CN1924566A - 一种本质安全节能式焦炉煤气含氧量无线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种本质安全节能式焦炉煤气含氧量无线监测装置，属于含氧量检测技术领域。该装置包括由过滤器、电化学式氧气传感器、滤波放大器、单片机、无线数据收发模块和供电模块组成的下位机和由无线数据收发模块及与其相连的微型计算机或单片机组成的上位机，其中，过滤装置的采样端与电化学式传感器测量端相连，电化学式传感器与滤波放大器相连，滤波放大器与单片机相连，单片机与无线数据收发模块相连，供电模块分别与滤波放大器、单片机、无线模块的电源端和地线相连，该过滤装置的进气端与被检测的焦炉排气口相连。本发明可准确、迅速地传输氧气含量信号，且保证信号测量的安全、节能。可对焦炉煤气中的含氧量进行实时监测。

Description

一种本质安全节能式焦炉煤气含氧量无线监测装置

技术领域

本发明属于含氧量检测技术领域，用于冶金工业生产过程中焦炉煤气含氧量的在线监测，特别涉及到本质安全防爆和节能式无线监测系统的结构设计。

背景技术

近年来，随着冶金工业的迅速发展，产生大量焦炉煤气。焦炉煤气是炼焦产品的副产品，是指用几种烟煤配成炼焦用煤，在炼焦炉中经高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体，其组成成分主要为氢气、甲烷、一氧化碳、氮气等。一般情况下，焦炉煤气中，氢气的比例可以高达60％，而甲烷的比例也可以达到20％左右。

燃烧或爆炸的三要素是可燃物、助燃物和温度。氧气是空气的主要成份之一，生产过程中的任何环节处理不当，都可能在焦炉煤气中引入氧气，而焦炉煤气中氧气含量超过2％，将极有可能引发爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。而且，由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力作用下，可燃气体会沿地表面迅速扩散，形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。

所以，对焦炉煤气中氧气含量进行实时监测，当氧气含量超标时及时报警，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是保证工业安全生产的必要条件。

目前用于焦炉煤气中氧气量检测的方法主要有奥式气体分析法、磁氧分析法和电化学传感器法。奥式气体分析法是一种人工化学分析方法，可以分析CO₂、O₂、CO等气体的百分含量，其原理是使一定量的被分析气体依次与能吸收单个成分的吸收剂相接触，从吸收的体积差计算出气体成分的含量。其中氧气用焦性没食子酸(C₆H₃(OH)₃)碱溶液吸收。奥式分析法需要人工配制吸收剂，用气囊从现场获取气体再送到实验室进行化学反应。气体吸收操作要多次重复，每次分析用时5分钟以上，取样时间间隔短则1小时，长则2天。因此不适于实时监控和在线测量。顺磁式氧含量自动分析仪是一些大型企业使用的在线氧气监测方法，利用了氧气的磁化率远比其他气体的高的特点。它的精度较高、使用寿命较长，但是价格较贵。而且因为该分析仪是独立的一套设备，需要动力电压供电，防爆功能不完善，不适合现场实验。测量时需要从电捕焦油器中引出较长的气体管路，既延长了对测量的迟滞时间，又容易造成气路的堵塞。由于焦炉煤气具有可燃性和毒性，磁氧仪需要放在通风的室内，这也限制了这种传感器的应用。电化学传感器因其精度高、重复性好、反应时间短和使用方便等等因素一直被广大科研工作者所钟爱。

电化学氧气传感器的技术和产品也比较成熟，但是多用于便携式气体测量装置，用于危险场合的在线检测产品较少。目前市场上较典型的产品是日本COSMOS公司生产的XPO-318E(参见http://www.instrument-china.net/instrument/849/instrument2088386_l.asp)。该产品采用3位液晶数字方式显示，指示精度±0.3vol％以内。焦炉煤气的含氧量检测属于低浓度含氧量检测，氧气浓度一般在1～2％左右，所以对传感器精度要求很高。CityTech公司的AO2传感器的氧气分辨率为0.01％，可以很好地满足焦炉煤气中含氧量检测的需求。而且，XPO-318E利用4只5号干电池供电，降低了安全检测的可靠性。除此之外，因为焦炉煤气所在地为防爆区，属于危险场所，不便于工作人员经常往返检测，也不能不间断地对焦炉煤气中低浓度含氧量实行无线监测。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种本质安全节能式焦炉煤气含氧量无线监测装置，由下位机和上位机组成，通过无线数据传输的方式，将下位机放在气体采样点附近，从而缩短对氧含量变化的反应时间，可准确、迅速地传输氧气含量信号，且保证信号测量的安全、节能。可对焦炉煤气中的含氧量进行实时监测。

本发明提出的一种本质安全节能式焦炉煤气含氧量无线监测装置，其特征在于，包括由过滤器、电化学式氧气传感器、滤波放大器、单片机、无线数据收发模块和供电模块组成的下位机和由无线数据收发模块及与其相连的微型计算机或单片机组成的上位机，下位机各部分的连接关系为：过滤装置的采样端与电化学式传感器测量端相连，电化学式传感器与滤波放大器相连，滤波放大器与单片机相连，单片机与无线数据收发模块相连，供电模块分别与滤波放大器、单片机、无线模块的电源端和地线相连，该过滤装置的进气端与被检测的焦炉排气口相连。

本发明的特点及效果：

本发明由下位机和上位机组成，通过无线数据传输的方式，可用于危险场所，不需工作人员经常往返检测，能不间断地对焦炉煤气中低浓度含氧量实行无线监测。

本发明将下位机放在气体采样点附近，从而缩短对氧含量变化的反应时间，通过无线数据传输的方式，能准确、迅速地传输氧气含量信号，为工业数据采集提供了方便、安全的途径。且下位机可保证信号测量的安全、节能、长时间在线检测。

附图说明

图1为本质安全节能式焦炉煤气含氧量无线监测装置框图。

图2为信号放大和滤波电路原理图。

图3为下位机中单片机程序流程图。

图4为上位机便携式设备中单片机程序流程图。

具体实施方式

本发明设计了一种本质安全节能式焦炉煤气含氧量无线监测装置，结合各附图及实施例详细说明如下：

本发明的组成如图1所示，包括由过滤器、电化学式氧气传感器、滤波放大器、单片机、无线数据收发模块和供电模块组成的下位机和由无线数据收发模块及与其相连的微型计算机或单片机组成的上位机，下位机各部分的连接关系为：过滤装置的采样端与电化学式传感器测量端相连，电化学式传感器通过屏蔽信号线与滤波放大器相连，滤波放大器与单片机在同一印刷电路板上通过铜线相连，单片机与无线数据收发模块通过多根导线相连，供电模块通过导线分别与滤波放大器、单片机、无线模块的电源端和地线相连，该过滤装置的进气端与被检测的焦炉排气口相连。过滤装置的出气端相连至相应设备进行相应处理(此部分不属于本发明的内容)

其工作过程为：采用过滤器对焦炉煤气进行过滤，采用电化学式氧气传感器测量氧气含量，以毫伏级电压信号形式输出，通过屏蔽线传输到滤波放大器，将信号进行滤波和放大处理，然后经AD转换，通过无线模块发送给100米以内的上位机进行数据显示和处理。上位机对接收到的数据既可用手持式液晶显示屏显示结果，也可利用普通微机来保存，进而利用相应软件对历史数据进行综合分析。

本发明的滤波放大器包括RF滤波、仪表放大芯片、RC滤波。

本发明的单片机实现AD转换、数据计算和串口传输，且实现节能功能。

供电模块包括防爆电池、稳压芯片和限流电阻。上位机有两种实施方式，一种用无线模块和普通微机组成的监测仪器，另一种是用无线模块和单片机组成的便携装置。

上述各部分的具体实施例分别详细说明如下：

(一)下位机

本实施例的下位机的主要器件分别说明如下：

1.过滤器：本实施例的过滤器采用桶型滤膜过滤器(北化黎明膜分离技术公司生产的BH-3型)。

2.电化学式氧气传感器：

本发明采用电化学式传感器，该传感器以银作为阴极，以铅为阳极，采用碱性电解液，当氧浓度发生变化时可引起电池中电化学反应的变化。由于此方面的技术已经比较成熟，为方便起见，本实施例直接选用CityTech公司的AO2传感器。它的工作温度在-20℃～+50℃，输出毫伏级电压信号，氧气分辨率为0.01％，响应时间小于5s，适用于易燃易爆气体的测量。该传感器的预期使用寿命是在标准空气中连续工作2年，而焦炉煤气中正常含氧量在5％以下，预计相应的工作寿命可以延长3倍(该传感器的详细内容公开在http://www.citytech.com/PDF-Datasheets/ao2.pdf)。

3.供电模块

本发明的供电模块由电池、稳压芯片和限流电阻组成。其中，本实施例的电池采用3.6V防爆电池供电。稳压模块采用MAXIN公司的线性稳压器Max1792EUA33(3.3V)，用于调整电池电压为稳定的3.3V，为下位机电路的各个部件提供工作电压。限流电阻阻值为2Ω，最大功率为10W。用于当后续电路模块出现一个以上短路事故时，电源电压3.6V加到限流电阻上，功率为3.6²/2＝6.48＜10W。

4.滤波放大器

本发明的滤波放大器可包括RF滤波电路、仪表放大电路和RC滤波电路，其实施例具体组成如图2所示。分别说明如下：

氧传感器信号输出在mV级，20.9％含氧量时输出9～13mV，相应地在1％含氧量在0.6mV左右，需要放大到V级电压，通过单片机测量。这里将放大倍数设为100。为此本实施例的放大电路选用仪表放大器芯片AD623。放大倍数通过与该芯片相连的电阻R3设定，R3等于1KΩ时，放大倍数约为100。

在信号放大前降低仪表放大器的RF干扰误差，可以起到稳定信号，减少能耗的作用。在实际应用中，射频干扰通过某种途径进入仪表放大器并被整流，显示在放大器的输出如同直流失调误差一般，如果RFI(射频干扰)被调制或者具有周期性，这个直流失调可以随时间变化，导致难以分辨的测量误差。

为提高氧气测量精度和稳定性，下位机电路需要对模拟信号进行滤波处理。

本实施例的RF滤波电路在不减小带宽的情况下实现了良好的RFI抑制。图2的RF滤波电路中电阻R1和电容C1(同理电阻R2和电容C2)形成-3dB带宽的低通RC滤波，频率f＝1/(2πR1C1)，约为32KHz。电阻R1和R2在不增大电路噪声下用来提供有效的输入保护。C3保证使任何RF信号成为共模信号(放大器两个输入端的信号相同)，在输入端上不出现差异。这个低通网络的-3dB带宽为：

$W_{-3\mathrm{dB}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}(R1+R2)(C1+C2+C3)}$

C3取值0.047uF，所以这个电路的-3dB信号带宽大约是320Hz。

本实施例选用RC滤波方式以降低电路系统功耗，由R4和C8构成。因为被测氧气含量信号是直流量，在信号放大后加入小于50Hz的低通滤波环节，以消除工频信号对模拟电路的干扰。

5.单片机

本实施例采用低功耗的单片机MSP430实现AD转换与数据计算。使用32kHz晶振为MSP430提供工作频率。经过滤波的信号进入单片机的AD输入端口，经AD转换，传送到无线数据传输模块。单片机与无线模块的连接采用TTL接口方式，进行USART通信。另外通过一个IO管脚与无线模块的休眠端口相连，控制其工作状态，当控制信号输出为高电平时，无线模块进入休眠状态；当控制信号输出低电平时，无线模块在200ms后可以收发数据。

由于体积限制，电池提供的电能有限，为了延长电池的使用寿命，本实施例通过优化电路硬件和软件设计来降低电路的功耗，具体说明如下：

单片机功耗的降低与工作频率、工作状态有关。本电路中采用中断唤醒方式节省电池能力。无氧含量信号时CPU处于禁止状态，功耗小于150μW。

无线模块发射时功耗最大，其次是待机接受状态，而休眠状态时功耗最小。电路功耗大部分用于射频信号发送，因此可以减少无线数据发送时间来进一步减小功耗。本实施例实际运行中，因大部分时间氧气含量低于危险指标，下位机电路主要工作在间断无线数据传输的状态，而不发数据时单片机和无线模块进入低功耗的休眠模式。这样既保证了在线监测，又有效延长了电池组使用时间。由于传感器对氧气含量变化的反映时间T₉₀在5秒左右，因此正常运行时信号采样时间可以在5～10秒之间。

本实施例实现上述节能功能的单片机MSP430的程序流程如图3所示。包括以下步骤：

首先，对单片机的工作频率、参考电压等参数进行初始化，然后进行氧气信号的采样和AD转换，接着对采样值进行判断，当小于报警值时(本实施例设置报警值为氧气占总气体的5％)，单片机进入LPM3(休眠)模式，同时使无线模块休眠；当大于报警值时，5～10秒后，唤醒无线模块。再延时250ms，发送无线数据。首先发送该传感器的地址位数据，以标明该测量点的编号，然后发送氧气含量数据。完成一次数据发送，进入下一次循环。

实验和理论计算表明，使用3.6V×2Ah电池供电，可为下位机电路提供连续工作一个多月的能量。电池组每隔一个月替换一次，可以方便地维护下位机的数据监测。

6.无线数据收发模块

本发明的无线数据收发模块工作在无需申请频点的ISM频段。本实施例选用北京智维兴达科技有限公司的ZT-TR43C无线数据收发模块。该模块采用低功率发射，高灵敏度接受方案，载波频率为433MHz，它的理论通讯距离300米，实验证明，该系统可以在100米内(有障碍物的情况下)正常进行无线信号监测。该无线收发模块请参考http://www.cshouse.com/company/～730541.htm。

本质安全防爆仪表是基于限制电流和电压的设计原理，即采取各种有效限能或隔离措施，确保设备在正常运行和规定的故障状态下可能产生的危险点燃源的外露能量(如电弧、电火花和高温表面)不足以点燃爆炸性环境。本质安全型防爆性能是仪表电路本身固有的防爆性能。本质安全电路通过控制电路的电参数(如减小电感和电容等储能元件参数)或降低电路电流和电压，达到本质安全防爆要求。本实施例通过限制防爆电池的电压为3.3V，使下位机中所有电容之和小于100uF，所有电感容量之和小于10uH，该限流电阻限制下位机总电流最大值小于2A。使电路达到本质安全防爆要求。

(二)上位机

本发明的上位机可有两种实施例，一种用无线模块和普通微机组成的监测仪器，另一种是用无线模块和单片机组成的便携装置，分别说明如下：

1.用无线收发模块和普通微机组成的监测仪器

本实施例的微机为了对含氧量数据进行保存和在线监测和数据分析，采用LabVIEW编程实现了微机实时监测。

该程序调用MSComm控件实现USART串口数据传输。首先，通过初始化程序对数据文件保存位置、保存格式和USART格式进行设置。然后，读取USART格式的数据后，对地址位数据进行判断，与被测点地址相符后，对氧含量信号和温度信号提取和计算。当按下标定按钮时用预设值对氧气含量进行标定。

2.用无线模块和单片机组成的便携装置

本实施例为方便随时读取测量点含氧量，设计了便携式上位机设备，通过LCD直接显示数据。选用带有驱动器的4位段式LCD显示器进行数据显示，单片机与无线收发模块之间仍用USART串口通信。单片与LCD显示模块之间通过SPI串口通信。因为氧气含量的测量范围是0～25％，四位段式LCD可以以XX.XX的格式显示数据，单位是％。

单片机中的程序流程图如图4所示。

首先预设两个变量calibrator(校准变量)和oxygen(氧气变量)，在参数初始化后，通过查询方式发送无线信号来读取某个测量点的氧含量。然后开USART读中断，待机。上位机收到无线信号后进入串口中断服务程序。为区别于其他无线采集信号，本实施例增加了数据头验证位，上位机通过判断数据头验证位来进一步确认该点氧气含量数据的真实性。如果是真实测量值，提取数据头验证位之后的十六位二进制数据，将其转化为十进制数，然后赋给变量oxygen。

本实施例程序增加了校准功能，当用标准气体对氧含量校准时，按下校准按键。相应信号变成高电平传到MSP430的某一IO管脚，读该管脚状态即可判断并进行相应数据处理。如果按下校准键，则校准变量calibrator等于当前检测到的氧气变量值。如果没有按下校准键，则氧气变量oxygen的值为标气氧含量×oxygen/calibrator。其中，标气氧含量为已知用来标定的氧气含量。

然后进入LCDDisplay子程序，该程序以oxygen为输入量，设定单片机SPI模式，将oxygen数值分成四位数，查八段式数组表，然后按约定的由高到底(或由低到高)的顺序将数据发送到LCD驱动模块，LCD驱动模块用32位移位寄存器来保存并更新LCD的显示。

本实施例的主要技术特点如下：

1、传感器采用电化学式氧气传感器，输出微电压信号，在标准环境下可以连续工作1年以上；

2、前置电路与上位机通过无线射频方式在一定范围内进行通信，通信波段在ISM波段，发射、接收功率小于100mV；

3、前置电路使用3.6V防爆电池供电，各个电路的工作电压为3.3V，用限流电阻将总电流限制在2A以下，限制前置电路选用的电容、电感参数，从而实现前置电路的本质安全功能；

4、通过引入单片机、无线模块的休眠功能，在有限的电池能量供电情况下，使前置电路能够连续工作1个月以上；

5、无线监测装置的精度为0.05％；装置的反应时间为5s(不含过滤装置)；可实时显示测量数据及处理数据。

Claims (4)

1、一种本质安全节能式焦炉煤气含氧量无线监测装置，其特征在于，包括由过滤器、电化学式氧气传感器、滤波放大器、单片机、无线数据收发模块和供电模块组成的下位机和由无线数据收发模块及与其相连的微型计算机或单片机组成的上位机，下位机各部分的连接关系为：过滤装置的采样端与电化学式传感器测量端相连，电化学式传感器与滤波放大器相连，滤波放大器与单片机相连，单片机与无线数据收发模块相连，供电模块分别与滤波放大器、单片机、无线模块的电源端和地线相连，该过滤装置的进气端与被检测的焦炉排气口相连。

2、如权利要求1所示的装置，其特征在于，所述下位机的供电模块包括防爆电池、稳压芯片和限流电阻；该防爆电池的电压为3.3V，下位机中所有电容之和小于100uF，所有电感容量之和小于10uH，该限流电阻限制下位机总电流最大值小于2A。

3、如权利要求1所示的装置，其特征在于，所述下位机的单片机采用节能工作模式，该工作模式为对采样值进行判断，当小于报警值时，单片机进入休眠模式，同时使无线模块休眠；当大于报警值时，唤醒无线模块，再发送无线数据。

4、如权利要求1所示的装置，其特征在于，所述上位机采用无线模块和普通微机组成的监测仪器或是采用无线模块和单片机组成的便携装置。

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