基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器研制

董康宁，杨晋芳

(1．北京科技大学 机械工程学院， 北京 100083；2.北京思优特科技发展有限公司， 北京 100083)

0 引言

《煤矿安全规程》明确规定：在煤矿井下大巷、回风巷、采煤工作面、掘进工作面、采空区等地点，需要对CO气体浓度进行实时监测，并在气体浓度达到或者超过预设定危险值时进行报警。煤矿在运输巷打探水钻孔时，干打眼导致钻孔内燃烧，会涌出大量CO气体，容易发生CO气体中毒事故，甚至导致人员死亡。采空区的煤氧化，产生CO气体的同时伴随热量产生，随着煤逐渐氧化达到自燃，会造成矿井火灾的发生。因此，CO气体成为煤矿重点监测的气体之一，一般采用一氧化碳传感器对CO气体进行监测。一氧化碳传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能否正确反映被测环境和设备参数的关键[1-3]。现有的一氧化碳传感器检测技术主要基于半导体和电化学等原理。基于半导体原理的一氧化碳传感器采用的是半导体器敏元件，常用在民用行业，其检测精度低。基于电化学原理的一氧化碳传感器是将化学能转化为电能，价格低、测量精度较高，是当前煤矿广泛采用的一种CO气体监测方式[4]，但矿用电化学一氧化碳传感器测量数据容易受烷类气体、氢气苯类等气体及矿井环境压力的影响，测量结果误差大，且需定期调校[5-6]。鉴此，笔者研制了一种基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器，该传感器相比传统电化学传感器，具有红外波长固定、测量数据不受其他气体影响的优势，采用泵吸式原理可以维持压力的稳定性，精准检测出CO气体浓度，保证了数据测量的准确性，且免标校，维护方便简单。

1 红外原理及泵吸式的优势

1.1 非分散式红外吸收原理

红外气体分子在红外波段都具有一定的吸收带，红外光谱吸收法检测气体浓度的原理是通过检测气体投射光强或反射光强，根据其变化情况来检测气体浓度[7-9]。 CO是典型的双原子气体分子，分子的动能包括振动动能和转动动能，2种动能分别对应于分子的振动频率和转动频率，当分子本身的固有振动频率和转动频率同红外辐射中某一段的频率相同时，分子便吸收这一波段的红外辐射能量，使红外辐射能量转换为分子振动动能和转动动能。CO分子在红外某一波段有吸收，含有不同浓度CO气体的混合气体在该波段的吸收量各不相同。根据这一原理研制的一氧化碳传感器具有检测精度高且不受H2S、SO2、H2等干扰气体的影响[10-11]。非分散式红外吸收原理如图1所示。

图1 非分散式红外吸收原理Fig.1 Principle of non-dispersed infrared absorption

1.2 红外光学气体原理检测

红外光学气体原理检测的关键还是光学原理,检测模块不会受磨损或化学反应影响，维护保养简单。利用红外原理检测气体的独特吸收光谱，CO气体对4.5 μm的红外辐射具有强烈的吸收，通过测量红外辐射的初始能量和红外辐射被气体吸收后的能量，就能检测出CO气体浓度[12]。

1.3 微型泵吸式优势

目前多数传感器采用扩散式检测方式，即通过自然的空气流动使部分气体进入传感器内部进行分析检测，从而得出被测气体浓度值。扩散式检测采样速度缓慢，并且检测结果容易受检测环境的风速、温度等外界因素干扰，会存在误差。而微型泵吸式检测方式采用定制型迷你超低功率小气泵，不仅可满足矿用传感器低功耗需求，而且采样速度较快，同时可稳定地对气体进行循环采样，保证了传感器气流的稳定性，且不受环境压力的影响，测量结果更准确。

2 矿用红外一氧化碳传感器硬件设计

基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器结构如图2所示。 传感器由矿用本安电源供电，经DC/DC电源转换(24 V转5 V)后给所有芯片及接口供电，待测气体由微型气泵进气口吸入后经出气口进入红外一氧化碳探测器，探测器检测到CO气体后将信号以数字方式传输给单片机，由单片机驱动数码管显示，并将CO浓度信号以RS485数字信号方式输出，且在CO浓度达到所设报警值时驱动声光报警。

图2 基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器结构Fig.2 Structure of mine-used infrared carbon monoxide sensor based on mini pump suction

2.1 单片机

单片机采用8051系列单片机， 其有2路UART，一路用作接收红外一氧化碳探测器信号，另一路用作RS485信号。红外一氧化碳探测器将实时采集到的CO气体浓度信号通过UART传输给单片机，单片机对气体浓度信号进行数字滤波、计算、线性化校正、温度补偿等处理，并完成电源电压检测、温度检测、CO浓度显示、超限报警和信号输出等功能。

2.2 微型气泵

微型气泵选择低功耗的迷你型负压泵SC3101PM，如图3所示。电压为DC5.0 V，电流为160 mA(最大为250 mA)，空载时真空流量大于500 mL/min，使用时整机功耗为DC24 V/120 mA(正常工作状态)。选择该微型气泵的原因是它不仅能满足矿用产品本质安全型要求，还能降低功耗，提升传感器检测效率，并能有效缩小传感器体积。

图3 微型气泵Fig.3 Miniature air pump

2.3 红外一氧化碳探测器

矿用红外一氧化碳传感器使用非分散式红外原理的一氧化碳探测器。该探测器与单片机之间采用Modbus ASCII RTU TTL 数字通信方式，可以将所采集的气体浓度信号精确地传输到单片机进行分析、显示。红外一氧化碳探测器如图4所示。

图4 红外一氧化碳探测器Fig.4 Infrared CO detector

2.4 声光报警模块

声光报警模块由发光二极管和低压蜂鸣器组成,当检测到 CO 气体浓度处于设定安全值以下时，单片机控制管脚输出高电平,蜂鸣器和发光二极管不工作；当检测到CO气体浓度超限时，单片机控制管脚的高低电平以1 Hz频率变化,从而驱动发光二极管和蜂鸣器工作,完成声光报警。

2.5 遥控电路

为使矿用红外一氧化碳传感器操作方便快捷，在传感器设计中加入了遥控电路，在煤矿井下可通过遥控器在线调节报警值、显示环境温度。在有标准气样的情况下，使用红外遥控器可对传感器进行零点与精度调校[8]。另外，使用红外遥控器还可对传感器的输出接口信号进行控制，防止误传信号到地面监控室。

3 矿用红外一氧化碳传感器软件设计

矿用红外一氧化碳传感器选择STC12C5A32S2单片机作为主控芯片，用C语言进行编程，实现对CO气体的检测。主程序实现串口1数据采集、软件滤波、LED数码管显示、声光报警、遥控器按键功能设置、串口2数字通信等功能。软件各功能模块组成如图5所示。

图5 矿用红外一氧化碳传感器软件功能模块Fig.5 Functional modules of mine-used infrared carbon monoxide sensor software

矿用红外一氧化碳传感器主程序流程如图6所示，主要实现一氧化碳数据采集、数码管显示、声光报警及RS485信号输出等功能。

图6 矿用红外一氧化碳传感器主程序流程Fig.6 Flow of main program of mine-used infrared carbon monoxide sensor

4 试验结果与分析

4.1 模拟实验结果分析

在实验室用标准气样对矿用红外一氧化碳传感器进行性能测试，待红外一氧化碳传感器在清洁空气中稳定运行20 min后，向气室内分别注入表1所示的标准CO气体约3 min，待数值显示稳定后记录传感器显示数据，本文对3 个传感器进行了测试，记录数据见表1。

表1 浓度检测实验数据Table 1 Experimental data of concentration detection

依据AQ 6205—2006《煤矿用电化学式一氧化碳传感器》，电化学一氧化碳传感器浓度测量的基本误差见表2。结合表1可看出，传感器设计参数低于表2的基本测量误差要求。表明基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器设计精度完全满足矿用传感器的标准要求，适用于煤矿气体检测。

表2 电化学式一氧化碳传感器浓度测量基本误差Table 2 Basic concentration measurement error of electrochemical CO sensor

4.2 工业性试验结果分析

为验证基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器在矿井实际环境中的工作稳定性和有效性，传感器配接KDY660/24B矿用隔爆兼本安型直流电源，在某矿井下采掘工作面、综采工作面、回风巷等不同地点进行了连续6个月的工业性试验，且试验过程中不对传感器进行调校与维护，记录传感器运行于不同采煤地点的监测数据。

基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器与电化学一氧化碳传感器测试数据对比如图7所示。从图7可看出：电化学一氧化碳传感器易受电磁干扰或者H2S、SO2、H2等气体干扰影响而出现不正常的高浓度值，且长时间不标校会出现灵敏度下降的现象。而基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器稳定性好、灵敏度高、测量准确，电源工作稳定，且没有受到粉尘、电磁干扰、高瓦斯冲击及H2S、SO2、H2等有害气体的影响，基本误差均符合AQ 6205—2006《煤矿用电化学式一氧化碳传感器》的规定。实际使用中，矿用红外一氧化碳传感器的维护周期大于6个月，主要维护操作是清洁处理，无需更换敏感元件及标校。相比电化学一氧化碳传感器每15 d 周期性标校及干扰气体造成的损坏等，矿用红外一氧化碳传感器大大降低了维护人员的工作量。

图7 矿用红外一氧化碳传感器与电化学一氧化碳传感器测试数据对比曲线Fig.7 Test data comparison curves of mine-used infrared CO sensor and electrochemical CO sensor

5 结语

基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器采用泵吸式、红外吸收技术，可稳定地对气体进行采样，在使用过程中不受烷类气体、氢气苯类等气体及矿井环境压力的影响，可对煤矿井下的CO气体浓度进行可靠、有效的监测。工业性试验结果表明，该传感器相比传统电化学一氧化碳传感器，具有红外波长固定、测量数据不受其他气体影响的优势，同时，采用泵吸式原理能够维持压力的稳定性，精准检测出CO气体浓度，保证了数据测量的准确性，且免标校，维护方便简单。