礦用紅外甲烷傳感器的制造方法
【專利摘要】一種礦用紅外甲烷傳感器，包括控制單元電路、電源變換電路、采用非色散紅外檢測技術(shù)甲烷紅外探頭、信號采集電路和信號輸出電路；所述控制單元電路包括微處理器，所述微處理器采用哈佛總線結(jié)構(gòu)三級流水線；所述信號采集電路包括對所述甲烷紅外探頭的模擬信號的進行采樣和濾波的電路；所述信號輸出電路與控制單元電路通訊連接，用于將微處理器發(fā)出的頻率信號或電平信號，經(jīng)過整形、放大后形成用200Hz-1000Hz信號線性表示0.0～100.0%甲烷氣體濃度的電信號傳輸給上級設備，實現(xiàn)甲烷濃度的上傳。該傳感器甲烷探頭采用非色散紅外技檢測技術(shù)，甲烷濃度在寬范圍內(nèi)能夠保證其精度和重復性，同時還具有校準周期長和使用壽命長等特點。
【專利說明】礦用紅外甲烷傳感器
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種甲烷傳感器，具體涉及一種用于煤礦的檢測甲烷氣體濃度的紅外甲烷傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]甲烷傳感器是一種檢測甲烷濃度的設備，主要是用于礦井和其他能夠產(chǎn)生甲烷的場所。甲烷這種易燃易爆的氣體是所有煤礦開采過程中必然產(chǎn)生的，是不可避免的，一旦甲烷濃度超標極易引發(fā)事故，對礦井內(nèi)工作的工人產(chǎn)生很大的人身危害，由于甲烷是一種無色無味的氣體，所以只能通過靈敏可靠的檢測儀器才能進行檢測。
[0003]傳統(tǒng)的甲烷傳感器由開有顯示窗的傳感器外殼、以及安裝在傳感器外殼內(nèi)的電源電路、傳感裝置、信號處理電路、控制電路和LED電路組成，其中傳感裝置發(fā)出的報警信號經(jīng)過處理電路發(fā)送給控制電路，控制電路識別出甲烷濃度并驅(qū)動LED電路顯示報警，LED電路位于所述顯示窗，電源電路為各單元電路供電，其中傳感裝置主要采用載體催化傳感器檢測甲烷濃度，是利用化學介質(zhì)的化學性能進行檢測。因此，在各種型號的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)中，由于用載體催化原理檢測甲烷容易受到環(huán)境中其他氣體的影響，這類甲烷傳感器的缺點是校準周期短、使用壽命短、穩(wěn)定性差、檢測范圍窄，特別是在甲烷濃度大于40.0%時，無法檢測或者檢測結(jié)果誤差較大，存在安全方面的隱患。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型要解決的技術(shù)問題在于提供一種礦用紅外甲烷傳感器，這種甲烷傳感器能夠在寬范圍內(nèi)作高精度濃度檢測。
[0005]為了解決上述問題，本實用新型通過以下方式來實現(xiàn):
[0006]一種礦用紅外甲烷傳感器，包括控制單元電路、電源變換電路、甲烷探頭、信號采集電路和信號輸出電路，信號采集電路的輸出端與控制單元電路通訊連接，電源變換電路為各單元電路供電，其特征在于:
[0007]所述甲烷探頭為采用非色散紅外檢測技術(shù)甲烷紅外探頭；
[0008]所述控制單元電路包括微處理器，所述微處理器采用哈佛總線結(jié)構(gòu)三級流水線；
[0009]所述信號采集電路包括對所述甲烷紅外探頭的模擬信號的進行采樣和濾波的電路；
[0010]所述信號輸出電路與控制單元電路通訊連接，將微處理器發(fā)出的頻率信號或電平信號，經(jīng)過整形、放大后形成用200HZ-1000HZ信號線性表示0.0?100.0%甲烷氣體濃度的電信號傳輸給上級設備，實現(xiàn)甲烷濃度的上傳。
[0011]進一步地，還包括顯示電路，所述顯示電路包括4只LED數(shù)碼管和4只用于驅(qū)動LED數(shù)碼管的驅(qū)動1C，所述微處理器通過IO 口串行地將需要顯示的編碼發(fā)送至驅(qū)動IC驅(qū)動LED數(shù)碼管發(fā)光，用于實現(xiàn)顯示甲烷濃度。74HCT164是8位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，微處理器通過IO 口串行地將需顯示的數(shù)字編碼發(fā)送至74HCT164，74HCT164則并行輸出編碼驅(qū)動數(shù)碼管，它對每段數(shù)碼管的驅(qū)動電流最大為20mA，較大的驅(qū)動電流使數(shù)碼管顯示亮度較高，這有利于在煤礦井下黑暗環(huán)境的觀察。
[0012]所述的驅(qū)動IC可以采用74HC164。
[0013]進一步地，還包括遙控接收電路，所述遙控接收電路與所述控制單元電路的微處理器通訊連接；所述遙控接收電路包括紅外接收電路以及BL9149解碼芯片，用于將串行紅外光信號轉(zhuǎn)換為串行電信號，該電信號由解碼芯片還原發(fā)射端按鍵操作，并將電信號送至所述單元電路中的微處理器進行處理，以實現(xiàn)對傳感器的遙控控制。
[0014]進一步地，還包括報警電路，所述報警電路包括發(fā)光二極管、有源蜂鳴器和發(fā)光二極管以及有源蜂鳴器的驅(qū)動電路，以在甲烷超標時實現(xiàn)聲光報警。
[0015]比較理想的是所述述微處理器為采用32位ARM cortex_m3內(nèi)核的STM32F103，具有豐富的外設和較強的抗干擾能力，很適用于工業(yè)控制，另此該系列處理器總線結(jié)構(gòu)采用哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，處理速度為1.25DMIPS/MHZ，可有效提升整機的數(shù)據(jù)處理能力和響應時間。
[0016]所述電源變換電路可以包括將9 - 24VDC輸入電壓降至5VDC的一級DC/DC變換降壓電路，以及三路由TC1185芯片精密穩(wěn)壓器構(gòu)成的二級精密穩(wěn)壓電路。電源輸入范圍為9?24VDC，經(jīng)一級DC/DC變換降壓至5VDC，此DC/DC電路變換效率最低不小于85%，相比其它線性穩(wěn)壓器件平均效率小于50%的電路，提升了電源的使用效率，此5VDC為后級所有電路供電，經(jīng)三路二級精密穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓變換后得三路獨立電壓，分別為紅外元件、微處理器、其它模塊電路供電。
[0017]所述的信號采集電路的采用的A/D轉(zhuǎn)換器比較理想的是其分辨率為16位，可以保證采樣數(shù)據(jù)的精度和良好重復性。進一步地，所述的A/D轉(zhuǎn)換器配備有一獨立精度為0.1%的采用LM4041的參考電壓源。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:該傳感器甲烷探頭采用非色散紅外技檢測(NDIR)技術(shù)，CH4濃度在0.0%?100.0%范圍內(nèi)能夠保證其精度和重復性，其精度達到0.1%，同時基于紅外原理的特性，該傳感器還具有校準周期長和使用壽命長等特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的電路框圖；
[0020]圖2為本實用新型控制單元電路原理圖；
[0021]圖3a為本實用新型一級降壓至5V電路原理圖；
[0022]圖3b為本實用新型二級精密降壓至3.3V電路原理圖；
[0023]圖3c為本實用新型二級精密降壓至3.5V電路原理圖；
[0024]圖3d為本實用新型二級精密降壓至3.0V電路原理圖；
[0025]圖4為本實用新型信號采集電路原理圖；
[0026]圖5為本實用新型遙控接收電路原理圖；
[0027]圖6a為本實用新型顯示電路LED數(shù)碼管原理圖；
[0028]圖6b為本實用新型顯示電路驅(qū)動電路原理圖；
[0029]圖7為本實用新型報警電路原理圖；
[0030]圖8為本實用新型信號輸出電路原理圖?！揪唧w實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0032]如圖1所示，一種礦用紅外甲烷傳感器，包括控制單元電路1、電源變換電路2、甲烷紅外探頭3、信號采集電路4、遙控接收電路5、顯示電路6、報警電路7、信號輸出電路8，其中遙控接收電路5與控制單元電路I通訊連接，信號采集電路4的輸出端與控制單元電路I通訊連接，控制單元電路I將識別出的甲烷濃度在顯示電路6上顯示，并驅(qū)動報警電路7發(fā)出聲光報警，同時信號輸出電路8將接收到的信號，經(jīng)過整形、放大后形成用200Hz-1000Hz信號線性表示0.00?100.0%甲烷氣體濃度的電信號上傳給上級設備9，實現(xiàn)甲烷濃度的上傳儲存和是否超限指示功能，電源變換電路2為各單元電路供電。
[0033]如圖2控制單元電路原理圖所示，所述控制單元電路I主要功能為實時采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、輸出信號，其內(nèi)包括有一 32位ARM cortex-m3內(nèi)核的微處理器，所述微處理器的控制芯片為STM32F103，采用哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，處理速度快，且具有豐富的外設和較強的抗干擾能力，適用于工業(yè)控制，可有效提升整機的數(shù)據(jù)處理能力和響應時間。
[0034]如圖3a、圖3b、圖3c和圖3d電路原理圖所示，所述電源變換電路2輸入電壓范圍為9?24VDC，經(jīng)一級DC/DC變換降壓至5VDC后再經(jīng)過電容濾波供電給所有電路，分別通過二級精密穩(wěn)壓器件的芯片TCl 185穩(wěn)壓變換后得三路電壓為3.0VDC,3.3VDC和3.5VDC的獨立電壓，分別為路電路和元件提供所面電壓；所述DC/DC變換效率不小于85%，相比其它線性穩(wěn)壓器件平均效率小于50%而言，提升了電源的使用效率。
[0035]如圖4信號采集電路原理圖所示，所述信號采集電路4完成甲烷紅外探頭模擬信號的采樣和濾波后，利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號變換為數(shù)字信號，再通過數(shù)字通信的方式將數(shù)據(jù)傳至所述控制單元電路I中的微處理器，為保證采樣數(shù)據(jù)的精度和良好重復性，所述信號采集電路3的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為16位，另配備有一獨立為A/D轉(zhuǎn)換器提供精度為
0.1%的參考電壓源IC，IC采用LM4041。
[0036]如圖5遙控接收電路原理圖所示，所述遙控接收電路5接收紅外遙控器發(fā)射的紅外信號后，接收器將串行紅外編碼信號轉(zhuǎn)換成串行電信號，該電信號由解碼芯片BL9149還原發(fā)射端按鍵操作，并將電信號送至所述單元電路中的微處理器進行處理，以完成各種控制功能。
[0037]如圖6a和圖6b原理圖所示，所述顯示電路6包括4只LED數(shù)碼管和4只用于驅(qū)動LED數(shù)碼管的驅(qū)動1C，驅(qū)動IC選用8位邊沿觸發(fā)式移位寄存器74HC164，所述控制單元電路I中的微處理器通過IO 口串行地將需顯示的數(shù)字編碼發(fā)送至寄存器74HC164，寄存器74HC164則并行輸出編碼驅(qū)動LED數(shù)碼管，每段LED數(shù)碼管的驅(qū)動電流最大為20mA，驅(qū)動電流越大使數(shù)碼管顯示亮度較高，這有利于在煤礦井下黑暗環(huán)境的觀察。
[0038]如圖7報警電路原理圖所示，所述報警電路7包括發(fā)光二極管、有源蜂鳴器和驅(qū)動電路，當甲烷濃度超過預先設定的上限值時，所述微處理器向驅(qū)動電路發(fā)出信號，該信號經(jīng)放大后驅(qū)動相應發(fā)光二極管閃爍實現(xiàn)光報警，驅(qū)動相應蜂鳴器發(fā)聲實現(xiàn)聲報警，以提示周圍的人群。
[0039]如圖8信號輸出電路原理圖所示，所述信號輸出電路8接收微處理器發(fā)出的頻率信號或電信號，將甲烷紅外傳感器檢測到的甲烷濃度值和此濃度值是否超過預設值的狀態(tài)，經(jīng)整形、放大后通過數(shù)字信號方式傳輸至上級設備9，實現(xiàn)甲烷濃度的上傳儲存和是否超限指示功能。
[0040]本實用新型礦用甲烷紅外傳感器所采用的非色散紅外檢測(NDIR)技術(shù)，即一個紅外光源發(fā)出的紅外信號，被信號采集電路收集后傳輸給控制單元電路，經(jīng)過控制單元電路識別、比較，計算出當前甲烷濃度的真實值，由驅(qū)動IC驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示當前甲烷的濃度值，識別出甲烷的安全濃度環(huán)境和危險濃度環(huán)境，并顯示出不同顏色以提醒操作人員；當識別出的甲烷濃度超過預先設定的上限值時，微處理器發(fā)出信號驅(qū)，動相應二極管和蜂鳴器實現(xiàn)聲光報警。另外，微處理器發(fā)出的頻率信號或電平信號，經(jīng)過整形、放大后也可以通過信號輸出電路與上級設備通訊連接，實現(xiàn)甲烷濃度的上傳儲存和是否超限指示功能。
【權(quán)利要求】
1.一種礦用紅外甲烷傳感器，包括控制單元電路(I)、電源變換電路(2)、甲烷探頭、信號采集電路(4)和信號輸出電路(8)，信號采集電路的輸出端與控制單元電路通訊連接，電源變換電路為各單元電路供電，其特征在于: 所述甲烷探頭為采用非色散紅外檢測技術(shù)甲烷紅外探頭(3); 所述控制單元電路(I)包括微處理器，所述微處理器采用哈佛總線結(jié)構(gòu)三級流水線； 所述信號采集電路(4)包括對所述甲烷紅外探頭的模擬信號的進行采樣和濾波的電路； 所述信號輸出電路(8)與控制單元電路通訊連接，用于將微處理器發(fā)出的頻率信號或電平信號，經(jīng)過整形、放大后形成用200Ηζ-1000Ηζ信號線性表示0.0?100.0%甲烷氣體濃度的電信號傳輸給上級設備(9)，實現(xiàn)甲烷濃度的上傳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦用紅外甲烷傳感器，其特征在于:還包括顯示電路(6)，所述顯示電路包括4只LED數(shù)碼管和4只用于驅(qū)動LED數(shù)碼管的驅(qū)動1C，所述微處理器通過IO 口串行地將需要顯示的編碼發(fā)送至驅(qū)動IC驅(qū)動LED數(shù)碼管發(fā)光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種礦用紅外甲烷傳感器，其特征在于:所述的驅(qū)動IC采用74HC164。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦用紅外甲烷傳感器，其特征在于:還包括遙控接收電路(5)，所述遙控接收電路與所述控制單元電路的微處理器通訊連接；所述遙控接收電路(5)包括紅外接收電路以及BL9149解碼芯片，用于將串行紅外光信號轉(zhuǎn)換為串行電信號，該電信號由解碼芯片還原發(fā)射端按鍵操作，并將電信號送至所述單元電路(I)中的微處理器進行處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦用紅外甲烷傳感器，其特征在于:還包括報警電路(7)，所述報警電路包括發(fā)光二極管、有源蜂鳴器和發(fā)光二極管以及有源蜂鳴器的驅(qū)動電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1一 5中之一所述的一種礦用紅外甲烷傳感器，其特征在于:所述述微處理器為采用32位ARM cortex-m3內(nèi)核的STM32F103。
7.根據(jù)權(quán)利要求1一 5中之一所述的一種礦用紅外甲烷傳感器，其特征在于:所述電源變換電路包括將9 - 24VDC輸入電壓降至5VDC的一級DC/DC變換降壓電路，以及三路由TCl 185芯片精密穩(wěn)壓器構(gòu)成的二級精密穩(wěn)壓電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1一 5中之一所述的一種礦用紅外甲烷傳感器，其特征在于:所述的信號采集電路的采用的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為16位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種礦用紅外甲烷傳感器，其特征在于:所述的A/D轉(zhuǎn)換器配備有一獨立精度為0.1%的采用LM4041的參考電壓源。
【文檔編號】G01N21/3504GK203811534SQ201420126810
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】王壽全, 呂志剛, 曾森茂, 文小紅, 吳傳貴, 余玉江, 柯淋, 蔣韜, 周強, 劉帥, 賈彥飛 申請人:四川省川煤科技有限公司