避难硐室矿用多参数传感器设计.pdf

测试工具2020.13 108 1 电气结构设计 避难硐室矿用多参数传感器， 用于连续检测煤矿井下空 气中的甲烷、 一氧化碳、 二氧化碳、 氧气的含量， 各种参数配 置及标定均可通过遥控器来实现 , 具有精度高、 稳定可靠、 使 用方便等特点 [1-6]。 传感器既能单独使用又可与各种煤矿安 全监测监系统配套使用 [7-11]。 单元结构图如图 1 所示。 避难硐室矿用多参数传感器包括 STM32F407 数据处理核 心、 电池供电模块、 红外遥控及液晶显示的人机交互单元、 报 警单元、RS485 数据通信单元、 数据存储单元以及一氧化碳 一次传感信号处理单元、 氧气一次传感信号处理单元、 催化 甲烷传感信号处理单元、 二氧化碳数据处理单元等 10 部分。 2 功能设计 2.1 量程选择 传 感 器 的 量 程 范 围 设 计 如 下 甲 烷 部 分 （0.00 4.00）CH4； 一氧化碳部分 （01000）10-6CO ； 二氧化碳部 分 （0.005.00）CO2， 氧气部分 （0.025.0）O2。 传感器应以 百分体积浓度表示测量值， 采用数字显示， 其甲烷部分分辨 率为 0.01CH4， 一氧化碳部分分辨率 110-6CO， 二氧化 碳部分分辨率 0.01CO2， 氧气部分分辨率 0.1O2。 测量范 围， CH4， 0.001.00CH4， 误差不超 0.10 ； 1.003.00CH4， 避难硐室矿用多参数传感器设计 朱明亮1，2，3，孙晓东1，2，3 （1. 煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁抚顺， 113122 ； 2. 煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁抚顺， 113122 ； 3. 沈 阳煤炭科学研究所有限公司， 辽宁沈阳，110011） 摘要 在煤矿井下避难硐室中， 最基本的传感器组成为参数一氧化碳、 氧气、 甲烷、 二氧化碳和温湿度。 然而在现有 传感器中， 虽然已有温湿度二合一传感器集成， 减少了传感器数量和繁琐布线， 但目前很少具有四参数的传感器。 以 STM32F407 单片机为设计核心， 结合电化学一氧化碳、 氧气和催化甲烷以及红外二氧化碳传感器为一次传感元件， 经电 路处理， 实现一款专用于避难舱的传感器， 具有一氧化碳、 氧气、 甲烷、 二氧化碳四个参数监测预警功能， 并能接入煤矿安 全监控系统中。 简化了煤矿避难硐室结构布局， 节省了人力、 物力， 具有推广价值。 关键词 避难硐室 ； 多参数 ； 监控系统 ； 安全监测 Design of multi parameter sensor for mine in refuge chamber Zhu Mingliang1，2，3，Sun Xiaodong1，2，3 （1. Shenyang Research Institute Co., Ltd，Fushun Liaoning，113122；2. State Key Laboratory of coal mine safety technology，Fushun Liaoning，113122；3. Shenyang Coal Science Research Institute Co., Ltd，Shenyang Liaoning，110011） Abstract In the underground refuge chamber of coal mine, the most basic sensor consists of parameters carbon monoxide, oxygen, methane, carbon dioxide and temperature and humidity. However, in the existing sensors, although the temperature and humidity two in one sensor integration has reduced the number of sensors and cumbersome wiring, there are few sensors with four parameters at present. With stm32f407 single chip microcomputer as the design core, combined with electrochemical carbon monoxide, oxygen and catalytic methane as well as infrared carbon dioxide sensor as the primary sensing element, through circuit processing, a special sensor for shelter is realized, which has four parameters monitoring and early warning functions of carbon monoxide, oxygen, methane and carbon dioxide dioxide, and can be connected to the coal mine safety monitoring system. It simplifies the structure layout of the refuge chamber in the coal mine, saves manpower and material resources, and is worth popularizing. Keywords refuge chamber; multi parameter; monitoring system; safety monitoring 基金项目 煤科集团沈阳研究院有限公司创新引导项目 “物联网型便携式环境多参数测定器 （SYYD-20SY-001） ” 。 STM 32F 407核心 处理器 人机交互 单元 声、 光报 警单元 RS485通 讯单元 电源供电 单元 数据存储单 元 电化学一氧 化碳元件 电化学氧气 传元件 催化甲烷元 件 二氧化碳元 件 图 1 单元结构图 测试工具2020.13 109 误差不超真值的 10 ； 3.004.00CH4误差 0.3， 且甲烷 参数具有四级报警功能。 氧气误差为满量程的3； 二氧化碳 在 0.00.50 时为 0.10CO2， 在 0.00.50 时为 0.10CO2； 一氧化碳 0100ppm 不超过 4PPM， 在 100-500ppm 之间误差 为测量值的 5 ； 大于 500ppm 为测量值的 6。 2.2 遥控操作 首先按 “菜单” 键， 进入气体选择界面， 连续按 “菜单” 键 循环切换四种气体， 按 “确认” 键进入响应传感头的标定设置 界面， 按 “返回” 键退出遥控状态。 传感器零点标校流程如下 按 “菜单” 键， 传感器显示 “Ax.xx ” ， 按 “加” 或 “减” 键对显示数值进行调整， 调整到和 当前通气浓度相同， 按 “确认” 键， 数码管显示 “CCCC” 表明操 作成功， 显示 “EEEE” 表明操作失败， 重新尝试按 “确认” 键直 至成功， 按 “返回” 键， 倒计时 5 秒， 退出遥控状态。 灵敏度标 校 按 “菜单” 键， 传感器显示 “Bx.xx” ， 按 “加” 或 “减” 键对显 示数值进行调整， 调整到和当前通气浓度相同， 按 “确认” 键， 数码管显示 “CCCC” 表明操作成功， 显示 “EEEE” 表明操作失 败， 重新尝试按 “确认” 键直至成功， 按 “返回” 键， 倒计时 5 秒， 退出遥控状态。 传感器地址标校流程如下 按 “菜单” 键， 传感 器显示 “Dx.xx ” ， 按 “加” 或 “减” 键对显示数值进行调整至需 要的传感器地址， 按 “确认” 键， 数码管显示 “CCCC” 表明操作 成功， 显示 “EEEE” 表明操作失败， 重新尝试按 “确认” 键直至 成功， 按 “返回” 键， 倒计时 5 秒， 退出遥控状态。 3 关键技术 由于多参数传感器共有四个探头， 若采用传统并排方式 进行结构设计， 则传感器较大且不美观， 在标定时， 需逐一进 行摘掉通气罩子标定， 在生产调试时十分不便。 参考便携式 多参数测定器结构设计， 采用并排圆形结构设计， 将探头按 口字型分布， 大大节省了空间。 仅有一个标定罩子进行标定， 便于测试和生产。 4 测试 空气中甲烷标准气样采用经国家计量部门考核认证的 单位提供的气样， 其不确定度不大于 3。 表 1 各项试验所用气样应符合如表 1 要求 试验项目气样浓度，CH4 基本误差试验0.50、1.50、2.00、3.50 响应时间试验2.00 报警误差试验1.20 注标准气样值与标准气样标称值的允许偏离不超过 10 空气中一氧化碳标准气样应采用经国家计量部门考核 认证的单位提供的气样， 其不确定度不大于 3。 表 2 各项试验所用气样如表 2 要求 试验项目气样浓度，110-6CO 基本误差试验20、量程的 35、量程的 50、量程的 75 响应时间试验量程的 50 报警误差试验27 注标准气样值与标准气样标称值的偏离不超过 10 空气中二氧化碳标准气样应采用经国家计量部门考核 认证的单位提供的气样， 其不确定度不大于 3， 纯氮气要求 精度大于 99.999。 表 3 试验项目气样浓度，CO2 基本误差试验0.5、1.5、2.5、4.5 响应时间试验2.5 报警误差试验0.7 零点校准试验纯氮气 注标准气样值与标准气样标称值的允许偏离应不超过 10 氮、 氧标准气样应采用经国家计量部门考核认证的单位 提供的气样， 其不确定度不大于 1。 表 4 试验项目气样浓度，O2 基本误差试验0、15.0、25.0 响应时间试验纯氮气 报警误差试验15.0 零点校准试验纯氮气 注标准气样值与标准气样标称值的允许偏离应不超过 10 将传感器放于高低温箱内进行标定后测试， 测试结果如 下 传感器误差符合基本要求。 一氧化碳、 氧气、 二氧化碳三 部分能在测量范围内任意设置报警点， 报警显示值与设定值 的差值未超过 210-6C0。 甲烷部分应能在中心站软件设 置下可实现 4 级报警功能。 在测量范围内任意设置报警点， 报 警显示值与设定值的差值应未超过 0.05CH4。 5 结论 为了避免避难硐室传感器多尔复杂， 将一氧化碳、 氧气、 二氧化碳、 甲烷四种参数设计为一体。 实现了对避难硐室内 相关其他检测， 介绍了四参数的标定操作方式。 经测试各参 数符合各项传感器的误差基本要求。 适合煤矿井下避难硐室 使用。 参考文献 [1] 刘炎 , 张立斌 , 蒋泽 . 具有温度及压力补偿的矿用红外甲 烷传感器设计 [J]. 工矿自动化 , 2012, 386 7-10. 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