[实用新型]一种宽范围甲烷传感器装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种仪器仪表测量领域的智能化数字采集装置，具体涉及一种适用于煤矿井下有瓦斯和煤尘爆炸的危险场所的宽范围甲烷传感器装置。

背景技术

目前，我国矿井下用的甲烷传感器头主要有催化元件或热导式气体分析器(即热导元件)两种结构方式。催化元件的作用是通过检测催化元件与参比元件的温差，获得浓度信号，随着甲烷浓度上升，元件温度必然上升，“激活”现象将不可避免；当被测气体中甲烷浓度大于4％时，电路将自动切断桥路的加热电流，然而实践证明，尽管有保护电路存在，还是不能有效保护传感器元件。催化元件在测量含有高浓度甲烷的气体时，因甲烷挤占了空气中氧气的含量，使催化反应不但没有加强，反而随着甲烷浓度增加而下降，浓度越高测量值反而越小，实际应用中这种特性存在着极大危险，这就是长期困扰人们的二值性误测问题。按照AQ6203-2006的标准，催化元件只是应用在低于4％的甲烷浓度测量中，高浓度甲烷测量必须采用其他方式进行解决，按照AQ6204-2006的标准，热导元件可以应用在4％～40％或者4％～100％的甲烷浓度测量中。但是，使用热导元件进行分析有两个必要条件：第一，其余各组分的导热系数必须相同或十分接近；第二，待测组分的导热系数对比其余组分的导热系数，要有显著差别，差别愈大，则测量愈灵敏。因此，整个热导元件的灵敏度受气体环境影响较大，测量精度是一个问题。并且长期以来，传感器头和信号放大电路位置较近，但是和模数转换电路或者是CPU模块电路总是由于基准电压、外围电路的驱动等原因距离较远，通常在10cm以上。弱信号远距离传输抗干扰能力差，前级放大级数太多，引入的放大噪声增大，而且可能造成本身自激。在甲烷气体浓度0～40.0％甚至0～100％的环境中进行全范围测量是煤矿井下的一种迫切需求。

实用新型内容

针对现有技术中矿井下用的甲烷传感器头受气体环境影响较大，随着甲烷浓度上升元器件容易产生误测现象，以及检测范围较窄的不足，本实用新型提供一种能够扩大测量范围、提高测量精度、增加测量稳定度的宽范围甲烷传感器装置。

本实用新型的技术方案是：一种宽范围甲烷传感器装置，包括传感器壳体，在传感器壳体内设置有CPU模块和电源管理模块，其特征在于：CPU模块与传感器头信号采集电路、红外遥控电路、数码管显示电路、铁电存储电路、信号输出电路、电源管理模块和报警电路相连接；CPU模块为控制核心，单向接收传感器头信号采集电路和红外遥控电路的输入信号，CPU模块单向输出信号到数码管显示电路、信号输出电路和报警电路，CPU模块与铁电存储电路实现双向信号传递；所述CPU模块由低功耗单片机、复位电路、晶振电路和下载和调试端口组成。

进一步的技术特征，所述CPU模块的单片机系统是基于MSP430F149单片机电路构成。

所述红外遥控电路包括红外接收和解码电路。

所述传感器头信号采集电路是由甲烷传感器头和基于MSP430F2013芯片的AD转换电路组成。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型采用催化元件和热导元件相结合的结构，在甲烷浓度低端(＜4％)采用催化元件测量保证高精度的要求，在甲烷浓度高端(4％～40％或者4％～100％)采用热导元件测量保证宽范围的要求，测量的分段切换由软件控制，实现智能化转换，全范围内无缝测量；

2、采用MSP430F2013微型单片机作为一个模数转换芯片置于信号放大电路部分，实现最近距离、高精度模数转换，一方面缩短了弱信号的传输距离，另一方面内置的16位模数转换，基准电压3.0V由内部提供，实现稳定的基准，可达4.58μV的高精度转换；

3、传感器头信号采集电路和CPU模块之间采用I²C方式通信，不使用传统的模数转换并行数据输出的方式，可以提高抗干扰能力，并且减少连线，便于安装和调试；

4、手动设置一改传统的键盘输入方式，采用了红外遥控技术，整个传感器装置没有直接的按键裸露部分，增加了分站在井下瓦斯和煤尘环境下的安全性、可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型一种宽范围甲烷传感器装置的原理结构图；

图3为本实用新型传感器头信号采集电路图；

图4为本实用新型单片机通信部分电路图。

图1中，1-CPU模块，2-传感器头信号采集电路，3-红外遥控电路，4-数码管显示电路，5-铁电存储电路，6-信号输出电路，7-电源管理模块，8-报警电路，11-传感器壳体。

具体实施方式