王璐

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

一氧化碳是無色無味、可燃可爆的有毒性氣體，是煤礦安全生產(chǎn)的大敵。當(dāng)一氧化碳進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)后,會與血紅蛋白結(jié)合導(dǎo)致中毒，嚴(yán)重時會導(dǎo)致死亡[1]。在井下打探鉆孔時，可能會導(dǎo)致鉆孔內(nèi)混合氣體燃燒并涌出大量的一氧化碳。一氧化碳的質(zhì)量濃度是煤礦井下火災(zāi)自燃的重要指標(biāo)之一[2]。準(zhǔn)確、及時地檢測出井下是否存在一氧化碳?xì)怏w，直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：煤礦井下的采掘工作面進(jìn)風(fēng)流、回風(fēng)巷和采空區(qū)等位置應(yīng)設(shè)置一氧化碳傳感器，且一氧化碳的質(zhì)量濃度不得大于24 mg/L[3]；在自然發(fā)火的危險礦井，必須定期監(jiān)測一氧化碳的質(zhì)量濃度，以防止自燃情況的發(fā)生。現(xiàn)有的一氧化碳檢測技術(shù)主要基于半導(dǎo)體、電化學(xué)和紅外等原理。半導(dǎo)體原理采用的是半導(dǎo)體器敏元件，常用在民用行業(yè)，其檢測精度低；電化學(xué)原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其測量精度高、價格適中，是當(dāng)前廣泛采用的監(jiān)測方式；紅外檢測方式是基于一氧化碳對紅外光譜選擇吸收性的原理，其測量精度高，但售價昂貴，受環(huán)境溫度和濕度影響相對較大。

在現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，大部分傳感器仍采用有線方式傳輸。在安裝布置傳感器的過程中，需敷設(shè)通信線纜。由于井下環(huán)境相對惡劣，通信線纜容易被砸斷，導(dǎo)致傳感器故障斷線，地面調(diào)度人員無法通過安全監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取井下的真實情況，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。針對上述問題，本文以WaveMesh無線自組網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種礦用一氧化碳無線傳感器的設(shè)計方案。

1 傳感器工作原理

1.1 電化學(xué)檢測原理

電化學(xué)檢測元件內(nèi)部含有微燃料化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)一氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散到電解液中，檢測元件的輸出端會輸出一定的電流，通過采樣電路可檢測電流大小，即可計算出一氧化碳的質(zhì)量濃度[4]。三極性電化學(xué)檢測方式較為常用，含有參考電極、感應(yīng)電極和對電極三部分。一氧化碳在感應(yīng)電極上發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳、氫離子和電子，在兩電極之間形成電流。感應(yīng)電極端發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

CO+H2O→CO2+2H++2e-

(1)

感應(yīng)電極端反應(yīng)生成的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到對電極端，在對電極端發(fā)生氧化反應(yīng)，重新生成水，化學(xué)方程式為：

O2+4H++4e-→2H2O

(2)

由上述兩個化學(xué)方程式可知，此化學(xué)反應(yīng)就是在氧氣存在的情況下，將一氧化碳轉(zhuǎn)變成二氧化碳，電極端只是起到催化作用，并沒有物質(zhì)消耗。但是，當(dāng)一氧化碳的質(zhì)量濃度較高時，工作電極會發(fā)生極化，偏離正常電位，催化能力降低。此時，通過參考電極提供一個恒定電位，不作為催化劑參與任何反應(yīng)，保證電化學(xué)元件輸出信號的穩(wěn)定性。只需在兩電極端串入合適阻值的電阻，通過放大電路，即可實現(xiàn)電流值的采集。一氧化碳的質(zhì)量濃度與電流成正比關(guān)系。通過數(shù)據(jù)擬合處理，即可準(zhǔn)確測算出一氧化碳的質(zhì)量濃度。

1.2 壓力及溫度補(bǔ)償原理

采用電化學(xué)原理的一氧化碳傳感器，在實際使用時，即使環(huán)境中沒有一氧化碳，感應(yīng)電極端也會產(chǎn)生一個小的信號，需通過校準(zhǔn)來調(diào)零。但隨著環(huán)境溫度的變化，感應(yīng)電極端的輸出信號也會按照一定規(guī)律發(fā)生偏移，此時就不能簡單地通過調(diào)零來保證測量的準(zhǔn)確性。溫度補(bǔ)償通常分為軟、硬件兩種補(bǔ)償方式。在傳感器內(nèi)部靠近溫度敏感元件處安裝一個測溫芯片，用于實時檢測傳感元件周邊的環(huán)境溫度。通過測試不同溫度、不同一氧化碳的質(zhì)量濃度下元件輸出的信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，擬合出傳感元件的溫度特性曲線，從而得到準(zhǔn)確的溫度誤差修正模型，實現(xiàn)對環(huán)境中一氧化碳質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確采集。

電化學(xué)傳感器在進(jìn)行一氧化碳的質(zhì)量濃度檢測時，外界環(huán)境的壓力變化會導(dǎo)致發(fā)生瞬間響應(yīng)，元件的輸出峰值信號也會發(fā)生衰減。應(yīng)保證檢測元件端與外界環(huán)境相通，使氣流不受限制地排放到外部環(huán)境中，從而使內(nèi)外壓力保持穩(wěn)定。但在實際設(shè)計過程中，往往不具備相通的條件，通常采用在內(nèi)部安裝壓力傳感元件的方式，即通過壓力元件實時檢測內(nèi)部壓力的變化，并對不同壓力條件下的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理后，得到壓力補(bǔ)償模型。

1.3 無線通信原理

井下掘進(jìn)工作面和回采工作面這些重點區(qū)域的環(huán)境條件復(fù)雜，空間狹小，設(shè)備較多，選用無線傳感器可有效避免布線帶來的麻煩[5]。以前通常選用ZigBee、WIFI和RFID等技術(shù)來設(shè)計無線傳感器。但這幾類技術(shù)都屬于視距傳輸，無線信號質(zhì)量會隨周邊設(shè)備的位置變化而變差，不適合用于井下工作面。近幾年，WaveMesh無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，它是一種完全分布式的網(wǎng)絡(luò)，定義完備的網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層協(xié)議規(guī)范，不限制物理層工作頻率和調(diào)制方式。WaveMesh網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點地位都是平等的，均具備休眠和路由能力，具有組網(wǎng)靈活、功耗低、傳輸可靠和效率高等特點。當(dāng)某一節(jié)點故障異常時，可通過跳頻路由機(jī)制重新組網(wǎng)，抗干擾性強(qiáng)，確保無線網(wǎng)絡(luò)在任意時刻均處于最佳路由狀態(tài)，適合井下特殊環(huán)境的應(yīng)用。

2 傳感器方案設(shè)計

2.1 傳感器總體設(shè)計

1) 主要組成。一氧化碳無線傳感器主要由鋰電池供電電路、信號采集調(diào)理電路、單片機(jī)處理控制電路、人機(jī)交互電路和無線通信電路等組成。傳感器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器總體結(jié)構(gòu)

2) 工作原理。選用鋰離子電池為傳感器供電，具有單體電壓高、能量大和循環(huán)壽命長等特點。傳感器電路采用低功耗設(shè)計，選取低功耗芯片，無線采用休眠間歇傳輸策略，以延長無線傳感器的工作時間。當(dāng)電池電量不足時，傳感器會主動上傳電量低報警信息給安全監(jiān)控系統(tǒng)，提示相關(guān)人員及時更換電池。信號采集調(diào)理電路完成一氧化碳質(zhì)量濃度的獲取，原始信號經(jīng)放大送至單片機(jī)處理后得到對應(yīng)的質(zhì)量濃度值，可通過數(shù)碼管本地顯示，還可通過無線通信傳輸?shù)缴霞壉O(jiān)測分站。傳感器的零點、線性、報警閾值和無線通信等參數(shù)均可通過遙控設(shè)置，并放入flash保存，當(dāng)一氧化碳監(jiān)測值超過設(shè)定的報警值時聲光報警。

2.2 一氧化碳檢測電路設(shè)計

一氧化碳信號采集電路完成探頭驅(qū)動、保護(hù)、信號取樣、放大和濾波等功能，最終輸出電壓信號，電路如圖2所示。檢測元件的參考電極可穩(wěn)定感應(yīng)電極的電動勢，參考電極和感應(yīng)電極之間無電流通過，從而確保兩者電壓穩(wěn)定，即使對電極極化也不會影響感應(yīng)電極。電路中選用場效應(yīng)管V6控制參考電極和感應(yīng)電極的通斷，傳感器在不工作時兩電極導(dǎo)通，保證檢測元件時刻處于準(zhǔn)備狀態(tài)。傳感器上電工作后，兩電極斷開，可避免環(huán)境中存在的一氧化碳?xì)怏w與溶液蒸汽接觸，從而實現(xiàn)對檢測元件的保護(hù)。由于電化學(xué)檢測元件輸出的信號為弱電流信號(約70 nA/ppm)，需在電流回路中串接小阻值電阻進(jìn)行取樣，信號經(jīng)過運算放大電路放大，由RC低通濾波器濾波處理后，與基準(zhǔn)電壓組成一對差分信號送至單片機(jī)信號采集端。

圖2 一氧化碳采集電路

2.3 溫度補(bǔ)償設(shè)計

隨著外界環(huán)境溫度的變化，傳感檢測元件的量程和基線零點的信號輸出會發(fā)生改變。為了準(zhǔn)確采集一氧化碳的質(zhì)量濃度，需要對環(huán)境溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。溫度監(jiān)測電路如圖3所示。電路中選取DS18B20數(shù)字式單總線半導(dǎo)體芯片，其具有精度高、體積小、硬件開銷低和抗干擾能力強(qiáng)等特點。當(dāng)DS18B20與微處理器連接時，溫度信號可在1 s內(nèi)直接轉(zhuǎn)換成9位數(shù)字量，通過單總線即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。溫度芯片可從總線上獲得電源，不需要額外供電。傳感器在零點和線性校準(zhǔn)時記錄校準(zhǔn)溫度。在實際工作時，根據(jù)實時監(jiān)測的環(huán)境溫度值，參照溫度試驗?zāi)Ｐ停ㄟ^軟件程序擬合處理，實現(xiàn)在不同環(huán)境溫度下對一氧化碳質(zhì)量濃度的測量。

圖3 溫度監(jiān)測電路

2.4 壓力補(bǔ)償設(shè)計

壓力補(bǔ)償方案是在壓力槽工裝中試驗獲取。向槽內(nèi)通入不同質(zhì)量濃度的一氧化碳?xì)怏w，通過抽取槽內(nèi)氣體來改變壓力，記錄測試數(shù)據(jù)，并通過特定算法建立壓力補(bǔ)償模型，以此來驗證補(bǔ)償是否可行。一般情況下，井下環(huán)境的壓力不大于130 kPa。綜合考慮壓力范圍和傳感器的空間大小，選用NPP-301系列微型壓力檢測元件，可測量0～200 kPa范圍內(nèi)的絕對壓力，完全滿足煤礦井下的使用要求。NPP-301壓力元件內(nèi)部具有高精密電阻應(yīng)變片，只需恒壓供電，不再需要額外電路。壓力元件輸出的差分電壓信號與壓力成線性關(guān)系，通過單片機(jī)即可完成采集工作。

2.5 無線通信電路設(shè)計

無線通信電路中選用BM200N無線自組網(wǎng)模塊，內(nèi)嵌WaveMesh自組網(wǎng)協(xié)議，工作在433 MHz頻段，擁有1～15個輔助信道和1個基本信道，具有低功耗和通信穩(wěn)定等特點。無線接口電路如圖4所示。BM200N采用智能的同步校時喚醒算法，保證工作和休眠的同步，無線模塊平時處于休眠模式，由ACT引腳觸發(fā)喚醒，以此來降低整機(jī)功耗。模塊的TXD引腳和RXD引腳與單片機(jī)相連，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)；RESET為復(fù)位引腳；SET為工作方式配置引腳。

圖4 BM200N無線通信電路接口

3 性能測試

3.1 常態(tài)性能測試

在常態(tài)環(huán)境下，需要對一氧化碳無線傳感器的響應(yīng)時間和基本誤差等進(jìn)行測試。選取6臺樣機(jī)進(jìn)行試驗，按照AQ 6205—2006《煤礦用電化學(xué)式一氧化碳傳感器》的要求，完成傳感器的調(diào)零和線性設(shè)置后，通入20 mg/L、350 mg/L、500 mg/L和750 mg/L四種不同質(zhì)量濃度的一氧化碳。等待3 min后，記錄傳感器的顯示值，重復(fù)測試4次，取后面3次的平均值，測試結(jié)果見表1?？煽闯鲈诔B(tài)環(huán)境下，傳感器測量準(zhǔn)確，基本誤差較小。

表1 常態(tài)基本誤差測試 (單位：mg/L)

傳感器的檢測靈敏度通過響應(yīng)時間T90來衡量。在清潔空氣中，傳感器完成標(biāo)校后，使用不大于300 mL/min的流量通入500 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)氣樣，用秒表記錄傳感器顯示值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣樣90%所耗費的時間，重復(fù)測量3次，取平均值，測試結(jié)果見表2?？梢钥闯?，傳感器的響應(yīng)時間比較快，完全滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ 6205—2006的要求。

表2 響應(yīng)時間T90測試 (單位：s)

3.2 溫度影響測試

將待測傳感器放入高低溫箱中，依次進(jìn)行高溫和低溫測試。高溫測試時，將高低溫箱設(shè)置為40 ℃，傳感器通電后在高低溫箱中恒溫放置2 h以上，然后通入上述幾種一氧化碳?xì)怏w，測量每種質(zhì)量濃度的基本誤差，每間隔1 h測試一次，取3次測量結(jié)果的平均值，測量結(jié)果見表3。

表3 高溫40 ℃性能測試 (單位：mg/L)

將高低溫箱設(shè)置為0 ℃進(jìn)行低溫測試。測試方法和步驟與高溫測試的相同，測量結(jié)果見表4。

表4 低溫0 ℃性能測試 (單位：mg/L)

結(jié)合表3和表4可以得出：傳感器無論處在高溫還是低溫環(huán)境中，測量結(jié)果都很準(zhǔn)確，可滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)對一氧化碳傳感器的技術(shù)要求。

3.3 壓力影響測試

通過壓力槽模擬不同壓力條件，對傳感器進(jìn)行壓力影響測試。通過抽氣泵使壓力槽內(nèi)的壓力值在40～140 kPa范圍內(nèi)變化，以20 kPa為間隔進(jìn)行測試。在不同壓力測試點通入不同質(zhì)量濃度的一氧化碳。沒有壓力補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鞯娘@示值隨環(huán)境壓力的變化而變化，測量誤差很大，不能滿足使用要求。而經(jīng)壓力補(bǔ)償后的傳感器，在不同壓力影響下的顯示值變化很小，可滿足使用要求。

4 結(jié)語

本文提出了一種具有壓力和溫度補(bǔ)償?shù)?、基于WaveMesh無線自組網(wǎng)的礦用一氧化碳傳感器的設(shè)計方案。詳細(xì)介紹了一氧化碳的檢測原理，并給出了傳感器的總體設(shè)計和主要模塊的電路設(shè)計。該傳感器具有測量準(zhǔn)確、響應(yīng)快和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點。一氧化碳無線傳感器有效克服了安裝布線的難題，能為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。