CN208383688U - 一种新型高精度甲烷气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型高精度甲烷气体传感器，包括主体，所述主体上方设有进线口，所述进线口末端连接声光报警器，主体下方设有传感器；其包括甲烷气体敏感元件、声光报警电路、微处理器、电源电路、红外遥控电路、通讯接口电路、信号放大电路、A/D转换电路及高清彩屏显示单元，微处理器分别电连接声光报警电路、电源电路、红外遥控电路、通讯接口电路、A/D转换电路及高清彩屏显示单元，甲烷气敏元件通过信号放大电路、A/D转换电路将信息传输给微处理器，电源电路与外部电源相接；本实用新型的优点是，具有防爆、二级防雷、防静电能力，多种通讯方式可供选择，配有丰富的人机界面与红外遥控，多种报警模式设置，适用于综合管廊内部环境监测。

Description

一种新型高精度甲烷气体传感器

技术领域

本实用新型涉及一种甲烷气体传感器，具体涉及一种用于综合管廊环境监测的新型高精度甲烷气体传感器。

背景技术

地下管廊是一个多种信号与传输对象交汇的复杂环境场所，容纳各种信号线、热力管、燃气管、电信管道、给水管道、电力管道等，管廊内环境安全尤为重要，因此有害气体监测成为地下管廊环境安全的保障。目前广泛采用的红外检测法甲烷气体传感器可靠性高量程大，但红外检测法受温度影响在检测精度方面存在缺陷。

现有中国专利文件CN201621225596.6公布了一种红外甲烷浓度检测报警装置，其主要技术方案为：一种红外甲烷浓度检测报警装置，其特征在于，包括主控单元、显示单元、声光报警单元、红外遥控单元、电源模块单元、恒流驱动单元、甲烷气体传感器、信号处理单元。所述显示单元、声光报警单元和红外遥控单元分别与主控单元的输出端连接，所述电源模块单元的输出端与主控单元的输入端连接，所述主控单元的输出端通过恒流驱动单元与甲烷气体传感器连接，所述甲烷气体传感器的输出端与信号处理单元的输入端连接，所述信号处理单元的输出端与主控单元的输入端连接。与本实用新型方案不完全相同。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种适用于综合管廊环境24小时在线监测甲烷浓度、且能够快速响应的新型高精度甲烷气体传感器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种新型高精度甲烷气体传感器，包括主体，所述主体上方设有进线口，所述进线口末端连接声光报警器，所述主体下方设有传感器；

其包括甲烷气体敏感元件、声光报警电路、微处理器、电源电路、红外遥控电路、通讯接口电路、信号放大电路、A/D转换电路及高清彩屏显示单元，所述微处理器分别电连接声光报警电路、电源电路、红外遥控电路、通讯接口电路、A/D转换电路及高清彩屏显示单元，所述甲烷气敏元件通过信号放大电路、A/D转换电路将信息传输给微处理器，所述电源电路与外部电源相接；

所述通讯接口电路包括RS485电路、4-20mA接口电路、网口电路、无线模块及GSM模块，具体通讯方式为：485通讯、网口通讯、无线传输、GSM短信传输或两线制4-20mA输出，可供具体选择。

进一步的，所述微处理器为低电压3.3V供电的STM32系列MCU，其包括：128Kflash，20K RAM，3.3V工作电压，51个通用输入输出口，3个串行外设接口，72MHz主频，4个16位PWM定时器，16个12位模数转换通道，2个12位模数转换转换单元。

进一步的，所述高清彩屏显示单元采用1.7寸高清彩屏，用于显示气体实时浓度及设备报警状态。

进一步的，本实用新型检测精度≤±3％F.S，响应时间T90≤20秒。

进一步的，所述红外遥控电路连接红外遥控器，所述红外遥控器设有功能键，通过该功能键进行一键式操作，实现在危险场合免开盖操作，包括：修改报警点、浓度校准、零点校准、消音、恢复出厂等功能。

进一步的，本实用新型通讯方式包括有线、无线远程传输及网络传输。三线制4-20mA标准信号和标准总线RS485同时输出；短信报警和无线传输；兼容二次仪表、数据采集模块、PLC、DCS系统，可驱动相关设备；所述无线传输可以将数据通过无线方式传输到手机、远程监控中心、监控电脑等监控设备，利用微处理器在电脑上进行数据分析、存储、打印等功能。

进一步的，本实用新型可设置多种报警模式：低报警、高报警、区间报警、加权平均值报警。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型微处理器为基于Cortex-M3内核的STM32系列芯片，STM32MCU融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，具有高集成度和开发简易的特点，具有防爆、二级防雷、防静电能力，多种通讯方式可供选择，配有丰富的人机界面与红外遥控，多种报警模式设置，坚固耐用的防爆外壳适用于管廊环境以及恶劣的工业环境下甲烷气体浓度；具有日志记录功能，可记录校准日志、维修日志、故障记录、故障解决对策，传感器寿命到期提醒，下次浓度校准时间提醒功能；本实用新型电路设计防爆等级为ExdIICT6，具有二级防雷、防静电能力，满足国家标准，抗高强度脉冲浪涌电流冲击；具有防反接功能，符合EMI、EMC标准。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型系统构成示意图。

具体实施方式

如图1-2所示的一种新型高精度甲烷气体传感器，包括主体3，所述主体3上方设有进线口1，所述进线口1末端连接声光报警器2，所述主体3下方设有传感器4；

其包括甲烷气体敏感元件、声光报警电路、微处理器、电源电路、红外遥控电路、通讯接口电路、信号放大电路、A/D转换电路及高清彩屏显示单元，所述微处理器分别电连接声光报警电路、电源电路、红外遥控电路、通讯接口电路、A/D转换电路及高清彩屏显示单元，所述甲烷气敏元件通过信号放大电路、A/D转换电路将信息传输给微处理器，所述电源电路与外部电源相接；

所述通讯接口电路包括RS485电路、4-20mA接口电路、网口电路、无线模块及GSM模块，具体通讯方式为：485通讯、网口通讯、无线传输、GSM短信传输或两线制4-20mA输出，可供具体选择。

本实用新型工作方式为：

固定式安装在线检测，扩散式测量：可选管道式、流通式、泵吸式测量。安装方式位管道式、壁挂式。本实用新型主要用于地下综合管廊环境下测量管廊内甲烷气体浓度。

工作时，由外部电源提供24VDC电压，甲烷气敏元件将采集到的模拟量信号经过放大电路之后输出到A/D转换电路，A/D转换后得到的数字信号输入微处理器，微处理器对接收到的数字信号进行处理最终得到甲烷气体浓度值并输出到高清显示屏；当甲烷气体浓度值等于或大于报警点设置值，微处理器控制声光报警器2发出报警信号。

本实用新型的具体算法：

用于红外甲烷传感器的温度补偿算法模型有很多，如最小二乘法、误差反向传播神经网络和径向基函数神经网络等。其中最小二乘法作为一种经典数值算法，在样本容量大的情况下难以获得较高的精度。神经网络算法由于缺少完整的数学定理框架，无法从根本原则上解释如何选择最佳的网络结构、激活函补偿，基于此，本文提出了一种基于高斯过程的回归模型进行温度补偿，以提髙传感器4的检测精度。

首先通过实验得到n个观测值，记作D＝{(x_i,y_i)|i＝1，2，...，n}，其中x_i代表每一个实验观测值的二维输入向量，即红外甲烷传感器上显示的温度和信号比；y_i则代表实验中每一个标定的甲烷浓度值。随后用贝叶斯分析方法解决带有高斯噪声的回归模型即

y＝f(x)+ε (1)

式中y是假定被干扰后的浓度标量，f(x)是理想环境下的函数值，ε是假定服从髙斯分布的噪声干扰值，其数学期望为0，方差为σ_n，即ε～N(0,σ_n ²)。

实验室中标定的甲烷浓度值y的先验分布为

y～N(0,K(X,X)+σ_n ²I) (2)

该分布中K(X,X)代表每一个二维输入量x_i的协方差所构成的n×n阶矩阵。可得观测值和预测值组成的联合分布为

式中K(X,X_*)是每个训练样本输入向量与预测值输入向量的协方差构成的n×1阶矩阵，同理K(X_*,X)是1×n阶矩阵，K(X_*,X_*)是预测值输入向量自身的协方差。

而条件分布p(f_*|X,y,X_*)满足高斯分布即

cov(f_*)＝K(X_*,X_*)-K(X_*,X)[K(X,X)+σ_n ²I]^-1K(X,X_*) (6)

因此，最佳预测值即是该分布的均值即传感器4在利用该温度补偿算法模型后得出的甲烷浓度输出值，估计的不确定性可以用该分布的均方差cov(f_*)来表示。

最佳预测值与各个协方差组成的矩阵密切相关，因此协方差函数(核函数)的选择和高维参数的设定至关重要。协方差函数的种类繁多，包括Matern函数、周期协方差函数和线性协方差函数等。在实际应用中根据输入向量的相似度选择特定的核函数，不同的核函数具有不同的特点，三阶Matern函数拟合的曲线比较平滑且能显示局部变化，周期函数则显示一个重复的周期过程，线性协方差函数表示拟合对象之间的线性关系。

但是实际应用中，温度对红外甲烷传感器的影响机理十分复杂，传感器4探测信号与标定甲烷浓度之间存在非线性关系，所以选择三阶Matern函数作为协方差函数，即

r＝(x_p-x_q)^TM(x_p-x_q) (8)

M＝l^-1I (9)

式中x_p和x_q代表不同的温度和信号比所组成的二维向量；上标T代表矩阵的转置；l代表空间尺度；I为单位矩阵；δ_pq是克罗内克函数，

判断一个模式的好坏，以贝叶斯观点，就是基于边缘分布，使用训练样本后能否获得最大的概率，因为边缘分布的特质是能自动地权衡模式对样本点的匹配度和模式的复杂度。边缘分布的公式为

式中K_y＝K+σ_n ²I。K为没有噪声干扰的协方差矩阵，θ＝{l,σ_f,σ_n}。

经过高斯模型补偿后的预测值误差小于未经过补偿的测量值，而且均方差更小，说明精确性提高。

本实用新型微处理器为基于Cortex-M3内核的STM32系列芯片，STM32 MCU融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，具有高集成度和开发简易的特点，具有防爆、二级防雷、防静电能力，多种通讯方式可供选择，配有丰富的人机界面与红外遥控，多种报警模式设置，坚固耐用的防爆外壳适用于管廊环境以及恶劣的工业环境下甲烷气体浓度；具有日志记录功能，可记录校准日志、维修日志、故障记录、故障解决对策，传感器4寿命到期提醒，下次浓度校准时间提醒功能；本实用新型电路设计防爆等级为ExdIICT6，具有二级防雷、防静电能力，满足国家标准，抗高强度脉冲浪涌电流冲击；具有防反接功能，符合EMI、EMC标准。

本实用新型中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型高精度甲烷气体传感器，包括主体(3)，其特征在于，所述主体(3)上方设有进线口(1)，所述进线口(1)末端连接声光报警器(2)，所述主体(3)下方设有传感器(4)；

其包括甲烷气体敏感元件、声光报警电路、微处理器、电源电路、红外遥控电路、通讯接口电路、信号放大电路、A/D转换电路及高清彩屏显示单元，所述微处理器分别电连接声光报警电路、电源电路、红外遥控电路、通讯接口电路、A/D转换电路及高清彩屏显示单元，所述甲烷气敏元件通过信号放大电路、A/D转换电路将信息传输给微处理器，所述电源电路与外部电源相接；

所述通讯接口电路包括RS485电路、4-20mA接口电路、网口电路、无线模块及GSM模块。

2.根据权利要求1所述的一种新型高精度甲烷气体传感器，其特征在于，所述微处理器为低电压3.3V供电的STM32系列MCU。

3.根据权利要求1所述的一种新型高精度甲烷气体传感器，其特征在于，所述高清彩屏显示单元采用1.7寸高清彩屏，用于显示气体实时浓度及设备报警状态。

4.根据权利要求1所述的一种新型高精度甲烷气体传感器，其特征在于，其检测精度≤±3％F.S，响应时间T90≤20秒。

5.根据权利要求1所述的一种新型高精度甲烷气体传感器，其特征在于，所述红外遥控电路连接红外遥控器，所述红外遥控器设有功能键，通过该功能键进行一键式操作。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种新型高精度甲烷气体传感器，其特征在于，其通讯方式包括有线、无线远程传输及网络传输。