基于数字温度补偿的矿用氢气传感器.pdf

76 ELECTRONICS WORLD・探索与观察 图3 稳态下ip－iq法检测的基波电流波形 图4 暂态下ip－iq法检测的基波电流波形 在稳态情况时，从基波电流分量我们进行FFT的分析可以得出 其THD为0.73，我们可以得出在ip－iq法下可以很好的分离出非线 性负载中的基波分量且其中含有的谐波分量很少。因此可以得出， 在理想的稳态下ip－iq法的谐波检测精度符合要求。 在实际电网中，电源电压会产生畸变，仿真验证检测方法在电 压源突变时的检测效果，在0-0.3s，加入10的5次谐波、8的7次 谐波。得到电流基波分量波形如图4所示。 由图4可以看出，向系统注入10的5次谐波和8的7次谐波 时，法能很好的分离出非线性负载的电流的基波分量。从基波电流 分量我们进行FFT的分析可以得出其THD为0.09，与稳态情况下 比无明显变化。因此可以得出，在暂态下法的谐波检测精度也符合 设计要求。 结束语使用检测时，并没有涉及电源电压，只用到电压的相 位，因此只需要提取电压相位，所以使用该方法的优点是在电网发 生畸变时或加入谐波分量时检测结果不会受到影响，缺点是对于锁 相环具有更高的要求。 基于数字温度补偿的矿用氢气传感器 煤科集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室 沈阳煤炭科学研究所有限公司 孙晓东 氢气是一种极易扩散的气体，氢气检测在煤矿安全生产 方面至关重要。然而市场上大部分氢气传感器虽满足企业 自制的标准，但现有氢气检测装备多无温度补偿、基线补 偿和线性补偿。传感器误差大，尤其在高浓度段误差为探 头误差，未做补偿，直接用于对氢气测量受温度影响漂移 范围较大，线性误差较大。因此设计一款具有数字温度补 偿的矿用氢气传感器，以电化学特种气体探头作为一次传 感元件，经电路I/V变换及信号处理，以STM32F407单片机 为设计核心，实现对氢气传感器功能。经送检认证试验证 明温度补偿效果明显，误差较低，线性度在高量程段误 差仅为30ppm，远高于市场现有氢气传感器指标，具有一 定推广性。 1 功能结构 如图1所示，传感器主要包括核心数据处理单元、人机 交互单元、声光报警单元、数据存储单元和RS485通讯单 元。其中人机交互单元由红外遥控接收电路和数码管显示电 路以及485收发状态指示电路组成；电池供电单元由电磁兼 容电路、缓启动电路和稳压降压电路等组成；声光报警单元 由无源蜂鸣器驱动电路及光报警电路组成；数据采集单元主 要由温度传感器和模数转换放大电路组成。 图1 结构图 2 电化学工作原理 图2 探头结构图 77 ELECTRONICS WORLD・探索与观察 本设计采用三电极电化学传感器作为一次气体敏感元件。 如图2所示气体探头采用扩散式检测，当气体扩散到探头敏感电极时 敏感电极对气体发生氧化反应，其化学反应方程式为 H2→2H2e- 参比电极只要维持电位的恒定，参比电极不发生反应，使得当空气 中一氧化碳含量增加时，传感头产生对应浓度的变化的电流大小。通过 对电流信号的采集放大，实现对不同浓度氢气的检测。 反应过程中，反应物为进入传感器的气体，实际上电极对反应只起 到催化作用，并未直接消耗，因此可以保证传感器正常工作。 出来，运放应选择具有大增益、低失调的运放来对电路进行 电流电压转换处理。 4 温度测试及补偿 通过对氢气进行温度特性测试，将氢气传感器通入 350.1ppm的标准气体进行标定，分别在0℃、10℃、20℃、 30℃、40℃下分别通入25.2ppm、350.1ppm、443.8ppm、 900.3ppm的标准气样测试各个温度下的数据。采用数字式单 总线温度传感器DS18B20对温度进行采集。经测试数据分析 图3 电化学电路 3 硬件设计 信号采集及处理电路中必须保证任何情况下信号输出所接电 阻两端电压在10mV以下，从而提高传感器的性能参数，当阻值越 低时，电路的响应越快，但电路的噪声变大，因此选择一个很小的 适合的阻值来协调响应速度与噪声。当电路开启时运放只能有一个 小的偏置电压很重要，若偏置较大则会造成电路开启时，要经过一 个漫长的稳定时间，因此运放的选择上要选择偏移较小的运算放大 器。由于探头输出为nA级信号，因此为了使得信号更好的被测量 气体变化率随温度变化曲线如图4所示。 5 软件设计及测试 氢气传感器软件流程图如图5所示开 机后首先对传感器进行初始化，读取标定配 置信息，然后进入数据采集环节，采集完成 则进入数据处理，主要做平滑滤波处理，然 后对数据进行温度补偿、数据显示。 将温度补偿后的氢气传感器进行高低 温测试，当通入25.2ppm标准气样时，补 偿前低温0℃时为24ppm，高温为16ppm， 当通入900.3ppm标准气样时补偿后0℃时为 870ppm，高温为890ppm。 图4 氢气电化学温度曲线图5 氢气软件流程图 结论本文对氢气传感器各个模块结构进行设计，通过对探头 各个温度段的特性进行摸底测试，经过温度补偿、线性补偿、基线 漂移补偿设计，最终实现传感器具有数字温度高低温补偿功能。经 过高温、低温、高浓度、低浓度测试，补偿后的数值相比补偿前数 值更接近实际使用的标准气样值。效果显著，具有推广价值。 煤科集团沈阳研究院有限公司创新引导项目（SYCX- 20SY-002）。