面的研究 E m a i l x u z h o u y h s s i n a ．c o r nT e l 0 5 1 6 - 8 3 8 8 5 9 9 3 万方数据 第1 期 尹洪胜等基于时分补偿原理的瓦斯检测方法 献[ 1 ] 提出了新型的定压检测方法，研究结果表明 灵敏度及稳定性均有较大改善．本文亦采用传统的 催化元件，提出了一种基于时分补偿原理的新型测 量方法．该方法将桥路电压的测量转化为基于微处 理器的时间测量，能极大地提高瓦斯传感器的稳定 性和精度．将该方法用于瓦斯检测，除作者曾在文 献I - 9 ] 稍作探讨外，目前尚未见于其它文献． 1 传统瓦斯传感器测量电路及其改进电路 1 ．1 传统测量电路 传统瓦斯传感器普遍基于催化燃烧式气体检 测原理，利用敏感元件对甲烷的催化作用，使甲烷 在元件表面上发生无焰燃烧，放出热量，使元件温 度上升，根据检测元件之电阻变化测定瓦斯浓度， 测量桥路如图1 所示，由催化元件 黑元件 、补偿 元件 白元件 和桥臂电阻组成[ 4 ’7 ] ．该桥路输出电 压 该桥路输出电压 u 。一百群去叱 3 同样可简化为 u 。一堡2 R u 。。C c ． 4 式 3 ， 4 表明，同样供电电压下桥路输出电 压提高了一倍。其分辨率、精度得到了提高． 图2改进测量电路 F i g ．2I m p r o v e dm e a s u r i n gc i r c u i t 2 基于时分补偿原理的新型瓦斯传感器 u 。一研A R z 似U 。． 1 2 ．1 时分补偿概念 一般情况F 满量程时，△R 不足0 ．7Q ，而R 为数十Q ，0 ≤竽≤0 ．0 2 z | ，因此式 1 简化为 U 。≈篙仉。c c ． 2 式 2 表明，当空气中无瓦斯时，桥路平衡，输 出电压U 。一0 ；当空气中有瓦斯时，桥路输出一个 不平衡电压U 。，由于等正比于空气中的瓦斯浓度 C 。所以官亦正比于率气中的瓦斯浓度C ． 图1传统测量电路 F i g ．1 T r a d i t i o n a lm e a s u r i n gc i r c u i t 由于传感器工作环境恶劣，桥路供电电源U 。 的波动直接影响到电桥输出电压U 。；同时，也由于 工作电压U 。达不到标准，催化元件对瓦斯氧化燃 烧的速率 活性 降低，电桥阻值的变化量△R 减 小，也将影响电桥输出电压【，。．因此测量的稳定性 和精度受电源的影响较大． 1 ．2 改进测量电路 为提高测量精度，在传统测量电路基础上，将 桥臂电阻全部更换为2 对黑白元件，如图2 所示． 新型瓦斯传感器的测量，基于补偿桥路不平衡 输出仉的原理凹1 1 | ，参照图3 ．它是为了补偿传统 测量桥路的不平衡输出，在催化元件上并联一个可 调的电阻R ，，通过调整R ，的值，直至桥路输出U 。 一0 ，实现桥路的完全补偿．对应于不同的瓦斯浓 度，传统测量桥路的不平衡输出将不相同．为了在 全量程范围内逐一补偿这些数值不等的平衡输出 外，除了逐次调整R 。的值外，还可以在固定R 。一 K R K 为常数 的情况下，通过调整R 。与催化元件 的并联接通时间来实现．即开关S 在一个测量周期 T 内，r 时间接通对桥路输出进行补偿，T r 时间 断开不进行补偿，使桥路输出己，。的平均值为0 ，实 现完全补偿。此时桥路交替输出两种不同信号，分 别在不同的时间片向后传递，因此称之为“时分补 偿”． 图3基于时分补偿原理的测量电路 F i g ．3M e n s u r i n gc i r c u i tb a s e don t i m e d i v i s i o nc o m p e n s a t i o n 2 ．2 实现原理 作者曾在文献E 9 - 1 中，研究了对传统测量桥路 万方数据 5 0中国矿业大学学报第3 7 卷 如图1 的单臂补偿．根据前面的分析，对改进电 路 如图2 之双臂进行补偿，如图4 所示，其分辨 率、精度亦能得到较大提高．它是在一个测量周期 T 内，开关S 在r 时间接通1 触点，此时桥路输出记 为U 。。；开关S 在T r 时间接通2 触点，此时桥路 输出记为U 。。．根据时分补偿概念，在丁内实现完 全补偿，在某种意义上就是要求U 。的平均值为0 ， 即 r fr T1 U 。一 Iu 。1 出 Iu 。2d ￡ i 1 0 ， 5 J 0Jr』 由于 R △R K R 己，。1 一了R ． L K A 十R △K K J R A KU s 一F 而R 2 R A R 【，。． 6 。“ p L K 十△K J A K 。”⋯7 一IR A R K R ％两R 十A 叫R u s 一鬲R 礁 K R 叱 7 记z 一百A R ，则式 6 化简为 ～U o l 一面袁寿滁岩‰叱㈣一琢了可≯干可万F 瓦i i i 孤U 8 妯’ 同理可得 比一若瓮珲蔷等‰％㈤U 0 2 一琢耳面7 干瓦萨面瓦干丽U 5 u ’ 将式 8 ， 9 代人式 5 可得 去一鉴尝K x 等2 娑K 渊1 4 - 1 ， 1 0 T r一2 一 一 z ⋯～ 所以 手一坠譬舛黔3 x 掣2 ．Ⅲ， 丁z 2 ‘⋯7 由于z 一竽，△R R ，式 1 1 简化为 手≈i 1 K 1 管 半 等 2 ， 1 2 可进一步简化为 手≈虿1 K 1 警． 1 3 对照式 2 ， 4 ，式 1 3 表明手与空气中的瓦 斯浓度C 成线性关系式，x - ￡ 1 2 表明手与空气中 的瓦斯浓度C 成二次抛物线关系．那么依据式 1 3 或式 1 2 ，利用单片机技术，很容易实现测量，测量 原理框图如图4 所示‘9 。1 1 1 ．通过单片机控制开关S 的接通位置，将桥路输出信号U 。。，U 。。适当放大 后，利用积分器计算式 6 ，实现桥路输出的完全补 偿．在精确实现射r ，了、计数后，运用式 1 3 或式 1 2 在微处理器计算出瓦斯的浓度，实现相关显 示和信号输出，完成测量任务． 图4基于时分补偿原理的瓦斯传感器原理框图 F i g ．4P r i n c i p l ed i a g r a mo fg a ss e n s o rb a s e d o nt i m e d i v i s i o nc o m p e n s a t i o n 由式 1 3 或式 1 2 可以看出，基于补偿原理 的新型测量方法将桥路电压的测量转化为基于微 处理器的时间测量，r 与T 的比值表示了瓦斯浓度 C ，已与供电电源无关，主要取决于微处理器的定 时器精度，也就是微处理器的晶振频率．因而能够 极大地提高瓦斯传感器的稳定性和精度． 3 讨论分析与仿真验证 3 ．1 补偿电阻风的确定 由式 1 3 可知，手∈[ 丢，1 ，由于。≤警≤ 0 ．0 2 ，所以有去 K 1 0 ．0 2 1 ，从而得K 2 4 ． 另外根据式 5 ，要使其成立，必须要U 。，，U 。。 输出极性相反，输出曲线如图5 所示，选取K 值必 须注意这一点．式 9 表明，只要【，。， 0 即可．由 式 8 可以得到K 5 0 ． 图5桥路及积分器输出波形 F i g ．5B r i d g ec i r c u i ta n di n t e g r a t o rs i g n a l s 综上可得，K 的典型取值为2 3 ．实用上R 。的 选取应当按照确定了的K 值，根据R 。一K R 计算 值近似确定． 3 ．2 A ／D 转换积分算法 在实际应用中，有2 种方法．一种是所有测量 固定开关S 接通触点1 的接通时问r 例如4 00 0 0 个微处理器定时器计数脉冲 ，该期间积分器作正 向积分，时间一到4 00 0 0 个脉冲计数，开关S 立即 接通触点2 ，积分器作反向积分，同时微处理器定 时器开始计数，直到比较器过零跳转，接着进行下 一次的测量采样，此时定时器计数即为T r ，如图 5 所示．显然该方法每次测量采样周期T 可能不 万方数据 第1 期尹洪胜等基于时分补偿原理的瓦斯检测方法5 1 l 司． 另一种方法是固定测量周期丁 例如6 00 0 0 个 微处理器定时器计数脉冲 ，寻找确定完全补偿时 的平衡点r 值，参照图5 ，具体步骤如下 S t e p l 设定一初始r 7 值． S t e p 2 正向积分至r 7 ． S t e p 3 反向积分至T 7 ． S t e p 4 若△T T T 7 在规定的误差精度范 围内，即寻找到完全补偿时的平衡点r 值，r r 7 ， √，r 测量结束．否则，令f 一等，返回S t e p 2 ，重新开始， 』 直至寻找到完全补偿时的平衡点r 值． 3 ．3 仿真实验 限于实验室条件，未能进行实际实验加以验 [ 9 ] 单臂补偿测量方法以及本文基于时分原理双臂 补偿测量方法进行了精确度、稳定性仿真实验．实 验参数参照现场使用中常用传感器参数，取R 一 3 0Q ，桥路电源3V ，并且额外添加了一个均值为 零、噪声功率为0 ．0 0 1 的服从高斯分布的扰动电 AD 源．当等从0 0 ．0 2 变化，对应理想测量值从 』、 o 一4 ％变化，精确度仿真结果由表1 测值栏和相对 误差栏示之；稳定性仿真结果则由稳定性栏示之， 表示了测值变化范围．从表1 可以看出，本文之基 于时分原理双臂补偿测量方法，其精确度比传统测 量方法提高约1 ．5 倍，稳定性提高约3 倍．需要指 出的是，该结果是在相同的理想条件下完成的，实 际应用效果肯定要打折扣，但是本文测量方法的优 证，仅利用M A T L A B 分别对传统测量方法、文献势也是肯定的． 表1 精确度及稳定性仿真实验结果 T a b l e1R e s u l t so fe m u l a t i o n a le x p e r i m e n ti np r e c i s i o na n ds t a b i l i t y 4 结论 1 基于时分信号处理方法和桥路平衡补偿思 路，提出了一种用时分补偿原理提高瓦斯传感器测 量精度和稳定性的方法，并利用单片机技术实现时 分补偿，完成对瓦斯的检测． 2 理论上证明了该新型测量方法将桥路电压 的测量转化为基于微处理器的时间测量，消除了电 源波动的影响．仿真实验结果表明，其精确度比传 统测量方法提高约1 ．5 倍，稳定性提高约3 倍． 3 由于该新型测量方法与桥路电源电压无 关，仅仅依赖于微处理器的定时器精度，使得新型 瓦斯传感器使用普通电子芯片亦可以获得高的精 度和稳定性成为可能，从而可以降低瓦斯传感器的 成本． 4 该研究方法同样适用于基于桥路测量的其 它量的测量，例如重量、温度等． 参考文献 [ 1 ]童敏明，杨胜强，田丰．新型瓦斯传感器关键技术 的研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 4 3 9 9 4 0 1 ． T O N GM i n - m i n g ，Y A N GS h e n g q i a n g ，T I A NF e n g ． N e wt e c h n o l o g yo nm e t h a n es e n s o r [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，3 2 4 3 9 9 4 0 1 ． 。 [ 2 ] 童敏明．催化传感器的研究与应用技术E M 7 ．徐州 万方数据 5 2中国矿业大学学报第3 7 卷 中国矿业大学学报 中文版 2 0 0 7 年第3 期被E i 收录论文 二 论文题目第一作者 面向协同设计的基于身份环签名方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王晓峰 M B R 一厌氧／缺氧交替工艺处理生活污水的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯张传义 卷烟制丝车间可燃物燃烧特性实验与火灾模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯朱国庆 一种基于面积一时问关系的单位线分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．- ⋯⋯一孔凡哲 地下空间注浆加固围岩抗爆效应模型试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯朱 阳 企业技术创新的激励机制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王帮俊 矿井通风网络可靠性的定量分析与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王洪德 体外预应力组合梁负弯矩区抗弯承载能力研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王景全 急倾斜煤层可采工艺性评价及应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯张小兵 “北京一号”小卫星影像质量及土地利用分类精度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王茜 基于菱形块的全球离散格网层次建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯赵学胜 基于信任度的协同商务链自学习协商研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯施锦华 田野考古G I S 数据模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一杨林 煤矿区大气降尘的芳烃化合物分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杨策 } 摘自E n g i n e e r i n gV i l l a g e2 万方数据