CN105466975A - 利用周期性供电方式驱动催化元件实现甲烷测量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及一种利用周期性供电方式驱动载体催化元件实现甲烷浓度测量的方法和电路。本发明中惠斯登电桥由一个带有使能端的电源模块供电。当电源模块的是能端为高电平时电源模块输出一个固定的电压，载体催化元件处于工作状态；当电源模块的使能端为低电平时电源模块关断输出，载体催化元件处于停止工作状态，不消耗电流。本发明使用高性能DCDC为载体催化元件供电，在满足电源输出质量的前提下大幅度提高了供电效率。

Description

利用周期性供电方式驱动催化元件实现甲烷测量的方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种利用周期性供电方式驱动催化元件实现甲烷测量的方法。
背景技术
甲烷(CH4)是煤矿安全监控系统的核心监测参数。目前我国煤矿主流的甲烷浓度检测设备是低浓甲烷传感器和高低浓度甲烷传感器。低浓甲烷传感器和高低浓度甲烷传感器的低浓测量是基于载体催化原理实现甲烷浓度测量的。
载体催化原理甲烷浓度测量起源于二十世纪五十年代的英国，它利用材料对气体接触燃烧的反应热改变另一种材料的电阻特性实现甲烷等可燃气体浓度的检测。载体催化原理甲烷浓度测量的核心器件是载体催化元件，即俗称的黑白元件。载体催化元件采用高阻值、高温度系数的铂丝绕城螺旋管状，涂敷氧化铝作为载体，然后浸渍不同用途的催化剂制成。对元件施加合适的电压后，元件被加热至一定的温度，当元件周围出现可燃气体时，可燃气体在催化剂的作用下发生无焰燃烧，产生的热量通过载体传给铂丝，使铂丝电阻值增大，从而将可燃气体的浓度值转变为电信号。
载体催化式甲烷浓度测量的驱动和采样电路如图1所示。为消除环境温度、湿度等对测量结果的影响，将未经浸渍催化剂的元件(图1中的C，俗称白元件)与载体催化元件(图1中的D，俗称黑元件)配对。配对后的元件与平衡电阻组成惠斯登电桥，从而将催化元件电阻的变化转化为桥路电压的变化。
载体催化原理甲烷传感器以其技术成熟、价格低廉、抗粉尘、抗潮湿等优良特性在煤矿安全监控领域大量使用。由于惠斯登电桥一直处于供电状态，所以在使用过程中存在功耗过大、寿命短等问题。目前主流的载体催化元件功耗约为450mW，如此大的功耗增加了本安电源的负担，容易造成供电异常。同时对于电池供电的手持甲烷检测设备，如此大的功耗大大缩短了设备的正常工作时间。同时，随着使用时间的增长或长时间暴露在高浓甲烷气体中，载体催化元件的灵敏度会发生改变，从而影响测量精度。
发明内容
本发明的目的是针对以上技术的缺陷，利用周期性供电方式驱动载体催化元件等一系列方法实现低功耗、高性能的载体催化式甲烷浓度测量。
本发明的技术解决方案是，惠斯登电桥的直流供电器件由一个带有使能端的电源模块DCDC，当单片机向电源模块DCDC的使能端输出高电平时，电源模块DCDC向惠斯登电桥输出一个固定电压，载体催化元件处于工作状态；当单片机向电源模块DCDC的使能端输出低电平时，电源模块DCDC关断向惠斯登电桥输出，此时惠斯登电桥上没有供电；电源模块DCDC的使能端驱动信号波形为方波，方波的高电平时长为0.1-0.3s，低电平时长为3-5s，单片机在高电平时采集惠斯登电桥上的电压值，并根据电压值计算当前环境的甲烷浓度值，实现甲烷测量。
所述电源模块DCDC的使能端驱动信号的高电平时长为0.2s，低电平时长为3.8s，占空比为5％的方波。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明利用单片机向电源模块DCDC的使能端施加方波，控制惠斯登电桥上的供电电压处于周期性有效的状态，而且一个周期的大部分时间惠斯登电桥上没有供电，从而大大降低了设备平均功耗。
如当使用占空比为5％的方波时，整机平均功耗只有原有技术的5％，相当于降低了95％的能耗。这样就降低了对供电电源的要求，特别是当使用电池供电时，电池容量可以大幅降低，同时测试时间大幅提升。
因为催化元件大部分时间没有供电，处于休眠状态，所以催化元件的寿命也将大幅度延长。
附图说明
图1是传统载体催化式甲烷浓度测量的驱动和采样电路。
图2是本发明的利用周期性供电方式驱动载体催化元件实现甲烷浓度的驱动和采样电路。
图3是本发明的供电驱动波形。
图4是测试过程流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
本发明使用周期性供电方式驱动载体催化元件，
如图2所示。此时，惠斯登电桥由一个带有使能端的电源模块供电。当电源模块的是能端为高电平时电源模块输出一个固定的电压，此处设置为3.0V，载体催化元件处于工作状态；当电源模块的使能端为低电平时电源模块关断输出，此时惠斯登电桥上没有供电，载体催化元件处于停止工作状态，不消耗电流。
电源模块的使能端驱动信号波形如图3所示，它是一个具有一定占空比为的方波。TON表示供电输出有效，时长为0.1-0.3s，TOFF表示供电输出无效，时长为3-5s。当TON供电输出有效，时长为0.2s，TOFF供电输出无效，时长为3.8s时，TON和TOFF共同组成了一个占空比为5％的方波。测试过程流程如图4所示。测量的实现是通过在输出有效TON结束之前采集惠斯登电桥上的电压值，根据电压值计算当前环境的甲烷浓度值。这样一种模式大大降低了惠斯登电桥的供电时间，供电时间的降低也就意味着整机平均功耗的降低、电池供电设备供电时间的延长。因此，本发明既实现了甲烷浓度的测量又实现了整机平均功耗的降低。
本发明使用高性能DCDC为核心器件的电源模块为载体催化元件供电，如图2所示。传统的载体催化元件供电使用老式的线性电源供电。如此设计的原因如下：线性电源技术成熟、电路简单、输出电压质量较好。使用线性电源的弊端是电源效率底下，大量的功耗浪费在电压转换部分。以输入9V输出3V的线性电源为例，其效率实测只有30％左右。本发明使用高性能DCDC为载体催化元件供电，在满足电源输出质量的前提下大幅度提高了供电效率，实测效率大于85％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种利用周期性供电方式驱动催化元件实现甲烷测量的方法，惠斯登电桥包括载体催化元件和平衡电阻，其特征在于：惠斯登电桥的直流供电器件由一个带有使能端的电源模块DCDC，当单片机向电源模块DCDC的使能端输出高电平时，电源模块DCDC向惠斯登电桥输出一个固定电压，载体催化元件处于工作状态；当单片机向电源模块DCDC的使能端输出低电平时，电源模块DCDC关断向惠斯登电桥输出，此时惠斯登电桥上没有供电；电源模块DCDC的使能端驱动信号波形为方波，方波的高电平时长为0.1-0.3s，低电平时长为3-5s，单片机在高电平时采集惠斯登电桥上的电压值，并根据电压值计算当前环境的甲烷浓度值，实现甲烷测量。
2.根据权利要求1所述的周期性供电方式驱动催化元件实现甲烷测量的电路及方法，其特征在于：所述电源模块DCDC的使能端驱动信号的高电平时长为0.2s，低电平时长为3.8s，占空比为5％的方波。
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