瓦斯探测器零点校正技术的研究*

于春雨，潘春鹤，于晓霞，张光臻

（哈尔滨理工大学测控技术与仪器省高校重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080）

0 引言

在煤炭开采过程中，事故时有发生。这些事故中，尤以瓦斯爆炸造成的损失最大，每年的事故统计结果表明，有70%左右的特大事故源于瓦斯爆炸，瓦斯已成为煤矿危害之王［1］。为此，国家把“重特大事故大幅度减少”作为煤矿安全生产“十二五”规划目标，并且一直坚持“安全第一、预防为主”的原则。瓦斯探测器用于煤矿井下、地下管道、隧道等地下工程周围空气环境中的瓦斯浓度检测和超限报警，从而预防此类事故的发生。为此，瓦斯探测器的研究重点是如何克服零点漂移、提高稳定性［2］。目前广泛使用的瓦斯探测器所采用的零点校正技术主要有2种，一种是基于软件的零点校正技术;另一种是软件与硬件相结合的零点校正技术［3］。以上2种方法的缺点是软件成本的增加。针对以上问题，本文提出了基于恒温控制电路的零点漂移自动校正技术，该方法以较低的成本实现了瓦斯探测器的定时自动调零点。

1 催化燃烧传感器的零点漂移

催化燃烧法是检测瓦斯气体的一种重要的方法［4，5］。催化传感器长期以来一直采用的检测方法为电桥检测。即催化敏感元件r1，补偿元件r2，电阻R1，R2组成惠斯顿电桥。如图1所示。其基本原理是，电流流过催化敏感元件r1时，使其温度为500℃左右，瓦斯接触催化元件表面会发生氧化反应，使催化敏感元件r1温度升高，阻值增大，电桥输出的不平衡电压即反映被测瓦斯的浓度。但是这种传统检测方法存在检测范围小、响应速度慢、传感器使用寿命短等问题［6，7］。

图1 催化传感器惠斯顿电桥示意图Fig 1 Wheatstone bridge diagram of catalytic sensor

催化传感器的以上问题，靠传感器本身的制作工艺是无法解决的，而采用新的检测方法，使催化传感器在检测可燃气体时始终工作在恒温状态，敏感元件的物理特性保持不变，从而从根本上解决上述问题。

影响瓦斯探测器精度的另外一个重要因素是零点漂移。催化传感器零点漂移是指:在正常大气条件下，催化传感器的零点输出值随时间的缓慢变化［8］。零漂与正常信号发生叠加，不仅影响测量精度，而且可能导致瓦斯探测器的误报和漏报。因此，减小或消除零漂对提高催化传感器的检测可靠性有非常重要的意义。

产生零漂的主要因素是工作环境干扰，其主要是温度的影响;其次由于催化传感器在高温的条件下载体颗粒、铂丝等物理特性发生了变化［9，10］，催化传感器基本结构如图2所示。零漂是随机误差是不可避免的［11］。

图2 催化传感器基本结构示意图Fig 2 Basic structure diagram of catalytic sensor

2 自动零点校正方案

在纯净大气条件下，催化传感器输出信号应为零，此时如果发生零点漂移，完全可以进行简单的信号处理，即输出信号减去零漂值即可。但是在有可燃气体环境中，零漂信号与检测信号混为一体难以区别。

本文提出的零点校正的基本思想是通过恒温控制电路使催化燃烧式传感器工作在较低温状态，使之不与气体发生反应，这时的输出电压可以认为是低温时传感器的零点漂移，然后根据一定的比例关系算出正常工作温度下的零点漂移。综合上述思路以及实验结果得到如下关系式

式中VL为零点漂移，VC为参比元件上的电压，VL'为低温时传感器的零点漂移，VC'为低温时参比元件上的电压。所以，零点漂移为

3 电路设计

依据上述分析设计的瓦斯探测器硬件框图如图3所示。

图3 硬件设计框图Fig 3 Block diagram of hardware design

测试电路主要由参考电压电路、恒温控制电路、气敏元件、放大电路、调零电路以及单片机系统等部分组成。

首先通过控制电路对气体传感器进行调零和恒温控制。控制电路由单片机提供信号。气体传感器的信号经过放大处理和脉宽调制处理送入单片机。根据标准气体标定时的模拟电路输出电压，可以得到气体浓度和输出电压的关系，由此就可以准确的探测出瓦斯气体在每一个浓度变化下的测量值。

本文主要阐述传感器恒温控制电路、调零电路及放大电路的设计。

3.1 恒温控制电路

恒温控制电路原理框图如图4所示。其基本原理是:当外部条件改变使传感器上的温度高于（低于）预设温度时，通过反馈环节降低传感器上的电压使传感器温度降低（升高）。即当瓦斯在敏感元件表面发生氧化放热反应，使催化传感元件的温度升高，阻值增大，电桥输出不平衡，这种不平衡经由反馈电路反馈至恒温控制电路，恒温控制电路控制流经电桥的电流下降，使敏感元件温度下降，阻值减小，直到电桥重新恢复平衡状态。

这种负反馈由一个运放组成的比较器来实现，由于运放的输出能力较小，所以，在运放的输出端用了一个达林顿管来增强电流输出能力。

图4 检测电路组成框图Fig 4 Block diagram of composition of detecting circuit

3.2 调零电路

零点设置不当会使测量电路的输出在A/D的转换范围之外，因此，调零电路是不可或缺的。目前，调零电路多采用专用芯片的数字电位器，这种芯片与MCU的接口一般为I2C或SPI，位数在5位到10位之间。使用这种芯片的优点是调节精确。缺点是价格较高，需要占用通信接口，软件开销增加。本文采用模拟开关芯片CD4051配合电阻网络设计了数字电位器，使得探测器成本降低，如图5所示。图5中MCU的 P15，P16，P17接到4051芯片A，B，C端，在MCU的控制下芯片会自动使不同通道导通。4051的COM口与电桥电路B点相连，这样就使电阻R1～R9中的1个电阻或多个电阻串联后与R11并联。从而控制B点电位。这样就能通过P15，P16，P17电平的变化控制B点电位。当瓦斯通过气敏元件时，会使R10阻值发生变化，A点电位也随之变化。

图5 调零电路设计图Fig 5 Design diagram of zero-adjusting circuit

调零时不需要调到绝对零电位，只需根据实际使用的敏感元件和参比元件可能出现的最大差值，选择合适的R1～R9阻值，即可以完成所需的调零工作。

4 测试与结果分析

催化传感器零点漂移随时间增加，要观察到非常明显的零点漂移现象需要很长时间。本实验通过人为较大预置零漂，再采用上述方法进行零点校准，减少了实验周期。表1是5只传感器的实验数据，从中可以看出:1号传感器的校准后的零点残留偏差为校准前的1.5%，2号传感器的校准后的零点残留偏差为校准前的2.1%，3号传感器的校准后的零点残留偏差为校准前的1.9%，4号传感器的校准后的零点残留偏差为校准前的10.8%，5号传感器的校准后的零点残留偏差为校准前的19.4%。据实验结果分析证明式（2）得到的结果与测量结果接近，校准后的残留偏差与未经校准的输出值相比减少了近1个数量级。

表1 传感器校准实验数据Tab 1 Calibration experiment data of sensor

5 结论

通过自动零点校正的理论分析和样机的验证，基于恒温检测电路的定时自动零点校正技术很好地解决了催化传感器工作寿命和稳定性的问题。该技术采用比较简单的原理实现了提高测量精度的目的。采用模拟开关配合电阻网络代替数字电位器，降低了成本。同时免除了手动校准，减少了维护成本。

［1］安全管理网.煤矿瓦斯事故发生原因及控制措施［DB/OL］.［2011—03—22］.http://www.safehoo.com/Tech/Coal/201103/175599.shtml.

［2］王汝林，赵 钢.自动校零瓦斯传感器［J］.煤矿自动化，2000（2）:8－10.

［3］陈永占.新型全量程甲烷检测与的研究与设计［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

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［5］刘志存，于海珠.催化元件配对工艺及瓦斯监测方法优化［J］.传感器技术，2005，24（2）:81 －83.

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