王 璐

（天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

1 傳感器工作原理

1.1 電化學檢測原理

目前，硫化氫檢測原理主要分為催化燃燒式、電化學原理和紅外吸收光譜等方式。其中催化原理是通過催化元件表面無焰燃燒，使得元件阻值變化，產(chǎn)生與硫化氫含量成線性比例的輸出信號，從而實現(xiàn)對硫化氫含量的監(jiān)測，但具有測量范圍窄、需頻繁標校和“冒大數(shù)”等缺點[2]；紅外方式采用光譜吸收原理，受濕度影響較大[3]。目前普遍采用電化學原理的監(jiān)測方式。電化學監(jiān)測元件是一種微燃料電池元件，通過檢測元件輸出電流大小獲得硫化氫濃度值[4]。硫化氫探頭元件主要由感應(yīng)、參考和負三種電極組成。負電極和感應(yīng)電極之間有一層電解質(zhì)薄膜，當硫化氫氣體擴散進入探頭，在元件的感應(yīng)電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)部電流，串入負載電阻即可對硫化氫氣體濃度進行檢測[5]。外部接入穩(wěn)壓電路，參考電極能夠穩(wěn)定感應(yīng)電極的電動勢，保持各自電壓的穩(wěn)定且無電流通過，提升測定器的穩(wěn)定性。

在感應(yīng)電極上反應(yīng)的化學方程式為：

負電極上反應(yīng)方程式為：

通過上面兩個反應(yīng)方程式可看出，電極并沒有直接消耗，只是對反應(yīng)起到催化的作用。自由電子數(shù)量與硫化氫濃度成正比，由電極引出后經(jīng)放大采集處理后即可獲取硫化氫濃度值。

1.2 溫度補償原理

在實際應(yīng)用過程中，當空氣中沒有硫化氫氣體時，電化學元件無反應(yīng)，感應(yīng)電極部分也會產(chǎn)生微弱的基線信號，可通過零點校準將其調(diào)零。但是，當隨溫度上升時，基線信號值會呈指數(shù)函數(shù)增加，因此，即使標校零點后隨著環(huán)境溫度變化監(jiān)測濃度值也會發(fā)生漂移。硫化氫氣體在感應(yīng)電極發(fā)生反應(yīng)，能夠產(chǎn)生與氣體濃度相關(guān)的信號，由于參考電極上不會產(chǎn)生反應(yīng)，當外部溫度變化時，將感應(yīng)電極和參考電極的信號值相減，即可針對溫度變化進行補償，實現(xiàn)硫化氫濃度的準確檢測。但在實際設(shè)計中，可采用溫度傳感元件檢測出環(huán)境溫度的變化，通過曲線擬合建立環(huán)境溫度補償模型，是實現(xiàn)溫度補償?shù)挠行緩健?/p>

2 測定器方案設(shè)計

2.1 測定器總體設(shè)計

便攜式硫化氫測定器主要由鋰電池供電電路、微處理器電路、硫化氫采集電路、人機交互電路、聲光報警電路和無線通信電路等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器采用低功耗設(shè)計，選用大容量鋰電池供電，當電池電量低時會主動發(fā)出聲光提示。硫化氫采集電路完成氣體濃度的獲取，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器處理后，可存儲至flash，也可在數(shù)碼管上實時顯示，硫化氫氣體濃度值也可通過無線方式被特定的設(shè)備采集。測定器的標校、地址、報警值和無線通信參數(shù)等均可通過按鍵操作設(shè)置，當硫化氫監(jiān)測值大于報警值時設(shè)備發(fā)出聲光報警。

圖1 測定器總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 硫化氫檢測電路設(shè)計

硫化氫探頭選用City公司的4系列三電極檢測元件，硫化氫信號采集電路主要完成探頭驅(qū)動、信號采集、放大和濾波等功能，最終輸出電壓信號送至處理器采集端，電路如圖2所示。為了避免反應(yīng)氣體和溶液蒸汽接觸，保證探頭在斷路時仍處于準備狀態(tài)，電路中選取場效應(yīng)管短接感應(yīng)電極和參考電極，上電后兩電極自動斷開，實現(xiàn)探頭的保護。參考電極可以穩(wěn)定感應(yīng)電極上的電動勢，且無電流通過，可保持各自電壓的穩(wěn)定，即使負電極極化也不會對感應(yīng)電極有任何影響。由于電化學式硫化氫敏感元件輸出的是nA級電流信號，需在電流回路中串接10歐姆電阻進行取樣，再通過反相電路放大100倍左右，通過RC低通濾波器進行濾波，最后與基準電壓一起組成一對差分輸出信號。

圖2 硫化氫采集電路圖

2.3 溫度補償設(shè)計

硫化氫檢測元件在工作時，元件的輸出信號會隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生微弱變化，會對基線零點輸出產(chǎn)生影響。為了準確監(jiān)測氣體濃度，需對外界環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測。溫度補償電路選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有精度高、體積小、電路簡單、抗干擾能力強等特點。在與處理器連接時，不需外接電源，從數(shù)據(jù)線即可獲得能量，通過單總線與微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在測定器標校時，程序記錄標校時溫度，在正常工作時監(jiān)測環(huán)境溫度，通過軟件程序擬合處理，實現(xiàn)在不同環(huán)境溫度下的硫化氫濃度的監(jiān)測。

圖3 溫度監(jiān)測電路圖

2.4 無線通信電路設(shè)計

測定器可將存儲的硫化氫濃度數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸給外部設(shè)備，其中無線通信電路選用BM200N的無線自組網(wǎng)模塊，具有通信穩(wěn)定和功耗低等特點。無線通信接口電路如圖4所示。BM200N組網(wǎng)模塊工作在433MHz，內(nèi)嵌Wave Mesh無線自組網(wǎng)協(xié)議，采用同步校準喚醒算法，保證工作和休眠的同步。無線模塊一般處于休眠模式以降低測定器功耗，可通過ACT引腳喚醒。當SET引腳為低電平時處于配置模式，高電平時處于正常工作模式。

圖4 BM200N無線通信電路接口圖

3 性能測試

3.1 常態(tài)性能測試

在常態(tài)下，主要針對硫化氫測定器的基本誤差和響應(yīng)時間進行測試。選取5臺樣機進行試驗，按MT1084-2008行標，通入純氮氣、40ppm、100ppm、170ppm共四種不同濃度的標準硫化氫氣體，記錄測定器的顯示值，重復測定4次，取其后3次的算術(shù)平均值，測試結(jié)果如表1所示。傳感器的常態(tài)基本誤差比較小。

表1 常態(tài)基本誤差測試表

測試響應(yīng)時間T90主要是為了測試測定器的靈敏度。在清潔空氣中，按200ml/min流量通入170ppm的標準硫化氫氣體，并記錄測定器的顯示值達到標準氣體90%所需要的時間，測量3次，取其算術(shù)平均值，測試結(jié)果如表2所示，測定器的響應(yīng)時間較快，均不超過行標的45s要求，完全可以滿足煤礦井下安全生產(chǎn)中硫化氫氣體的監(jiān)測需求。

表2 響應(yīng)時間T90測試表

3.2 溫度影響測試

溫度影響試驗主要驗證溫度對測定器的性能影響。本次試驗在高低溫箱中進行，依次進行高溫和低溫測試。低溫測試，設(shè)置高低溫箱到0℃，將補償后的測定器放置在高低溫箱中，測定器通電恒溫保持2個小時后，通氣測量基本誤差，以后每小時測量1次基本誤差，測量3次，計算平均值作為最終測量值。測量結(jié)果如表3所示。

表3 低溫0℃性能測試表

高溫測試，設(shè)置高低溫箱溫度到40℃，將測定器放進去通電，測試方法同高溫一樣。測量結(jié)果如表4所示。

表4 高溫40℃性能測試表

從表3和表4的測試結(jié)果可以看出，無論是高溫還是低溫對便攜式硫化氫測定器的影響都比較小，測量值的基本誤差都在要求范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

本文給出了一種帶溫度補償?shù)牡V用便攜式硫化氫測定器的設(shè)計與實現(xiàn)，介紹了硫化氫測定器的工作原理，給出測定器的總體設(shè)計方案和部分主要模塊的設(shè)計，對測定器進行基本誤差、響應(yīng)時間和溫度影響試驗。結(jié)果表明測定器具有精度高、誤差小、響應(yīng)快等特點，可更好地為煤礦安全生產(chǎn)服務(wù)。