中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)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(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)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(zhǔn)光干涉式甲烷測定器，可供煤礦安全儀表計量站（室）及相關(guān)計量檢測機(jī)構(gòu)等單位使用，確保了量值傳遞的準(zhǔn)確可靠，保證了煤礦的安全生產(chǎn)工作。本文中詳細(xì)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(zhǔn)確性直接影響礦井中甲烷濃度的測量,對煤礦安全生產(chǎn)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(wù)局通風(fēng)實驗室礦山計量站承擔(dān)。為確保光干涉甲烷測定器量值統(tǒng)一可靠,國家礦山安全計量站建立了甲烷測量儀表行業(yè)的最高計量標(biāo)準(zhǔn),作為統(tǒng)一全國礦山甲烷測量儀表量值的依據(jù)。并研制生產(chǎn)了干涉甲烷測定器檢定儀作為全國各礦務(wù)局通風(fēng)實驗室礦山計量站檢定光干涉甲烷測定器的標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境溫度,將檢測到的壓力、溫度轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)信號處理單元放大、A/D轉(zhuǎn)換后,再由微處理器直接計算出對應(yīng)于該壓力、溫度下以體積分?jǐn)?shù)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(yīng)關(guān)系式:

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

X-甲烷濃度,P-壓力,t-溫度。

3 電路系統(tǒng)的設(shè)計

電路系統(tǒng)設(shè)計主要包括:數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)顯示電路和電源管理電路等幾部分組成。

3.1 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路主要功能:將壓力傳感器傳來的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,然后對轉(zhuǎn)換后的電壓信號進(jìn)行A/D變換,將電壓信號變換為數(shù)字信號以方便后續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運算。

數(shù)據(jù)采集電路基于ADuC845單片機(jī)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(jī)。

數(shù)據(jù)采集部分電路如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)顯示電路

根據(jù)外觀和顯示數(shù)據(jù)的大小,本設(shè)計中數(shù)據(jù)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(shè)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(jìn)行針對這2方面的設(shè)計。

3.3.1 電池的選型

在本設(shè)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(shè)計

在本設(shè)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(jī)和溫度傳感器,顯示模塊等采用7805將12VDC轉(zhuǎn)為5VDC供電。

4 單片機(jī)軟件系統(tǒng)

圖2 數(shù)據(jù)采集電路圖

圖3 整機(jī)布置圖

單片機(jī)軟件系統(tǒng)應(yīng)用c語言編程開發(fā),采用模塊化結(jié)構(gòu),分為:單片機(jī)Aduc845片內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)顯示程序等幾個模塊組成。

5 壓力傳感器

本方案選用擴(kuò)散硅壓力變送器,該壓力變送器采用具有國際先進(jìn)水平的傳感器,配合高精度電子元件,經(jīng)嚴(yán)格的工藝過程裝配而成。采用無中介液的壓力測量技術(shù),抗過載和抗沖擊能力強,溫度飄移小,穩(wěn)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(chǔ)上,我們選擇了瑞士Sensirion數(shù)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(yīng)時間:〈4s;

可完全浸沒。

7 整機(jī)外觀設(shè)計

7.1 機(jī)箱設(shè)計

考慮本儀器的便攜性,我們采用了一體化機(jī)箱設(shè)計。機(jī)箱布置設(shè)計如圖3所示:

7.2 按鍵設(shè)計

按鍵采用PVC觸摸鍵設(shè)計,具有防水、防塵的功能。同時,觸摸鍵的使用壽命比普通機(jī)械開關(guān)要長,且體積小、重量輕。

8 結(jié)論

便攜式光干涉甲烷測定器檢定儀具有測量數(shù)據(jù)精確可靠,操作方便、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點,達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)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(yè)中的地位,而且對推動煤礦行業(yè)計量檢定技術(shù)水平的發(fā)展也能起到積極的作用,使煤礦行業(yè)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(zhǔn)確可靠,保證了煤礦的安全生產(chǎn)工作。

唐瓚（1982—），男，重慶市人，工程師，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，主要從事礦用產(chǎn)品檢測檢驗技術(shù)和裝置的科研開發(fā)工作。