甲烷感測器

甲烷感測器在煤礦安全檢測系統中用於煤礦井巷，採掘工作面、採空區、迴風巷道、機電峒室等處連續監測甲烷濃度，當甲烷濃度超限時，能自動發出聲、光報警，可供煤礦井下作業人員，甲烷檢測人員，井下管理人員等隨身攜帶使用，也可供上述場所固定使用。

基本介紹

• 中文名：甲烷感測器
• 外文名：甲烷感測器
• 套用：用於煤礦安全檢測系統中
• 何種CPU：採用40-PIN的 PIC16F877A

基本簡介

技術參數：檢測氣體：甲烷檢測原理：紅外原理檢測範圍：0～100%LEL、50%Vol、100%Vol可選解析度：0.1%LEL（0～100%LEL）、0.01%Vol（0～100% Vol）檢測方式：泵吸式顯示方式：LCD液晶背光顯示檢測精度：±2%.FS報警方式：聲光報警(報警點可調)回響時間：小於30S恢復時間：小於40S線性誤差：±1.0%不確定度：2%Rd±0.1零點漂移：≤±2.0%FS/年跨度漂移：≤±1.0%FS/月工作電源：DC3.6V感測器壽命：5年以上使用環境：溫度-20℃~+70℃；相對濕度≤95%RH（非凝露）；在凝露環境下使用需訂製電池容量：3.6VDC，5000mA ,帶充電保護功能 外型尺寸：180×190×100mm(L×W×H)標準配件：0.8m採樣手柄一根，儀器箱一個，充電器一個重 量：1.5Kg

功能特點

☆ 具有自動調零功能；

☆ 標校可靠性更高，性能更穩定，使用更簡單方便；

☆ 採用高解析度的單片機，測量的數值均準確可靠；

☆ 開機並具有自動穩零功能；

☆ 可選擇的調試選單結構，方便調試，操作簡單。

原理

一般採用載體催化元件為檢測元件。產生一個與甲烷的含量成比例的微弱信號，經過多級放大電路放大後產生一個輸出信號，送入單片機片內A/D轉換輸入口，將此模擬量信號轉換為數位訊號。然後單片機對此信號進行處理，並實現顯示，報警等功能。

見右圖：

智慧型甲烷感測器

一．甲烷的敏感元件

MH-440V/D 紅外氣體感測器是通用型、智慧型型、微型感測器，該感測器利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CH₄進行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩定、壽命長。內置溫度感測器，可進行溫度補償。該感測器是將成熟的紅外吸收氣體檢測技術與微型機械加工、精良電路設計緊密結合，製作出的小巧型紅外氣體感測器。

該感測器使用方便，可直接用來替代催化燃燒元件，廣泛套用於存在可燃性、爆炸性氣體的各種場合。

二．用敏感元件組成的測量電路

被測; 非電量

輸出電量

敏感元件

轉換元件

轉換電路

感測器的組成

輔助電源

三．調節信號電路

四．進行A/D轉換

CS5521晶片為20腳 PDIP或SSOP封裝。其結構如圖 1所示，由多路復用器、20倍斬波穩定測量放大器，可程式增益放大器 (PGA)、帶有數字濾波器的 16位?－Σ A/D轉換器及片上校驗電路 (Calibration)和暫存器構成。雙色紅外

探測器(inGaSn,Si)是電流源，兩路信號電流分別經串接電阻 R1、R2(或串接 R1′、R2′)形成電壓差，它們作為 CS5521兩通道的差分輸入信號。電容 C1、C2與電阻並聯以抑制高頻干擾。將NBV端接地，

在使用 25mV、55mV、100mV 三個量程

時，輸入共模電壓要在1.85V～2.65V之間，由 LM385－2.5產生2.5V電壓來滿足。考慮到所測紅外信號強弱差異，僅靠CS5521片內放大器增益調節不能滿足故加開關MAX4580來改變串接電阻大小。信號電流　≥5μA 時，僅 R1、R2接入；信號電流<5μA時，由 89C2051 的P1.3腳控制接入R1′、R2′來檢測微弱信號。可通過 CS5521自校驗來實現自調零和增益設定。若要測每個通道信號的精確值，除2.5V量程外都需要進行系統校驗，否則可能產生多達 20%的增益誤差。系統校驗時，外部需要提供如圖 2(b)、圖 2(c)所示的精確基準電路。校驗結束後，將各量程的偏置值和增益值存入 2051的程式中，在轉換量程時將相應值送入各自暫存器即可。若僅需信號的相對值，可進行線上自校驗。整個電路由 20腳的 89C2051來控制。/CS端始終有效，SCLK為串列時鐘輸入端，SDI為 CS5521串列命令/數據輸入端，SDO為CS5521數據輸出端　空閒時為高電平，高電平向低電平轉變用來指示晶片 A/D轉換數據可取或校驗結束、

五．採用何種CPU

採用40-PIN的 PIC16F877A

1. 低功耗。靜態電流一般為2mA，睡眠狀態下最低可小於 1μA。在節能和本安方面有比較大的優勢。

2. 工作電壓範圍寬，可在2.0～5.5V 電壓範圍內工作。

3. 引腳驅動能力強，可以承受5V 電壓。引腳灌入或拉出電流都能達到25mA，可以直接驅動數碼管顯示，不需要反相器等外接驅動。可任意定義I/O的輸入/輸出方向，可以設定內部上拉電阻，省去外接上拉電阻。

4. 速度快。工作頻率最高可達20MHz，每個指令周期僅 200ns，有多種時鐘模式。引入指令執行流水線機制。

5. 集成有10 位，8通道的高精度 A/D轉換器，並集成片內基準電壓，也可以選擇外部基準電壓，不用的模擬連線埠還可以復用為普通數字I/O 口。

6. 集成了通用同步異步收發器，即USART 模組，既可以配置為全雙工的異步通信模式，又可以配置成半雙工的同步通信模式，可按實際數據通信的需要靈活套用。

7. 集成兩個CCP 模組。兩個CCP 模組可以獨立編程，可以配置為Capture(捕捉)、Compare(比較)、PWM(脈寬調製)中任意一種功能模式，用於實現捕捉、比較、脈寬調製。

8. 自帶獨立的看門狗定時器(WDT)。在設計上和其它電路完全獨立，看門狗定時器自帶片內RC 振盪器，看門狗功能可以在晶片燒寫時由晶片的配置字決定打開或者關閉，避免軟體出現死循環。

9，不需加裝存儲器。有8K 位元組的可擦除Flash 程式存儲空間，電可擦除，可以重複燒寫大於 10萬次； 256位元組的 EEPROM數據存儲空間，可以在感測器調校後存儲零點、係數、非線性補償數據等參數及儀器編號等信息；368位元組的RAM 數據存儲空間允許進行複雜的算法設計，軟體編程靈活，有利於提高儀器的精度。

六．顯示電路

數碼管選用三位紅色共陽數碼管，位選端為高電平時，顯示段碼；位選端為低電平時，數碼管熄滅。Ll、L2、L3是三位數碼管的位選端，分別接到單片機的RB3、 RB4、RBS引腳；DO～D7是數碼管的段碼引腳，分別接到單片機 D口的 RDO～RD7。 RLORL7是 380Ω限流電阻。LED1和 LED2是工作狀態指示 LED。B6和 B7是控制端，直接接到單片機的RB6 和RB7 引腳。當瓦斯感測器工作在低濃度檢測時，LED1閃爍；當瓦斯感測器工作在高濃度檢測時，LED2閃爍。B6 和B7 輸出高電平時，LED熄滅； B6和 B7輸出低電平時，LED 發光。RS11和 RS12分別是 LED1和 LED2的限流保護電阻，阻值為380Ω。

七．超出多少純度，聲光報警

瓦斯檢測儀在井下工作，對環境氣體中的瓦斯濃度進行實時監測；當瓦

斯濃度超過預先設定的上限值時，系統發出聲光報警。聲報警通過驅動蜂鳴

器發聲實現；光報警通過發光二極體閃爍實現。

分類

通常分為固定式和攜帶型兩種。

發展

甲烷感測器是一種礦用儀器儀表，必須首先滿足井下安全生產的規程，但較其他普通感測器又必須有如下主要特點：具有自動調零功能;標校可靠性更高，性能更穩定，使用更簡單方便;採用高解析度的單片機，測量的數值均準確可靠;機並具有自動穩零功能;可選擇的調試選單結構，方便調試，操作簡單。現有的甲烷感測器普遍存在著功耗較大、功能單一、精確度不高的缺點，而且採用模擬電路技術，造成系統的抗干擾能力和智慧型化程度都很低。因此，研製便於攜帶、多功能、高精度和抗干擾能力強的高可靠性甲烷檢測儀具有很大的套用價值。

新型的甲烷氣體感測器必須具有可靠、穩定、安全的測量井下瓦斯功能，這有這樣的感測器才能對預防井下安全事故起到了重要作用，也才具有推廣套用的價值。

紅外感測

紅外甲烷感測器是針對監測管道內甲烷氣體濃度而研製的甲烷氣體檢測儀，該儀器採用紅外吸收原理、擴散式採樣、數字式溫度補償、一體化塵水分離器等技術，檢測精度高、環境適應能力強、穩定可靠。適用於煤礦瓦斯抽放管道、瓦斯抽放泵站、加氣站輸氣管路、瓦斯發電廠輸氣管路、城市煤氣管路、天然氣輸氣管路等甲烷氣體檢測。

紅外甲烷感測器功能特點

採用紅外吸收原理性能可靠、壽命長，調校周期>1年一體化塵水分離裝置，不會因管道內含水含塵而影響檢測精度特殊的氣路設計，適用於正壓及負壓管道甲烷濃度檢測採用紅外遙控設定感測器參數及標定，使用簡單方便溫度補償精確、精度不會因溫度變化而漂移抗干擾能力強，檢測精度不受水蒸汽、H₂S、H₂、SO₂等等雜質氣體影響提供頻率、電流、RS-485、CAN等數據輸出接口，與多種監控系統分站兼容。

技術指標

測量氣體	CH4及其它碳氫氣體	溫度範圍	-20℃ ~ +60℃
工作電源	直流：9～24V; 電流：<120mA	濕度範圍	0% ~99%RH; 無結露情況
防爆類型	礦用本質安全型	輸出信號	200~1000Hz； 4~20mA； RS-485、CAN
量 程	0~100%體積比	回響時間	T90<20s
漂 移	<2%F.S/年	使用壽命	>5年
精 度	0~1.00%CH4：絕對誤差<±0.1% CH4； 1.00~4.00% CH4：絕對誤差<±0.2% CH4； 4.00~100.0% CH4：相對誤差<±5%。