CN114034746A - 一种智能型一氧化碳传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能型一氧化碳传感器及检测方法，属于煤矿用传感器领域。该传感器包括一氧化碳元件和模组主板；模组主板包括微处理器、信号处理电路、电压转换单元、温度测量电路和传输电路。信号处理电路将一氧化碳元件输出的电流信号转换为电压信号，并输入到微处理器，计算得出初始一氧化碳浓度值；所述温度测量电路输出电压信号，并输入到微处理器，计算得出温度值；微处理器根据算法计算得出一氧化碳的实际浓度。本发明降低了设备元件更换维护成本，从而降低用户使用成本；提高矿用一氧化碳传感器的环境适应性、工作稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于煤矿用传感器领域，涉及一种智能型一氧化碳传感器及检测方法。
背景技术
目前煤矿一氧化碳传感器大多采用电化学原理进行一氧化碳气体浓度的检测，其工作原理尚未实现1ppm分辨率条件下的小型化、智能化、低成本设计。电化学一氧化碳元件内部具有电解液和两个以上的电极，当有一氧化碳气体时，便产生氧化还原反应，从而产生信号电流，信号电流与一氧化碳的浓度成线性关系。
现有的一氧化碳元件模组大多由一氧化碳元件和信号处理电路组成，将一氧化碳元件的电流信号转换为对应的电压信号，输出到主板进行A/D采样，计算一氧化碳浓度。
煤矿井下存在着大量变频设备及开关控制设备，煤矿井下电磁环境复杂。近几年随着安全监控系统升级改造的实施，对于传感器模块化设计和自诊断功能的要求越来越高，而由一氧化碳元件和信号处理电路组成的一氧化碳元件组件缺乏自诊断功能，抗干扰能力弱，并且兼容性差，因为每个一氧化碳元件的灵敏度不同，每次更换一氧化碳传感器组件必须进行二次标校才能准确检测，不符合智能化传感器的应用需求。
因此，亟需一种能智能标校的一氧化碳传感器来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种智能型一氧化碳传感器及检测方法，解决现有一氧化碳传感器模组缺乏智能处理单元、抗干扰能力弱、模块化程度低、温度补偿元件设计不合理、缺乏自诊断、兼容性差的问题，同时降低设备元件更换维护成本，从而降低用户使用成本；提高矿用一氧化碳传感器的环境适应性、工作稳定性和可靠性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能型一氧化碳传感器，包括一氧化碳元件3和模组主板8；所述模组主板8包括微处理器、信号处理电路、电压转换单元、温度测量电路和传输电路。
所述信号处理电路将一氧化碳元件3输出的电流信号转换为电压信号，并输入到微处理器的A/D转换采样引脚，计算得出初始一氧化碳浓度值Ni；所述温度测量电路输出电压信号，并输入到微处理器的另一路A/D转换采样引脚，计算得出温度值Ti；所述微处理器根据算法计算得出一氧化碳的实际浓度Di。
进一步，该传感器的检测方法具体包括以下步骤：
S1：微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值Ui；
S2：在无一氧化碳的空气环境下，即Ni＝0，微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值U0；
S3：在存在一氧化碳的环境中，微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值Ui，计算被测环境中一氧化碳气体的初始浓度Ni；
Ni＝A0×(Ui-U0)+C0
其中，A0、C0为传感器在25℃的实验室环境中通入500ppm的标准浓度一氧化碳气体测试得到的常量系数，与一氧化碳元件的检测灵敏度γ、微处理器A/D模块转换位数α、A/D转换参考电压Uref以及信号处理电路电流电压转换电阻的阻值R有关；
S4：微处理器A/D模块采集温度测量电路输出的电压值Vi，计算被测环境的温度为Ti，进而计算出Ti温度下的一氧化碳气体浓度补偿系数βi；
βi＝A1×Ti 2+B1×Ti+C1
其中，A1、B1、C1为常量系数；
S5：计算被测环境中一氧化碳气体的实际浓度Di，Di＝Ni/βi。
进一步，步骤S1中，微处理器的A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值Ui：
Ui＝Ni×γ×R×(2α-1)/Uref+U0
其中，γ表示一氧化碳元件的检测灵敏度，α表示微处理器A/D模块转换位数，R表示信号处理电路电流电压转换电阻的阻值，Uref表示A/D模块转换参考电压。
进一步，步骤S4中，常量系数A1、B1、C1的计算方法为：在0～40℃范围内选取0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五个不同的温度测试点Ti，通入500ppm的标准浓度一氧化碳气体测试得到的不同初始浓度Ni，由βi＝Ni/500，得到不同浓度下的βi值，然后根据βi＝A1×Ti 2+B1×Ti+C1，得出A1、B1、C1三个常量系数的最优解。
优选的，模组主板8上焊接有线束接口12，包括电源正极、电源负极和信号线、程序下载线，电源电压满足一氧化碳传感器模组的工作电压要求，信号线可以采用UART、SPI或I2C中的一种，程序下载线至少包含调试时钟和调试数据两根线。
优选的，模组主板8上设置有电极插针孔座10；所述一氧化碳元件3上设置有电极插针，电极插针插进电极插针孔座10。
优选的，温度测量电路中包含有热敏电阻9，作为温度测量敏感元件和一氧化碳元件3设置在同侧，并贴板焊接。
优选的，微处理器具有4MHz以上的内部晶振作为时钟源，同时具有12位及以上的A/D采样转换精度，128bytes以上的用户参数非易失存储空间，以及具有UART、SPI或I2C的数字通讯外设。
优选的，一氧化碳元件3电极插针至少为3根，包括工作电极(W)、对电极(C)和参比电极(R)。
优选的，该传感器还包括封装罩1和元件压盖5。其中，元件压盖5通过螺纹和封装罩1紧密连接，两者之间设置有密封圈4，同时有锁紧螺钉2保证元件压盖5和封装罩1螺纹连接可靠不松动。锁紧螺钉2用于控制元件压盖5和封装罩1能否相对旋转，将元件压盖5和封装罩1分开，可以取出一氧化碳元件3。元件压盖5上有具有防尘防水功能的防尘片6和固定防尘片6的孔用弹性挡圈7；
封装罩1与模组主板8形成的灌封腔11内浇注环氧树脂等阻燃浇封材料，凝固后与封装罩1形成一个不透水不透气的实体；
锁紧螺钉2用于控制元件压盖5和封装罩1能否相对旋转，将元件压盖5和封装罩1分开，可以取出一氧化碳元件3。
本发明的有益效果在于：本发明传感器由微处理器、信号处理电路、一氧化碳元件、参数存储单元、线束接口、温度补偿电路组成，并且采用防尘、防水、屏蔽抗干扰设计，同时方便一氧化碳元件更换维护，降低用户使用成本。此外，本发明还提高了矿用一氧化碳传感器的环境适应性、工作稳定性和可靠性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例的一氧化碳传感器结构图；
图2为一氧化碳元件的示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为图2的仰视图；
图5为本发明实施例中模组主板的原理图；
附图标记：1-封装罩，2-锁紧螺钉，3-一氧化碳元件，4-密封圈，5-元件压盖，6-防尘片，7-孔用弹性挡圈，8-模组主板，9-热敏电阻，10-电极插针孔座，11-灌封腔，12-线束接口。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图5，本实施例提供一种智能型一氧化碳传感器，包含封装罩1、元件压盖5、模组主板8和一氧化碳元件3；其中，
模组主板8上设置有电极插针孔座10，一氧化碳元件3有电极插针，电极插针插进电极插针孔座10。模组主板8上设置有微处理器、信号处理电路、电压转换单元、温度测量电路和传输电路，其中热敏电阻9作为温度测量电路中温度测量敏感元件和一氧化碳元件3设计在同侧，并贴板焊接。模组主板8上焊接有线束接口12，实现与上级传感器主板的供电及数据交互连接，包括电源正极、电源负极和信号线、程序下载线，电源电压满足一氧化碳传感器模组的工作电压要求，信号线可以采用UART、SPI或I2C中的一种，程序下载线至少包含调试时钟和调试数据两根线。
模组主板8上的微处理器(如型号为PIC16F1783的芯片)具有4MHz以上的内部晶振作为时钟源，同时具有12位及以上的A/D采样转换精度，128bytes以上的用户参数非易失存储空间，以及具有UART、SPI或I2C的数字通讯外设。
元件压盖5通过螺纹和封装罩1紧密连接，两者之间设置有密封圈4，同时有锁紧螺钉2保证元件压盖5和封装罩1螺纹连接可靠不松动。元件压盖5上有具有防尘防水功能的防尘片6，和固定防尘片6的孔用弹性挡圈7。
模组主板8与封装罩1接触的圆环位置采取粘接密封处理。封装罩1与模组主板8形成的灌封腔11内浇注环氧树脂等阻燃浇封材料，凝固后与封装罩1成为一个不透水不透气的实体。
锁紧螺钉2用于控制元件压盖5和封装罩1能否相对旋转，将元件压盖5和封装罩1分开，可以取出一氧化碳元件3。
作为一种优选的实施例，如图2～4所示，一氧化碳元件3(如CO-4cm CiTiceL传感器)电极插针至少为3根，包括工作电极(W)、对电极(C)和参比电极(R)。
一氧化碳传感器模组上电工作后，信号处理电路将一氧化碳元件3输出的电流信号转换为电压信号，电压信号输入到微处理器的A/D转换采样引脚，计算得出初始一氧化碳浓度值Ni。温度测量电路输出到另一路A/D转换采样引脚，计算得出温度值为Ti。微处理器根据算法计算得出实际浓度Di，然后通过线束接口12中的信号线与传感器主板进行数据交互。另外通过线束接口12的程序下载线可以实现微处理器程序的更新。
本实施例的一氧化碳传感器的检测方法包括如下步骤：
S1：微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值Ui，Ui＝Ni×γ×R×(2α-1)/Uref+U0。
S2：在无一氧化碳的空气环境下，即Ni＝0，微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值U0；
S3：在存在一氧化碳的环境中，微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D的转换输出值Ui，计算被测环境中一氧化碳气体的初始浓度Ni，Ni＝A0×(Ui-U0)+C0；
S4：微处理器A/D模块采集温度测量电路输出的电压值Vi，计算被测环境的温度为Ti，进而计算出Ti温度下的一氧化碳气体浓度补偿系数为βi＝A1×Ti 2+B1×Ti+C1；
S5：计算被测环境中一氧化碳气体的实际浓度Di，Di＝Ni/βi。
A0、C0为智能型一氧化碳传感器模组在25℃的实验室环境中通入500ppm的标准浓度一氧化碳气体测试得到的常量系数，与一氧化碳元件的检测灵敏度γ、微处理器A/D模块转换位数α、A/D转换参考电压Uref以及信号处理电路电流电压转换电阻的阻值R有关。
在0～40℃范围内选取0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五个不同的温度测试点Ti，通入500ppm的标准浓度一氧化碳气体测试得到的不同初始浓度Ni，由βi＝Ni/500，得到不同浓度下的βi值，然后根据βi＝A1×Ti 2+B1×Ti+C1，得出A1、B1、C1三个常量系数的最优解。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种智能型一氧化碳传感器，其特征在于，该传感器包括一氧化碳元件(3)和模组主板(8)；所述模组主板(8)包括微处理器、信号处理电路、温度测量电路；
所述信号处理电路将一氧化碳元件(3)输出的电流信号转换为电压信号，并输入到微处理器，计算得出初始一氧化碳浓度值Ni；所述温度测量电路输出电压信号，并输入到微处理器，计算得出温度值Ti；所述微处理器根据算法计算得出一氧化碳的实际浓度Di。
2.根据权利要求1所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，该传感器的检测方法具体包括以下步骤：
S1：微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值Ui；
S2：在无一氧化碳的空气环境下，即Ni＝0，微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值U0；
S3：在存在一氧化碳的环境中，微处理器A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值Ui，计算被测环境中一氧化碳气体的初始浓度Ni；
Ni＝A0×(Ui-U0)+C0
其中，A0、C0为传感器在25℃的实验室环境中通入500ppm的标准浓度一氧化碳气体测试得到的常量系数；
S4：微处理器A/D模块采集温度测量电路输出的电压值Vi，计算被测环境的温度为Ti，进而计算出Ti温度下的一氧化碳气体浓度补偿系数βi；
βi＝A1×Ti 2+B1×Ti+C1
其中，A1、B1、C1为常量系数；
S5：计算被测环境中一氧化碳气体的实际浓度Di，Di＝Ni/βi。
3.根据权利要求2所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，步骤S1中，微处理器的A/D模块采集信号处理电路输出的电压，得到A/D模块的转换输出值Ui：
Ui＝Ni×γ×R×(2α-1)/Uref+U0
其中，γ表示一氧化碳元件的检测灵敏度，α表示微处理器A/D模块转换位数，R表示信号处理电路电流电压转换电阻的阻值，Uref表示A/D模块转换参考电压。
4.根据权利要求2所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，步骤S4中，常量系数A1、B1、C1的计算方法为：在0～40℃范围内选取五个不同的温度测试点Ti，通入500ppm的标准浓度一氧化碳气体测试得到的不同初始浓度Ni，由βi＝Ni/500，得到不同浓度下的βi值，然后根据βi＝A1×Ti 2+B1×Ti+C1，得出A1、B1、C1三个常量系数的最优解。
5.根据权利要求1所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，所述模组主板(8)还包括电压转换单元和传输电路。
6.根据权利要求1所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，所述模组主板(8)上设置有电极插针孔座(10)；所述一氧化碳元件(3)上设置有电极插针，电极插针插进电极插针孔座(10)。
7.根据权利要求1所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，所述温度测量电路中包含有热敏电阻(9)，作为温度测量敏感元件和一氧化碳元件(3)设置在同侧。
8.根据权利要求1所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，所述微处理器具有4MHz以上的内部晶振作为时钟源，同时具有12位及以上的A/D采样转换精度，128bytes以上的用户参数非易失存储空间，以及具有UART、SPI或I2C的数字通讯外设。
9.根据权利要求1所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，所述一氧化碳元件(3)电极插针至少为3根，包括工作电极(W)、对电极(C)和参比电极(R)。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的智能型一氧化碳传感器，其特征在于，该传感器还包括封装罩(1)和元件压盖(5)；所述元件压盖(5)通过螺纹和封装罩(1)紧密连接，两者之间设置有密封圈(4)，同时有锁紧螺钉(2)保证元件压盖(5)和封装罩(1)螺纹连接可靠不松动；所述元件压盖(5)上有具有防尘防水功能的防尘片(6)，和固定防尘片(6)的孔用弹性挡圈(7)；
所述封装罩(1)与模组主板(8)形成的灌封腔(11)内浇注阻燃浇封材料，凝固后与封装罩(1)形成一个不透水不透气的实体。
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2021
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