CN208187447U - 一种管道气体参量监测仪表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种管道气体参量监测仪表，包括壳体，所述壳体内设置监测系统模块，所述监测系统模块包括微处理器模块、控制按键模块、显示屏模块、存储器模块，还包括频率信号采样电路、模拟信号采样电路及模拟通道高速切换电路，还包括传感器，传感器设置在壳体外的煤矿井下瓦斯气体抽排放管道上，所述传感器与模拟通道高速切换电路或频率信号采样电路连接。本实用新型能根据煤矿现场管道的检测需求，能采样温度、压力、瓦斯浓度传感器送上来的模拟电压信号,流量传感器送上来的频率信号，根据相应量程设置，将其转换为相对于的实际物理量加以显示，具有超限报警与记录功能，转换精度高，带负载能力强，功耗小。

Description

一种管道气体参量监测仪表

技术领域

本实用新型涉及一种检测仪表领域，具体涉及一种管道气体参量监测仪表。

背景技术

管道气体参量检测仪表主要应用于煤矿安全生产，通过参数设置，能够对地面或井下瓦斯抽排放管道中的气体的压力、温度、流量和甲烷浓度参量进行实时采样与动态显示、超限报警与记录。

传统管道仪表，通常是管道气体单参量检测，功能少，操作繁琐。少部分管道多参量仪表，人机交互差，价格高，不能兼容第三方传感器信号接入，可靠性低，在瓦斯浓度数据检测中，缺少软硬件滤波，易受长线束或外界干扰，出现误检测，导致误报警，产生安全生产事故。

设计的多种采样调理电路，可与国内个各类具有输出标准电信号的本质安全隔爆型传感器连接，采样精度高，接插方便，便于组装。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种管道气体参量监测仪表，可通过本装置的实时监测煤矿管道气体的各个参数，方便了煤矿技术员监测与操作。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种管道气体参量监测仪表，包括壳体，所述壳体内设置监测系统模块，所述监测系统模块包括微处理器模块及分别与微处理器模块通讯连接的控制按键模块、显示屏模块、存储器模块，还包括频率信号采样电路、模拟信号采样电路及模拟通道高速切换电路，所述频率信号采样电路、模拟信号采样电路分别与微处理器模块通讯连接，所述模拟通道高速切换电路分别与模拟信号采样电路及微处理器模块通讯连接，还包括传感器，传感器设置在壳体外的煤矿井下瓦斯气体抽排放管道上，所述传感器与模拟通道高速切换电路或频率信号采样电路连接。

进一步的，所述传感器为瓦斯浓度传感器、温度传感器或压力传感器，所述瓦斯浓度传感器、温度传感器及压力传感器分别通过模拟信号接口与模拟通道高速切换电路通讯连接。

进一步的，所述传感器为流量传感器，所述流量传感器通过频率信号接口与频率信号采样电路通讯连接。

进一步的，所述传感器为流量传感器，所述流量传感器通过模拟信号接口与模拟通道高速切换电路通讯连接。

进一步的，所述监测系统模块还包括运行指示灯，所述运行指示灯与微处理器模块通讯连接。

进一步的，所述监测系统模块还包括电源供电稳压电路，所述电源供电稳压电路分别与微处理器模块、运行指示灯及控制按键连接，所述电源供电稳压电路与外部供电线连接。

由上述技术方案可知，本实用新型的一种管道气体参量监测仪表根据煤矿现场管道的检测需求，能采样温度、压力、瓦斯浓度传感器送上来的模拟电压信号(1-5V),流量传感器送上来的频率信号(200-1000Hz)，根据相应量程设置，将其转换为相对于的实际物理量加以显示，具有超限报警与记录功能，转换精度高，带负载能力强，功耗小。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型单片机最小系统及其接口电路；

图3是本实用新型外围系统电路；

图4是本实用新型程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1和图2所示，本实施例的一种管道气体参量监测仪表，包括壳体1，所述壳体1内设置监测系统模块，所述监测系统模块包括微处理器模块及分别与微处理器模块通讯连接的控制按键模块、显示屏模块、存储器模块，还包括频率信号采样电路、模拟信号采样电路及模拟通道高速切换电路，所述频率信号采样电路、模拟信号采样电路分别与微处理器模块通讯连接，所述模拟通道高速切换电路分别与模拟信号采样电路及微处理器模块通讯连接，还包括传感器，传感器设置在壳体1外的煤矿井下瓦斯气体抽排放管道8上，所述传感器与模拟通道高速切换电路或频率信号采样电路连接。

所述传感器为瓦斯浓度传感器4、温度传感器5或压力传感器6，所述瓦斯浓度传感器4、温度传感器5及压力传感器6分别通过模拟信号接口3与模拟通道高速切换电路通讯连接。

所述传感器为流量传感器7，所述流量传感器7通过频率信号接口2与频率信号采样电路通讯连接。

所述传感器为流量传感器7，所述流量传感器7通过模拟信号接口3与模拟通道高速切换电路通讯连接。

所述监测系统模块还包括运行指示灯，所述运行指示灯与微处理器模块通讯连接。

所述监测系统模块还包括电源供电稳压电路，所述电源供电稳压电路分别与微处理器模块、运行指示灯及控制按键连接，所述电源供电稳压电路与外部供电线9连接。

本实施例的一种管道气体参量监测仪表，采用STM32单片机微处理器作为核心进行设计研发，主要负责检测三路模拟电压信号，一路频率信号；能显示实时管道气体温度、压力、瓦斯浓度和流量与各种状态信息；通过操作按键发送控制指令，如量程设置、采集量零点标定、恢复出厂设定；具有存储功能，可存储量程、零点、出厂标定值等系统参量；通过运行指示灯来提示用户本仪表当前的工作状态。

本实施例具体结构模块设计如下：

1、单片机微控制器STM32F103ZET6

STM32F103ZET6单片机是基于Cortex-M3内核的32位微处理器，价格便宜，硬件资源非常丰富。具有64kB的SRAM，512kB的FLASH存储空间；8个定时器，频率脉冲捕捉/比较功能丰富，集成多种通信接口；内置3个12位ADC转换采样模块，其转换速率可达1MHz，实时性高；拥有112个通

用IO口，使用方便，简化了硬件电路设计。其工作频率可倍频至72MHz下工作，运行速度快。工作电压3.3V，工作温度范围-40度至+85度。采用ST官方提供的一整套库函数，减轻软件开发难度与周期。因此，本系统采用STM32F103ZET6单片机作为核心，完成管道气体参量信号的监测、显示、存储等功能要求。如图2所示，为单片机最小系统及其接口电路。

1.1频率信号采样方式

单片机对于频率信号的采集有两种方法：一种为测频法，用来检测高频信号，测量精度低；另一种是测周法，测量精度高，用来检测低频信号。其信号频率的高低主要是针对于单片机的工作频率来说。本系统所采集的流量传感器频率信号为200-1000Hz，相对于STM32F103ZET6的72MHz工作频率属于低频信号，所以采用测周法来采集信号频率。配置STM32F103ZET6的捕捉功能模块对流量频率信号的上升沿进行捕捉，通过每两次的捕捉差值来计算流量信号的周期，从而得到对应流量信号的频率值，具有采集处理速度快，精度高等优点。

1.2模拟信号采样方式。

矿用管道气体参量传感器模拟信号由电感电容滤波后，经一级电压跟随器输出，经模拟电子开关CD4051进行顺序切换通道，依次循环送给16位AD芯片ADS1110转换为数字信号，由隔离芯片ADUM1251进行数字隔离后接入微处理的IIC接口进行采集。本电路只需一路AD数字隔离成本，完成四路模拟信号的数字隔离采集，在复杂工况环境下，提高模拟信号采集稳定性同时，降低了硬件成本。如图3(f)所示，为模拟通道高速切换电路。

2显示

本实施例通常使用在煤矿地面或井下环境中，为了增强了人机界面交互的友好性与操控性，方便使用者及时观察管道实时动态数据信息和相关参数设置，显示选用带字库的320*240点阵OCMJ15*20D大液晶屏，内建双图层的显示内存，支持文字与绘图两种混和显示模式，带有LED背光灯，支持8-Bit的数据总线接口，方便硬件连接，简化的显示程序编写调试。本仪表显示界面设计为三个，分别为开机界面，用于显示本仪表的基本信息；采样显示界面，用于实时显示管道温度、压力、瓦斯浓度和流量数据；参数设定界面，用于设置标定系统参数。如图3(a)所示，为显示接口电路。

3设置

本仪表设计五个带滤波电容的上拉独立按键，从硬件上消除了按键的机械抖动，单片机通过识别对应输入端口的高低电平状态，就可获取键值。其中，KEY1用于显示界面切换操作；KEY2用于选择待设置变量操作；KEY3用于选中变量参数自增加操作；KEY4用于选中变量参数自减少操作；KEY5用于确定操作。如图3(b)所示，为按键接口电路。

4存储

本仪表采用EEPROM芯片AT24C01作为存储介质来设计存储电路，拥有128KB存储空间，通过IIC总线协议对其进行读写操作，用来存储各传感器所设置的量程范围、零点、出厂标定和报警信息等数据，具有掉电保护，重新供电后继续正常工作功能，可满足重要数据信息的存储要求。如图3(c)所示，为存储接口电路。

5信号调理

由于本仪表在现场实际应用中所连接的温度、压力、瓦斯浓度和流量传感器线束较长，信号会受到有一定的衰减和外部干扰。针对温度、压力、瓦斯浓度和流量传感器的信号，采用串接电感并接电容滤除传感器信号所受的毛刺与干扰，经OPA2188集成运放构成一级电压跟随输出给单片机对进行采集；针对第三方流量传感器的频率信号，采用一个由NPN型三极管构成的整形电路，提高信号频率质量。所设计的信号调理电路从硬件上滤除干扰，增强信号的带载能力，提高信号的采样精度。如图3(d)所示，为信号调理接口电路。

6供电

稳定可靠的供电是保证本仪表正常稳定工作的前提。本实施例仪表需要DC-5V给外围电路器件供电，DC-3.3V给单片机供电。采用电源芯片TPS5430和AMS1117-3.3分别设计DC-5V和DC-3.3V供电电路，TPS5430左侧外部电源输入端VIN-VCC串接二极管SS36，防止人为误操作反接电源，增加电容滤除噪声，提高电源质量，配置电阻R9(10kΩ)和R10(3.24kΩ)，使输出电压稳定在5V。同时增加了一路电源指示灯LED4方便直观的观察电源的工作情况。然后通过AMS1117-3.3构成的降压稳压电路转换成DC-3.3V。因TPS5430电源芯片具有较宽的输入电压范围(DC5.5V-36V)等优点，提高了本仪表从现场取电的灵活性。如图3(e)所示，为供电接口电路。

7软件设计

本实施例仪表主要完成的任务是温度、压力、瓦斯、流量传感器数据的采集滤波，数据处理及显示。用模块化思想设计本系统软件程序框架，每个模块以时间为驱动，分时调用，降低耦合，方便后续软件系统的维护和管理。

主要包括主程序、5毫秒定时器中断子程序、捕捉中断子程序、AD采集滤波子程序、按键子程序、显示子程序，并启用看门狗定时一器功能，防止程序跑飞，提高程序执行的稳定性。

主程序主要功能是先读24C01存储器，回复系统参数值，对IO、AD、捕捉和定时器中断模块与相关外设进行初始化。然后等待5毫秒采样周期到来，开启捕捉功能，调用AD采集子程序、按键子程序和显示子程序。最后等待100毫秒存储周期到来，更新存储系统参量，喂狗后再次返回主程序等待5毫秒采样周期到来。如图4(a)所示。

定时器中断子程序，定时为5毫秒，为5毫秒采样周期和100毫秒存储周期提供时基，如图4(b)所示。AD采样子程序获得3路模拟量值，通过中值滤波后换算成实际温度、压力、瓦斯浓度值。捕捉子程序，通过连续两次有效捕捉的差值换算成实际流量值，如图4(c)所示。按键子程序，通过读取5个独立按键状态，设置显示界面与相关系统参数，如图4(d)所示。显示子程序，通过识别示模式变量mod的值，来显示不同界面和数据信息，如图4(e)所示。

本实施例所设计的模拟通道高速切换电路，如图3(f)所示，通过顺序切换采样通道，依次循环将温度、压力、瓦斯浓度和流量传感器的模拟信号送给微处理器进行模数转换，硬件上实现一路AD成本，完成四路模拟信号的采集需求，降低了成本，简化了软件开发难度。

本实施例所设计的信号调理电路，如图3(d)所示，针对温度、压力、瓦斯浓度和流量传感器的信号，采用串接电感并接电容滤除传感器信号所受的毛刺与干扰，经集成运放构成一级电压跟随输出给单片机对进行采集；针对第三方流量传感器的频率信号，设计一个由NPN型三极管构成的整形电路，提高信号频率质量。本信号调理电路从硬件上滤除干扰，增强信号的带载能力，提高信号的采样精度。提高了本仪表的兼容性。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种管道气体参量监测仪表，包括壳体(1)，所述壳体(1)内设置监测系统模块，其特征在于：所述监测系统模块包括微处理器模块及分别与微处理器模块通讯连接的控制按键模块、显示屏模块、存储器模块，还包括频率信号采样电路、模拟信号采样电路及模拟通道高速切换电路，所述频率信号采样电路、模拟信号采样电路分别与微处理器模块通讯连接，所述模拟通道高速切换电路分别与模拟信号采样电路及微处理器模块通讯连接，还包括传感器，传感器设置在壳体(1)外的煤矿井下瓦斯气体抽排放管道(8)上，所述传感器与模拟通道高速切换电路或频率信号采样电路连接；

所述传感器为瓦斯浓度传感器(4)、温度传感器(5)或压力传感器(6)，所述瓦斯浓度传感器(4)、温度传感器(5)、压力传感器(6)分别通过模拟信号接口(3)与模拟通道高速切换电路通讯连接；

还包括流量传感器(7)，所述流量传感器(7)通过频率信号接口(2)与频率信号采样电路通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种管道气体参量监测仪表，其特征在于：所述流量传感器(7)通过模拟信号接口(3)与模拟通道高速切换电路通讯连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种管道气体参量监测仪表，其特征在于：所述监测系统模块还包括运行指示灯，所述运行指示灯与微处理器模块通讯连接。

4.根据权利要求3所述的一种管道气体参量监测仪表，其特征在于：所述监测系统模块还包括电源供电稳压电路，所述电源供电稳压电路分别与微处理器模块、运行指示灯及控制按键连接，所述电源供电稳压电路与外部供电线(9)连接。