井下多参数检测仪温度补偿算法的研究*

周荣艳　李　孟

(南阳理工学院　南阳　473000)



井下多参数检测仪温度补偿算法的研究*

周荣艳李孟

(南阳理工学院南阳473000)

近年来,能在同一时刻检测煤矿井下多种气体含量和温湿度指标的多参数检测仪成为发展趋势,但是由于这种检测仪所适用的场合特殊,井下环境中温湿度指数较为多变,而检测仪中的气体传感器的前端器件又容易受到温度的影响而导致测量精度的下降。因此,论文为了解决这一问题研究了一种温度补偿算法。同时将此算法应用于以FPGA为主控芯片的检测仪上进行算法的实现。最后通过仿真软件将引入算法之前的数据与引入算法之后的数据分别进行拟合,对得到的信号比—温度曲线进行对比验证,从而证明该温度补偿算法的合理性和正确性。

多参数; 气体检测; 温度补偿

Class NumberTP311

1　引言

随着技术的发展和对产品质量要求的提高,能够同时检测多种气体含量参数的多参数煤矿井下气体检测设备越来越多地应用于煤矿工业生产中,为了能够保证检测多种煤矿井下气体的气敏传感器能够正常工作,一般在这种检测设备上还加装有温湿度传感器,其主要作用是用来检测煤矿井下环境中的温度与湿度参数[1],同时根据检测到的温湿度参数来对气敏传感器的检测数据进行一定的补偿和校正,从而提高气敏传感器的精确度。这是由于气敏传感器因本身工艺或制造材料的影响,当温度发生变化的时候会出现温度漂移的现象。而这一现象会降低检测仪测量精度[2]。

为了降低或消除此影响,近年来针对于此方面的研究也取得了很大的进展,本设计在以FPGA为主控芯片的井下多参数气体检测仪硬件平台上[3],在对整个系统电路设计基础上研究了对气敏传感器的温度补偿算法,此算法是基于在对气敏传感器特性进行研究和对多参数井下检测仪的硬件平台的设计基础上,与理论研究相结合开发的,通过实验验证该算法能够有效降低气敏传感器由于温度变化而引起的误差,从而提高井下多参数气体检测仪在煤矿井下温度多变的环境中使用时的检测精度。

2　硬件设计

本文中所研究的井下多参数检测仪主要是对井下复杂环境中的混合气体的浓度进行检测,主要检测CH4、CO、O2、H2S这四种气体的含量,包括对井下环境中的温、湿度两个参数进行检测[4]。系统的硬件电路设计框图如图2所示,主要是由对应四种检测气体的气敏传感器及相对应的信号调理电路、A/D转换电路、主控单元(FPGA芯片)及其外围电路、显示电路、按键键盘等几部分所组成。

图1　硬件电路设计框图

本设计采用FPGA处理器作为井下便携式多参数检测仪的核心芯片,芯片选择Altera公司的Cyclone II系列中的EP2C8Q208C8N。首先气敏传感器通过前端敏感元件将对应的需检测气体浓度进行转换,通过传感器内部的转换电路和测量电路将气体浓度转换为后续电路可以测量和处理的电信号,通过传感器输出的模拟电信号通过信号调理电路将进行必要的放大和处理[3],可将微弱的电信号转换为可以被A/D芯片处理的模拟信号,之后将此模拟信号通过A/D转换为数字信号,将这一数字信号传输给主控单元进行处理,主控芯片收到A/D转换芯片的信号后,对数据进行计算和处理,同时温、湿度传感器也将检测到的信号传送给主控芯片进行处理,主控芯片在将读取到的四种气体浓度和温、湿度数据进行计算和处理之后[4],进行分析验证与补偿校正,最后将这些处理结果通过液晶显示装置进行显示,同时将数据存储在dataflash中,可作为历史数据进行监测和查询[4]。在对四种气体进行检测时,还需对其气体含量进行爆炸三角形算法进行计算,当气体的含量超出了危险阈值时,主控芯片通过控制声光报警模块进行报警,以防出现危险情况。同时,本装置也有很好的人机交互平台,使用者可通过键盘设备对井下多参数检测仪的各个参数进行所需要的人为设置,以适应不同的环境需求和不同的工作场合。

3　温度补偿算法原理

查看元件的使用手册可知其温度曲线的信号比率近似的成线性关系。假定温度曲线的函数为

R=f(x)

(1)

式中x是温度取值,R是信号比值,可得温度补偿公式:

(2)

式中V0是传感器检测到的电压信号,T是实测温度值,V是进行温度补偿之后的电压信号。

若要推导函数式(1),可采用曲线拟合的方式来进行计算,从而求得其近似值,在此选取最小二乘法来进行拟合计算[5]。

最小二乘法拟合原理:给定数据组(xi,yi)(i=1,2,…,n),给定函数类H,计算函数ψ(x)∈H,使

(3)

的值最小,也就是

(4)

运算函数ψ(x)就是上述数据组的最小二乘常数,一般H是一些简单函数集合。一般情况下多项式拟合的拟合函数如下所示

Pm(x)=a0+a1x+…+amxm

(5)

若

=F(a0+a1+…+am)

(6)

的取值最小,即选取参数ai(i=0,1,…,m),使

(7)

由于H是小于或等于m次多项式集合。Pm(x)就是该数据组利用最小二乘法拟合之后所得多项式。依据多元运算函数取其极值的必要条件,即其偏微分的值为零,得方程组(8)如下:

(8)

简化为

(9)

即

(10)

上述过程中的两个变量实测温度值和信号比值(T,R),通过这样的一组成对数据即可得到两个变量的关系,如:(T1,R1)(T2,R2),…,(Tm,Rm)。建立T-R直角坐标系,并将以上记录数据标注进行标注,通过观察可以直观地看到这些点近似的分散在一条直线上,依据此可得直线表达式:

R(x)=a0+a1T

(11)

式中参数a1和a0取值范围为R。但要求得直线方程就必须求得a1与a0。根据最小二乘法运算原理[6],将数据组(Ti,Ri)代进方程式(10),即

(12)

从测量得到的温度曲线图上,对其中的10个(T,R)值作为一组,将其代入式(12)中,将其加以计算即可得到所要确定的参数a0和a1,将其值代入式(11)中即可得传感器的温度补偿公式。

4　温度补偿算法实验验证

根据测试实验针对,并记录下每个浓度值对应的温度值。各气体浓度与温度对比数据如表所示,表1为O2信号比与温度对比数据取值,表2为H2S信号比与温度对比数据取值,表3为CO信号比与温度对比数据取值:

实验将这三种在煤矿井下含量较多的气体作为测试对象,分别取这三种气体在不同浓度下一组测试数据[7]。如表1～3所示,分别为O2、H2S和CO这三种气体信号比与温度对比的数据取值。

表1　O2信号比与温度对比数据取值

表2　H2S信号比与温度对比数据取值

表3　CO信号比与温度对比数据取值

由上述三表中的数据,使用Matlab软件将数值进行拟合。依此即可得相对应的三种气体的信号比—温度曲线,如图2～4所示。

图2　O2信号比—温度曲线

图3　H2S信号比—温度曲线

图4　CO信号比—温度曲线

为了确定拟合公式中的参数,可将表1、2、3中的数值带入式(12)中进行运算。由此即可得到这三种气体拟合公式中的参数a0和a1值[8],如表4。

表4　气体拟合系数

将表4内系数代入式(11)可得出相对应的气体拟合公式:

O2拟合公式:RO2=0.1293T+96.0940

(13)

CO拟合公式:RCO=0.6807T+84.9156

(14)

H2S拟合公式:RH2S=0.2965T+92.7208

(15)

将式(13)～(15)代入式(12),由此可得三种气体温度补偿公式:

O2补偿公式:

(16)

CO补偿公式:

(17)

H2S补偿公式:

(18)

在式(16)～(18)中的VO2、VCO、VH2S分别代表实际测量中得到的气体的相对应的电压信号,其中T表示温度传感器测量得到的实际环境温度参数值,而对应的DO2、DCO、DH2S分别是三种气体在通过对温度补偿算法的补偿之后得到的数值[9]。借助于MatLab软件来调用温度补偿算法分别对三种气体检测数值做补偿运算。把进行温度算法补偿之后的数据重新进行拟合,即可得到相对应的三种气体的检测数值进行补偿之后的拟合曲线[10],如图5～7所示。

图5　O2补偿后的拟合线

图6　CO补偿后的拟合线

图7　H2S补偿后的拟合线

由图5～图7可直观观察到进行温度补偿算法的补偿之后的数据拟合曲线此时比未进行补偿之前的更加接近于一条直线,此时就能将其近似认为成一种线性关系。对比未进行补偿之前的曲线,可知此温度补偿算法能够提高气体传感器的检测精确度。

5　结语

本文在井下多参数检测仪硬件电路基础上,利用主控芯片的可编程优势,完成了对气敏传感器的温度补偿算法的实现。利用Matlab软件对未采用温度补偿算法气体的检测数据和采用了温度补偿算法的数据分别进行曲线拟合,通过对比证明此算法满足提高检测仪精度的要求,具有非常好的应用前景。

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Temperature Compensation Algorithm with Underground Multi Parameter Detective Instrument

ZHOU RongyanLI Meng

(Nanyang Institute of Technology, Nanyang473000)

In recent years, the multi parameter detect instrument has become the new trend of development,which also can detect temperature and humidity index in coal mine underground at the same time. But because the detecting instrument is for special occasions, and temperature and humidity index is changing, the front end of gas sensor is easily affected by the temperature, which leads to the decrease of the measurement accuracy.Therefore, this paper studies a kind of temperature compensation algorithm in order to solve this problem, and applies this algorithm to the realization of the algorithm based on the FPGA as the main chip.Finally, this paper uses the simulation software fitting curve, then comparative analysis before the algorithm of data and the after data to get the signal-temperature curve, which proves that the temperature compensation algorithm is correct and reasonable.

multi-parameter, gas detection, temperature compensation

2016年4月7日,

2016年5月17日

周荣艳,女,硕士研究生,助教,研究方向：信号与信息处理。李孟,男,助教,研究方向：信号检测与处理。

TP311

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.007