CN113109511A - 具有自对比功能的甲烷传感器及其测量值冗余处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有自对比功能的甲烷传感器及其测量值冗余处理方法，包括传感器主板及与传感器主板电性连接的多个检测模块，所述检测模块通过TTL信号处理模块与传感器主板电性连接。本发明针对现有甲烷传感器采用的单一检测模块存在数据的不可靠等问题，根据不同的使用环境和成本等因素，综合考虑，选择不同检测原理的甲烷检测模块，用于提升自对比甲烷传感器的可靠性；本发明提出了一种基于基本误差判断后采用投票机制和中位值平均滤波等算法冗余，为甲烷传感器提供可靠的检测数据，在异常情况下可及时诊断出故障，方便使用人员及时维护处理，保证了煤矿安全生产。
Description
技术领域：
本发明涉及矿用安全技术领域，尤其涉及一种具有自对比功能的甲烷传感器及其测量值冗余处理方法。
背景技术：
目前，在煤矿安全监控系统中，拥有多种不同原理类型测甲烷的传感器，甲烷传感器每年需求量大，大型煤矿甲烷传感器使用数量多达一两百台，传感器作为煤矿安全监控系统中环境检测参数的源头，其重要性不言而喻。现在甲烷传感器普遍采用一种检测模块，其准确性和稳定性无法保证。
现在煤炭行业内，测量甲烷的技术主要有催化原理、热导原理、红外原理和激光等几种原理方式，都有各自的优势和不足之处，如催化原理成本低，但稳定性一般，内部黑白元件容易断丝；热导原理成本低，可检测全量程甲烷浓度，但低端测量不准；红外原理成本高，测量准确，但是易受环境中的温度和水汽等影响；激光原理测量准确，抗干扰性强，但是成本高。现在国家推荐矿上优先使用激光原理的甲烷传感器，一定程度上提升了现场装备技术水平，提升了矿井下瓦斯浓度监测的准确性。受环境和日常维护等因素的影响，采用激光或其他单一甲烷检测技术，都无法保证传感器在井下长期使用时数据的稳定性和可靠性。
《煤矿安全规程2016》第四百九十二条规定：采用载体催化元件的甲烷传感器必须使用校准气样和空气气样在设备设置地点调校，便携式甲烷检测报警仪在仪器维修室调校，每15天至少1次。甲烷电闭锁和风电闭锁功能每15天至少测试1次。可能造成局部通风机停电的，每半年测试1次。第四百九十三条规定：必须每天检查安全监控设备及线缆是否正常，使用便携式光学甲烷检测仪或者便携式甲烷检测报警仪与甲烷传感器进行对照，并将记录和检查结果报矿值班员；当两者读数差大于允许误差时，应当以读数较大者为依据，采取安全措施并在8h内对2种设备调校完毕。
为了弥补单一检测模块导致的传感器数据不可靠的问题，目前煤矿行业规定需要定期的调校，煤矿井下每天需安排专业人员定期的与瓦解仪或便携仪对比，这一工作量相当巨大，耗费了大量的人力和物力。
发明内容：
通常传感器都配置单个检测探头的架构设计，即每一种甲烷传感器有固定的甲烷检测模块，完成甲烷浓度参数的采集、显示和传输等全部功能。若检测模块或者电路发生故障，则会检测出错误的甲烷浓度值，可能引起甲烷传感器误报警，严重影响了煤矿安全生产。本发明创新的提出了一种自对比功能的甲烷传感器及其测量值冗余处理方法，即在传感器中增加多个甲烷检测模块，通过硬件冗余和软件算法冗余处理后，实现具有自对比功能的甲烷传感器，确保传感器检测数据的可靠性，方便现场人员对传感器的使用和维护，为煤矿安全生产提供可靠数据来源。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有自对比功能的甲烷传感器，包括传感器主板及与传感器主板电性连接的多个检测模块，所述检测模块通过TTL信号处理模块与传感器主板电性连接。
作为优选，所述传感器主板包括主板MCU及与主板MCU电性连接的光报警模块、声报警模块、数码管显示模块、外部存储模块、复位电路模块、RS485/频率模块、开出/频率模块、红外遥控模块，所述主板MCU与TTL信号处理模块电性连接；所述检测模块包括检测MCU及与检测MCU电性连接的外部存储模块、LDO模块、检测元件模块，所述检测MCU与TTL信号处理模块电性连接，所述LDO模块与检测元件模块电性连接。
在本发明一较佳实施例中，所述检测模块为三个，各检测模块采用独立气室。
本发明还提供一种对上述具有自对比功能的甲烷传感器的测量值冗余处理方法，基于基本误差判断后采用投票机制和中位值平均滤波算法冗余，包括如下步骤：
(1)首先对各模块初始化；
(2)然后判断各检测模块采集输出的极值是否超出规定的基本误差；
(3)若没有超出基本误差，采用投票机制输出最终的检测值；
(4)若采用投票机制无法输出最终值，则通过中位值平均滤波投票机制的算法输出最终检测值；
(5)若其中一个检测模块超出基本误差，则将该检测模块数据剔除，再采用投票机制输出最终的检测值；
(6)若超过一个检测模块超出基本误差，则输出传感器故障，提示工作人员作相关措施。
5、根据权利要求4所述的测量值冗余处理方法，其特征在于，所述中位值平均滤波投票机制的算法包括如下步骤：
(1)各检测模块定时将采集甲烷浓度值分别放入数组S1[n]、S2[n]和S3[n]；
S1[n]＝{p1,p2,p3,p4,....}；
S2[n]＝{q1,q2,q3,q4,....}；
S3[n]＝{r1,r2,r3,r4,....}；
(2)将这三个数组的值随机的放在数组S[m]中，并给定近邻阈值k；
S[m]＝{p1,p2,p3,p4,....,q1,q2,q3,q4,....,r1,r2,r3,r4,....}；
(3)在数组S[m]采用投票算法找出小于近邻阈值k的元素放在数组W[j]，不符合的元素进行剔除；
(4)再对数组W[j]中的元素采用中位值平均滤波作为最终值输出，最终输出值：
其中：1≤i1≤j1≤j。
该方法实现了在单一甲烷传感器下接入不同个数或不同类型的甲烷检测模块，对各个甲烷检测模块的测量值采用软件算法冗余处理后，给地面传输真实可靠的甲烷浓度值，若有检测出对比数据异常，通过故障等方式提醒地面人员下井及时进行维护。通过该方法保证了传感器检测甲烷浓度值的可靠性，降低了煤矿工人每天定时对比测试工作，也避免了冒大数误报警等情况的发生，大大降低了矿上日常使用维护的成本和工作效率。
本发明的有益效果是：
1、针对现有甲烷传感器采用的单一检测模块存在数据的不可靠等问题，本鉴于催化、热导、红外和激光等几种甲烷检测原理的优缺点，根据不同的使用环境和成本等因素，综合考虑，选择不同检测原理的甲烷检测模块，用于提升自对比甲烷传感器的可靠性；
2、本发明提出了一种基于基本误差判断后采用投票机制和中位值平均滤波等算法冗余，为甲烷传感器提供可靠的检测数据，在异常情况下可及时诊断出故障，方便使用人员及时维护处理，保证了煤矿安全生产；
3、提出了各检测模块具有独立的气室结构，起到对各检测模块进气和防护作用，保证各检测模块能采集到环境的真实浓度值。
附图说明：
图1为本发明的具有自对比功能的甲烷传感器的结构示意图；
图2为本发明的传感器主板及检测模块的结构示意图；
图3为本发明的测量值冗余处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示的一种具有自对比功能的甲烷传感器，包括传感器主板及与传感器主板电性连接的三个检测模块。
所述传感器(仪表)主板可检测环境中的甲烷气体浓度，具有声光报警功能，可通过频率模拟量或RS485、CAN总线等数字方式与上级设备进行通信。传感器主要由外壳结构和硬件电路两大部分组成，其中外壳结构主要分为传感器外壳和甲烷检测气室两部分组成。各检测模块采集甲烷信号值，通过相关的算法处理后输出甲烷浓度值，并将其浓度值上传至电路主板，仪表主板软件算法冗余处理后输出可靠的甲烷浓度值，并可对甲烷检测模块进行调零、调校线性设置和传感器的报警值、断电值、复电值、地址值、通信速率及地址值等参数设置。
硬件电路主要由传感器主板和检测模块两部分组成，硬件方案框图如图2所示。传感器主板部分包括电源模块、MCU模块，RS485/频率模块、开出/频率模块、声/光报警模块、数码管显示模块、红外遥控模块和TTL信号处理模块等。电源模块将输入的DC(9～24.5)V电压转成5.5V和3.3V供仪表主板工作；MCU模块用于对各检测模块采集的浓度值分析输出最终可靠的甲烷浓度值，并控制各功能模块工作，RS485/频率模块与上一级设备数据交互，开出/频率模块用于当甲烷浓度超出设定值时控制被控设备开/停，声/光报警模块用于当甲烷浓度超出设定值时有声光报警提示功能，数码管显示模块可用于显示传感器的当前监测值，红外遥控模块可支持本地设置传感器的相关参数，TTL信号处理模块对各检测模块与MCU通讯的TTL信号进行处理，用于提高信号的抗干扰性能。各检测模块通过TTL信号处理模块与传感器主板通讯。检测模块包括LDO电压模块、MCU模块、外部存储模块和检测元件构成，LDO电压模块用于提供稳定的电压信号，MCU模块用于完成甲烷气体的采集，并与仪表主板进行数据交互，外部存储模块用于保持检测元件的零点、线性等参数。
针对上述具有自对比功能的甲烷传感器的测量值冗余处理方法如图3所示，首先各模块初始化，然后判断各模块采集输出的极值是否超出规定的基本误差，若没有超出基本误差，采用投票机制输出最终的检测值，若采用投票机制无法输出最终值，则通过中位值平均滤波算法输出最终检测值；若一种检测模块超出基本误差，则将该模块数据剔除，再采用投票机制输出最终的检测值；若超过一种检测模块超出基本误差，则输出传感器故障，提示工作人员作相关措施。
采用中位值平均滤波投票机制的算法实现步骤如下：
检测模块1、检测模块2和检测模块3定时的将采集甲烷浓度值分别放入数组S1[n]、S2[n]和S3[n]；
S1[n]＝{p1,p2,p3,p4,....}；
S2[n]＝{q1,q2,q3,q4,....}；
S3[n]＝{r1,r2,r3,r4,....}；
将这三个数组的值随机的放在数组S[m]中，并给定近邻阈值k；
S[m]＝{p1,p2,p3,p4,....,q1,q2,q3,q4,....,r1,r2,r3,r4,....}；
在数组S[m]采用投票算法找出小于近邻阈值k的元素放在数组W[j]，不符合的元素进行剔除；
再对数组W[j]中的元素采用中位值平均滤波作为最终值输出。最终输出值：
其中：1≤i1≤j1≤j；
为了保证各检测模块不相互干扰，对各检测模块设计独立的气室结构，防止不同甲烷检测原理的模块反应后的气体对其他检测模块存在干扰的问题，保证了各检测模块能采集到环境中真实的甲烷浓度值。
本发明的自对比甲烷传感器，除了常规矿用甲烷传感器的功能要求，甲烷检测模块类型组合有多种方式，甲烷检测模块的组成数目也有可由多个组成，各检测模块也可以是同种类型的多个元件组成。
本发明提出的自对比甲烷传感器及测量值冗余处理方法，相关的硬件和软件冗余方法也可用于一氧化碳、氧气等其它煤矿井下传感器。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种具有自对比功能的甲烷传感器，其特征在于：包括传感器主板及与传感器主板电性连接的多个检测模块，所述检测模块通过TTL信号处理模块与传感器主板电性连接。
2.根据权利要求1所述的具有自对比功能的甲烷传感器，其特征在于：所述传感器主板包括主板MCU及与主板MCU电性连接的光报警模块、声报警模块、数码管显示模块、外部存储模块、复位电路模块、RS485/频率模块、开出/频率模块、红外遥控模块，所述主板MCU与TTL信号处理模块电性连接。
3.根据权利要求2所述的具有自对比功能的甲烷传感器，其特征在于：所述检测模块包括检测MCU及与检测MCU电性连接的外部存储模块、LDO模块、检测元件模块，所述检测MCU与TTL信号处理模块电性连接，所述LDO模块与检测元件模块电性连接。
4.根据权利要求1所述的具有自对比功能的甲烷传感器，其特征在于：所述检测模块为三个，各检测模块采用独立气室。
5.一种对权利要求1-4任一项所述的具有自对比功能的甲烷传感器的测量值冗余处理方法，其特征在于，基于基本误差判断后采用投票机制和中位值平均滤波算法冗余，包括如下步骤：
(1)首先对各模块初始化；
(2)然后判断各检测模块采集输出的极值是否超出规定的基本误差；
(3)若没有超出基本误差，采用投票机制输出最终的检测值；
(4)若采用投票机制无法输出最终值，则通过中位值平均滤波投票机制的算法输出最终检测值；
(5)若其中一个检测模块超出基本误差，则将该检测模块数据剔除，再采用投票机制输出最终的检测值；
(6)若超过一个检测模块超出基本误差，则输出传感器故障，提示工作人员作相关措施。
6.根据权利要求5所述的测量值冗余处理方法，其特征在于，所述中位值平均滤波投票机制的算法包括如下步骤：
(1)各检测模块定时将采集甲烷浓度值分别放入数组S1[n]、S2[n]和S3[n]；
S1[n]＝{p1,p2,p3,p4,....}；
S2[n]＝{q1,q2,q3,q4,....}；
S3[n]＝{r1,r2,r3,r4,....}；
(2)将这三个数组的值随机的放在数组S[m]中，并给定近邻阈值k；
S[m]＝{p1,p2,p3,p4,....,q1,q2,q3,q4,....,r1,r2,r3,r4,....}；
(3)在数组S[m]采用投票算法找出小于近邻阈值k的元素放在数组W[j]，不符合的元素进行剔除；
(4)再对数组W[j]中的元素采用中位值平均滤波作为最终值输出，最终输出值：
其中：1≤i1≤j1≤j。
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