带温度补偿的矿用便携式硫化氢测定器的研究与设计

王 璐

（天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

1 传感器工作原理

1.1 电化学检测原理

目前，硫化氢检测原理主要分为催化燃烧式、电化学原理和红外吸收光谱等方式。其中催化原理是通过催化元件表面无焰燃烧，使得元件阻值变化，产生与硫化氢含量成线性比例的输出信号，从而实现对硫化氢含量的监测，但具有测量范围窄、需频繁标校和“冒大数”等缺点[2]；红外方式采用光谱吸收原理，受湿度影响较大[3]。目前普遍采用电化学原理的监测方式。电化学监测元件是一种微燃料电池元件，通过检测元件输出电流大小获得硫化氢浓度值[4]。硫化氢探头元件主要由感应、参考和负三种电极组成。负电极和感应电极之间有一层电解质薄膜，当硫化氢气体扩散进入探头，在元件的感应电极上发生氧化还原反应产生内部电流，串入负载电阻即可对硫化氢气体浓度进行检测[5]。外部接入稳压电路，参考电极能够稳定感应电极的电动势，保持各自电压的稳定且无电流通过，提升测定器的稳定性。

在感应电极上反应的化学方程式为：

负电极上反应方程式为：

通过上面两个反应方程式可看出，电极并没有直接消耗，只是对反应起到催化的作用。自由电子数量与硫化氢浓度成正比，由电极引出后经放大采集处理后即可获取硫化氢浓度值。

1.2 温度补偿原理

在实际应用过程中，当空气中没有硫化氢气体时，电化学元件无反应，感应电极部分也会产生微弱的基线信号，可通过零点校准将其调零。但是，当随温度上升时，基线信号值会呈指数函数增加，因此，即使标校零点后随着环境温度变化监测浓度值也会发生漂移。硫化氢气体在感应电极发生反应，能够产生与气体浓度相关的信号，由于参考电极上不会产生反应，当外部温度变化时，将感应电极和参考电极的信号值相减，即可针对温度变化进行补偿，实现硫化氢浓度的准确检测。但在实际设计中，可采用温度传感元件检测出环境温度的变化，通过曲线拟合建立环境温度补偿模型，是实现温度补偿的有效途径。

2 测定器方案设计

2.1 测定器总体设计

便携式硫化氢测定器主要由锂电池供电电路、微处理器电路、硫化氢采集电路、人机交互电路、声光报警电路和无线通信电路等组成，总体结构如图1所示。传感器采用低功耗设计，选用大容量锂电池供电，当电池电量低时会主动发出声光提示。硫化氢采集电路完成气体浓度的获取，采集数据经过处理器处理后，可存储至flash，也可在数码管上实时显示，硫化氢气体浓度值也可通过无线方式被特定的设备采集。测定器的标校、地址、报警值和无线通信参数等均可通过按键操作设置，当硫化氢监测值大于报警值时设备发出声光报警。

图1 测定器总体结构图

2.2 硫化氢检测电路设计

硫化氢探头选用City公司的4系列三电极检测元件，硫化氢信号采集电路主要完成探头驱动、信号采集、放大和滤波等功能，最终输出电压信号送至处理器采集端，电路如图2所示。为了避免反应气体和溶液蒸汽接触，保证探头在断路时仍处于准备状态，电路中选取场效应管短接感应电极和参考电极，上电后两电极自动断开，实现探头的保护。参考电极可以稳定感应电极上的电动势，且无电流通过，可保持各自电压的稳定，即使负电极极化也不会对感应电极有任何影响。由于电化学式硫化氢敏感元件输出的是nA级电流信号，需在电流回路中串接10欧姆电阻进行取样，再通过反相电路放大100倍左右，通过RC低通滤波器进行滤波，最后与基准电压一起组成一对差分输出信号。

图2 硫化氢采集电路图

2.3 温度补偿设计

硫化氢检测元件在工作时，元件的输出信号会随着环境温度的变化而产生微弱变化，会对基线零点输出产生影响。为了准确监测气体浓度，需对外界环境温度进行实时监测。温度补偿电路选用DS18B20数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有精度高、体积小、电路简单、抗干扰能力强等特点。在与处理器连接时，不需外接电源，从数据线即可获得能量，通过单总线与微处理器实现数据交互。在测定器标校时，程序记录标校时温度，在正常工作时监测环境温度，通过软件程序拟合处理，实现在不同环境温度下的硫化氢浓度的监测。

图3 温度监测电路图

2.4 无线通信电路设计

测定器可将存储的硫化氢浓度数据通过无线方式传输给外部设备，其中无线通信电路选用BM200N的无线自组网模块，具有通信稳定和功耗低等特点。无线通信接口电路如图4所示。BM200N组网模块工作在433MHz，内嵌Wave Mesh无线自组网协议，采用同步校准唤醒算法，保证工作和休眠的同步。无线模块一般处于休眠模式以降低测定器功耗，可通过ACT引脚唤醒。当SET引脚为低电平时处于配置模式，高电平时处于正常工作模式。

图4 BM200N无线通信电路接口图

3 性能测试

3.1 常态性能测试

在常态下，主要针对硫化氢测定器的基本误差和响应时间进行测试。选取5台样机进行试验，按MT1084-2008行标，通入纯氮气、40ppm、100ppm、170ppm共四种不同浓度的标准硫化氢气体，记录测定器的显示值，重复测定4次，取其后3次的算术平均值，测试结果如表1所示。传感器的常态基本误差比较小。

表1 常态基本误差测试表

测试响应时间T90主要是为了测试测定器的灵敏度。在清洁空气中，按200ml/min流量通入170ppm的标准硫化氢气体，并记录测定器的显示值达到标准气体90%所需要的时间，测量3次，取其算术平均值，测试结果如表2所示，测定器的响应时间较快，均不超过行标的45s要求，完全可以满足煤矿井下安全生产中硫化氢气体的监测需求。

表2 响应时间T90测试表

3.2 温度影响测试

温度影响试验主要验证温度对测定器的性能影响。本次试验在高低温箱中进行，依次进行高温和低温测试。低温测试，设置高低温箱到0℃，将补偿后的测定器放置在高低温箱中，测定器通电恒温保持2个小时后，通气测量基本误差，以后每小时测量1次基本误差，测量3次，计算平均值作为最终测量值。测量结果如表3所示。

表3 低温0℃性能测试表

高温测试，设置高低温箱温度到40℃，将测定器放进去通电，测试方法同高温一样。测量结果如表4所示。

表4 高温40℃性能测试表

从表3和表4的测试结果可以看出，无论是高温还是低温对便携式硫化氢测定器的影响都比较小，测量值的基本误差都在要求范围内。

4 结 语

本文给出了一种带温度补偿的矿用便携式硫化氢测定器的设计与实现，介绍了硫化氢测定器的工作原理，给出测定器的总体设计方案和部分主要模块的设计，对测定器进行基本误差、响应时间和温度影响试验。结果表明测定器具有精度高、误差小、响应快等特点，可更好地为煤矿安全生产服务。