董康寧，楊晉芳

(1．北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100083；2.北京思優(yōu)特科技發(fā)展有限公司， 北京 100083)

0 引言

《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定：在煤礦井下大巷、回風(fēng)巷、采煤工作面、掘進(jìn)工作面、采空區(qū)等地點(diǎn)，需要對CO氣體濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并在氣體濃度達(dá)到或者超過預(yù)設(shè)定危險值時進(jìn)行報警。煤礦在運(yùn)輸巷打探水鉆孔時，干打眼導(dǎo)致鉆孔內(nèi)燃燒，會涌出大量CO氣體，容易發(fā)生CO氣體中毒事故，甚至導(dǎo)致人員死亡。采空區(qū)的煤氧化，產(chǎn)生CO氣體的同時伴隨熱量產(chǎn)生，隨著煤逐漸氧化達(dá)到自燃，會造成礦井火災(zāi)的發(fā)生。因此，CO氣體成為煤礦重點(diǎn)監(jiān)測的氣體之一，一般采用一氧化碳傳感器對CO氣體進(jìn)行監(jiān)測。一氧化碳傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能否正確反映被測環(huán)境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵[1-3]?，F(xiàn)有的一氧化碳傳感器檢測技術(shù)主要基于半導(dǎo)體和電化學(xué)等原理。基于半導(dǎo)體原理的一氧化碳傳感器采用的是半導(dǎo)體器敏元件，常用在民用行業(yè)，其檢測精度低?；陔娀瘜W(xué)原理的一氧化碳傳感器是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，價格低、測量精度較高，是當(dāng)前煤礦廣泛采用的一種CO氣體監(jiān)測方式[4]，但礦用電化學(xué)一氧化碳傳感器測量數(shù)據(jù)容易受烷類氣體、氫氣苯類等氣體及礦井環(huán)境壓力的影響，測量結(jié)果誤差大，且需定期調(diào)校[5-6]。鑒此，筆者研制了一種基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器，該傳感器相比傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器，具有紅外波長固定、測量數(shù)據(jù)不受其他氣體影響的優(yōu)勢，采用泵吸式原理可以維持壓力的穩(wěn)定性，精準(zhǔn)檢測出CO氣體濃度，保證了數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，且免標(biāo)校，維護(hù)方便簡單。

1 紅外原理及泵吸式的優(yōu)勢

1.1 非分散式紅外吸收原理

紅外氣體分子在紅外波段都具有一定的吸收帶，紅外光譜吸收法檢測氣體濃度的原理是通過檢測氣體投射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)，根據(jù)其變化情況來檢測氣體濃度[7-9]。 CO是典型的雙原子氣體分子，分子的動能包括振動動能和轉(zhuǎn)動動能，2種動能分別對應(yīng)于分子的振動頻率和轉(zhuǎn)動頻率，當(dāng)分子本身的固有振動頻率和轉(zhuǎn)動頻率同紅外輻射中某一段的頻率相同時，分子便吸收這一波段的紅外輻射能量，使紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為分子振動動能和轉(zhuǎn)動動能。CO分子在紅外某一波段有吸收，含有不同濃度CO氣體的混合氣體在該波段的吸收量各不相同。根據(jù)這一原理研制的一氧化碳傳感器具有檢測精度高且不受H2S、SO2、H2等干擾氣體的影響[10-11]。非分散式紅外吸收原理如圖1所示。

圖1 非分散式紅外吸收原理Fig.1 Principle of non-dispersed infrared absorption

1.2 紅外光學(xué)氣體原理檢測

紅外光學(xué)氣體原理檢測的關(guān)鍵還是光學(xué)原理,檢測模塊不會受磨損或化學(xué)反應(yīng)影響，維護(hù)保養(yǎng)簡單。利用紅外原理檢測氣體的獨(dú)特吸收光譜，CO氣體對4.5 μm的紅外輻射具有強(qiáng)烈的吸收，通過測量紅外輻射的初始能量和紅外輻射被氣體吸收后的能量，就能檢測出CO氣體濃度[12]。

1.3 微型泵吸式優(yōu)勢

目前多數(shù)傳感器采用擴(kuò)散式檢測方式，即通過自然的空氣流動使部分氣體進(jìn)入傳感器內(nèi)部進(jìn)行分析檢測，從而得出被測氣體濃度值。擴(kuò)散式檢測采樣速度緩慢，并且檢測結(jié)果容易受檢測環(huán)境的風(fēng)速、溫度等外界因素干擾，會存在誤差。而微型泵吸式檢測方式采用定制型迷你超低功率小氣泵，不僅可滿足礦用傳感器低功耗需求，而且采樣速度較快，同時可穩(wěn)定地對氣體進(jìn)行循環(huán)采樣，保證了傳感器氣流的穩(wěn)定性，且不受環(huán)境壓力的影響，測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

2 礦用紅外一氧化碳傳感器硬件設(shè)計(jì)

基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。 傳感器由礦用本安電源供電，經(jīng)DC/DC電源轉(zhuǎn)換(24 V轉(zhuǎn)5 V)后給所有芯片及接口供電，待測氣體由微型氣泵進(jìn)氣口吸入后經(jīng)出氣口進(jìn)入紅外一氧化碳探測器，探測器檢測到CO氣體后將信號以數(shù)字方式傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)驅(qū)動數(shù)碼管顯示，并將CO濃度信號以RS485數(shù)字信號方式輸出，且在CO濃度達(dá)到所設(shè)報警值時驅(qū)動聲光報警。

圖2 基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of mine-used infrared carbon monoxide sensor based on mini pump suction

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)采用8051系列單片機(jī)， 其有2路UART，一路用作接收紅外一氧化碳探測器信號，另一路用作RS485信號。紅外一氧化碳探測器將實(shí)時采集到的CO氣體濃度信號通過UART傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對氣體濃度信號進(jìn)行數(shù)字濾波、計(jì)算、線性化校正、溫度補(bǔ)償?shù)忍幚恚⑼瓿呻娫措妷簷z測、溫度檢測、CO濃度顯示、超限報警和信號輸出等功能。

2.2 微型氣泵

微型氣泵選擇低功耗的迷你型負(fù)壓泵SC3101PM，如圖3所示。電壓為DC5.0 V，電流為160 mA(最大為250 mA)，空載時真空流量大于500 mL/min，使用時整機(jī)功耗為DC24 V/120 mA(正常工作狀態(tài))。選擇該微型氣泵的原因是它不僅能滿足礦用產(chǎn)品本質(zhì)安全型要求，還能降低功耗，提升傳感器檢測效率，并能有效縮小傳感器體積。

圖3 微型氣泵Fig.3 Miniature air pump

2.3 紅外一氧化碳探測器

礦用紅外一氧化碳傳感器使用非分散式紅外原理的一氧化碳探測器。該探測器與單片機(jī)之間采用Modbus ASCII RTU TTL 數(shù)字通信方式，可以將所采集的氣體濃度信號精確地傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行分析、顯示。紅外一氧化碳探測器如圖4所示。

圖4 紅外一氧化碳探測器Fig.4 Infrared CO detector

2.4 聲光報警模塊

聲光報警模塊由發(fā)光二極管和低壓蜂鳴器組成,當(dāng)檢測到 CO 氣體濃度處于設(shè)定安全值以下時，單片機(jī)控制管腳輸出高電平,蜂鳴器和發(fā)光二極管不工作；當(dāng)檢測到CO氣體濃度超限時，單片機(jī)控制管腳的高低電平以1 Hz頻率變化,從而驅(qū)動發(fā)光二極管和蜂鳴器工作,完成聲光報警。

2.5 遙控電路

為使礦用紅外一氧化碳傳感器操作方便快捷，在傳感器設(shè)計(jì)中加入了遙控電路，在煤礦井下可通過遙控器在線調(diào)節(jié)報警值、顯示環(huán)境溫度。在有標(biāo)準(zhǔn)氣樣的情況下，使用紅外遙控器可對傳感器進(jìn)行零點(diǎn)與精度調(diào)校[8]。另外，使用紅外遙控器還可對傳感器的輸出接口信號進(jìn)行控制，防止誤傳信號到地面監(jiān)控室。

3 礦用紅外一氧化碳傳感器軟件設(shè)計(jì)

礦用紅外一氧化碳傳感器選擇STC12C5A32S2單片機(jī)作為主控芯片，用C語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對CO氣體的檢測。主程序?qū)崿F(xiàn)串口1數(shù)據(jù)采集、軟件濾波、LED數(shù)碼管顯示、聲光報警、遙控器按鍵功能設(shè)置、串口2數(shù)字通信等功能。軟件各功能模塊組成如圖5所示。

圖5 礦用紅外一氧化碳傳感器軟件功能模塊Fig.5 Functional modules of mine-used infrared carbon monoxide sensor software

礦用紅外一氧化碳傳感器主程序流程如圖6所示，主要實(shí)現(xiàn)一氧化碳數(shù)據(jù)采集、數(shù)碼管顯示、聲光報警及RS485信號輸出等功能。

圖6 礦用紅外一氧化碳傳感器主程序流程Fig.6 Flow of main program of mine-used infrared carbon monoxide sensor

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)氣樣對礦用紅外一氧化碳傳感器進(jìn)行性能測試，待紅外一氧化碳傳感器在清潔空氣中穩(wěn)定運(yùn)行20 min后，向氣室內(nèi)分別注入表1所示的標(biāo)準(zhǔn)CO氣體約3 min，待數(shù)值顯示穩(wěn)定后記錄傳感器顯示數(shù)據(jù)，本文對3 個傳感器進(jìn)行了測試，記錄數(shù)據(jù)見表1。

表1 濃度檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of concentration detection

依據(jù)AQ 6205—2006《煤礦用電化學(xué)式一氧化碳傳感器》，電化學(xué)一氧化碳傳感器濃度測量的基本誤差見表2。結(jié)合表1可看出，傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)低于表2的基本測量誤差要求。表明基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器設(shè)計(jì)精度完全滿足礦用傳感器的標(biāo)準(zhǔn)要求，適用于煤礦氣體檢測。

表2 電化學(xué)式一氧化碳傳感器濃度測量基本誤差Table 2 Basic concentration measurement error of electrochemical CO sensor

4.2 工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器在礦井實(shí)際環(huán)境中的工作穩(wěn)定性和有效性，傳感器配接KDY660/24B礦用隔爆兼本安型直流電源，在某礦井下采掘工作面、綜采工作面、回風(fēng)巷等不同地點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)6個月的工業(yè)性試驗(yàn)，且試驗(yàn)過程中不對傳感器進(jìn)行調(diào)校與維護(hù)，記錄傳感器運(yùn)行于不同采煤地點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器與電化學(xué)一氧化碳傳感器測試數(shù)據(jù)對比如圖7所示。從圖7可看出：電化學(xué)一氧化碳傳感器易受電磁干擾或者H2S、SO2、H2等氣體干擾影響而出現(xiàn)不正常的高濃度值，且長時間不標(biāo)校會出現(xiàn)靈敏度下降的現(xiàn)象。而基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器穩(wěn)定性好、靈敏度高、測量準(zhǔn)確，電源工作穩(wěn)定，且沒有受到粉塵、電磁干擾、高瓦斯沖擊及H2S、SO2、H2等有害氣體的影響，基本誤差均符合AQ 6205—2006《煤礦用電化學(xué)式一氧化碳傳感器》的規(guī)定。實(shí)際使用中，礦用紅外一氧化碳傳感器的維護(hù)周期大于6個月，主要維護(hù)操作是清潔處理，無需更換敏感元件及標(biāo)校。相比電化學(xué)一氧化碳傳感器每15 d 周期性標(biāo)校及干擾氣體造成的損壞等，礦用紅外一氧化碳傳感器大大降低了維護(hù)人員的工作量。

圖7 礦用紅外一氧化碳傳感器與電化學(xué)一氧化碳傳感器測試數(shù)據(jù)對比曲線Fig.7 Test data comparison curves of mine-used infrared CO sensor and electrochemical CO sensor

5 結(jié)語

基于微型泵吸式的礦用紅外一氧化碳傳感器采用泵吸式、紅外吸收技術(shù)，可穩(wěn)定地對氣體進(jìn)行采樣，在使用過程中不受烷類氣體、氫氣苯類等氣體及礦井環(huán)境壓力的影響，可對煤礦井下的CO氣體濃度進(jìn)行可靠、有效的監(jiān)測。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器相比傳統(tǒng)電化學(xué)一氧化碳傳感器，具有紅外波長固定、測量數(shù)據(jù)不受其他氣體影響的優(yōu)勢，同時，采用泵吸式原理能夠維持壓力的穩(wěn)定性，精準(zhǔn)檢測出CO氣體濃度，保證了數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，且免標(biāo)校，維護(hù)方便簡單。