CN2110873U - 甲烷传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型所述的甲烷传感器，具有可以根据甲 烷浓度高低分别投入检测的高、低浓度甲烷检测电 桥、单片微机系统和若干涉及显示、报警和信号输出 的功能电路，因为这种甲烷传感器能对甲烷浓度进行 连续的检测，测量范围广，单片微机系统又赋于传感 器智能化的功能，使检测响应速度大大加快，此外，还 能输出断电控制量信号，可在甲烷浓度达到断电点时 迅速切断引爆的电源，因此，使用这种甲烷传感器能 提高煤矿生产的安全性。

Description

本发明涉及一种用于煤矿井下掘进工作面和回风巷道等场所检测、显示甲烷浓度，在甲烷浓度超限时实现声光报警，並能输出甲烷浓度方波信号的甲烷传感器。

能实现上述功能，並具有代表性的甲烷传感器是FDZB－ZC型甲烷传感器，这种甲烷传感器采用两粒铂合金制成的热催化元件来检测甲烷浓度，其中一粒的表面涂有催化剂，为检测元件；另一粒的表面涂惰性物质，为温度补偿元件；将经过严格挑选搭配的这一对元件接入如图1所示检测电桥的两个臂上，通以适当的工作电流，在甲烷浓度为零时，将电桥调至平衡状态，当甲烷与涂有催化剂的检测元件接触时，甲烷借元件表面温度而无焰燃烧，使元件温度升高，阻值增加，电桥失去平衡，测量电桥输出端的电位差，即测量了甲烷浓度。这种检测元件只能检测低浓度的甲烷，当甲烷浓度≥3.5％时，必须对检测电桥实施断电保护，因此，这种甲烷传感器的检测范围小。此外，这种甲烷传感器在电路设计上虽然已经采用了高度集成化的技术，但毕竟未达到智能化的程度，因此，检测响应速度慢，一般为20～30秒，这一点对于高瓦斯矿井来说，就有可能在传感器未反应过来时，即已发生爆炸事故。再者，这种甲烷传感器不具备断电控制量输出功能，对远程断电器不能实施自动控制，因此，虽已发出甲烷浓度超限声、光报警，但仍不能有效地及时切断引爆源。

本发明的目的是提供一种响应速度快，测量范围广，既能保持甲烷浓度检测显示，甲烷浓度声、光报警和甲烷浓度信号输出功能，又具备断电控制量输出功能的甲烷传感器。

本发明的技术解决方案是：设置高浓度甲烷检测电桥、单片微机系统和断电控制量输出电路，其中高浓度甲烷检测电桥中由铂合金制作的分别装在密封气室和通风气室中的温度补偿元件和检测元件接在检测电桥的两个臂上，且高浓度甲烷检测电桥同低浓度甲烷检测电桥由高低浓度转换继电器控制实现工作转换；单片微机系统由前置放大电路、A／D转换器和单片微机组成，並设置在上述检测电桥同功能电路之间，所述的断电控制量输出电路是一个受单片微机控制的三极管电路。

下面结合附图和实施例来进一步阐明本发明的详细内容：

图1：甲烷浓度检测电桥工作原理图；

图2：本发明实施例的整机方框图；

图3：本发明实施例电路原理图。

如图3所示：本发明由甲烷浓度检测电桥、单片微机系统和功能电路组成，其中功能电路是下列功能电路的一种或多种组合：甲烷浓度超限声报警电路，甲烷浓度超限光报警电路，甲烷浓度数字显示电路，甲烷浓度方波信号输出电路和断电控制量输出电路。

甲烷浓度检测电桥包括高浓度甲烷检测电桥和低浓度甲烷检测电桥，两检测电桥由高低浓度转换继电器（RL）控制实现工作转换，两检测电桥的检测元件和温度补偿元件分别接在两检测电桥的两个臂上，且均用铂合金制成，其中低浓检测元件（CT1）的表面涂有催化剂，低浓温度补偿元件（CT2）的表面涂有惰性物质，且低浓检测元件（CT1）、低浓温度补偿元件（CT2）和高浓检测元件（HC2）分别装在三个通风气室内，而高浓温度补偿元件（HC1）则装在密封气室内。

单片微机系统设置在检测电桥同功能电路之间，由前置放大电路、A／D转换器和单片微机组成。

前置放大电路是将检测电桥输出的电压信号进行放大，並输出模拟电压信号。A／D转换器是将前置放大电路输出的模拟电压信号转换成适宜于单片微机处理的数字信号。本实施例采用ICL7650高精度渐波自稳零运算放大器作前置放大电路，采用ADC0804转换器作A／D转换器。

单片微机是本发明所指的甲烷传感器的主控部件，本实施例采用80C31作单片机，采用27C64  8K－EPROM作外部程序存贮器，采用74HC373作8D锁存器。单片机的第1～第8脚为P1口，第10～第17脚为P3口，第21～第28脚为P2口，第32～第39脚为P0口，P1口通过集成电阻（RP8×22KΩ）同达林顿阵列（MC1413）连接，並通过达林顿阵列（MC1413）来导通或截止下列功能电路：数字显示电路中的数码管（L1～L4）；声报警电路中的发光二极管（D6～D11）；光报警电路中的变压器（TR）原边线圈，然后由变压器（TR）的付边线圈输出去驱动蜂鸣片；高低浓度转换继电器（RL）中的线圈，通电后使常闭触点断开，常开触点闭合。P3口中的第10、12、14、15、16脚和单片机第9脚同施密特触发器（CD40106）连接，其中第10脚为断电信号控制线，通过施密特触发器（CD40106）导通或截止断电控制量输出电路，该电路由三极管（T1）和限流电阻（R1、R2）组成，三极管（T1）的集电极为断电信号控制输出端（RL－C），与远程断电器连接，以实现断电控制功能。第16脚（WR）是数字显示电路中的8D锁存器（74HC373）的通断信号控制线，通过施密特触发器导通或截止数字显示电路中8D锁存器，当第16脚（WR）变为低电平，经施密特触发器反向变为高电平並加到8D锁存器的第11脚（LE）时，才能将从PO口输来的8位数字信号打入8D锁存器，並经集成电阻（RP8×510Ω）加到数码管（L1～L4）的数据线上。P3口中第11脚是甲烷浓度信号输出线，单片机通过第11脚导通或截止甲烷浓度方波信号输出电路，该电路由三极管（T2）和限流电阻（R3、R4）组成，三极管（T2）的集电极为方波信号输出端（FOUT）。第13脚同A／D转换器的第5脚（INTR）和第3脚（WR）相连，第17脚（RD）同A／D转换器的第2脚（RD）相连，A／D转换器的第2脚为读信号控制线，当A／D转换完成后，第5脚输出一个低电平脉冲信号，此信号输入到第3脚使A／D转换器启动下一次转换，同时输入到单片机的第13脚，向单片机发出中断请求，单片机在必要时响应中断，读取A／D转换器输出的数据。P2口用作高8位地址总线，与外部程序存贮器的高8位地址线相连；第29脚为外部程序存贮器选通线，与外部程序存贮器的第22脚（OE）连接。第30脚为地址锁存信号线（ALE），与8D锁存器的第11脚及外部程序存贮器的第20脚（CE）连接，当该脚为高电平时，将低8位地址信号打入8D锁存器，当该脚为低电平时，8D锁存器保持锁存状态，而外部程序存贮器被选通，将指令信号传递给单片机。第31脚接地，使单片机能利用外部程序存贮器。PO口用作数据及低8位地址总线。集成电阻（RP8×22KΩ）与P0口相连，用作该口的下位电阻，使单片机在复位时P0口不会处于悬空状态。

本实施例还配备由＋5V三端固定稳压器（MC7805）、＋6V三端固定稳压器（MC7806）和－5V电压发生器（CD7660）组成的电源电路，其中＋5V（Vcc）稳压电源主要供检测电桥、单片机等电路使用，＋6V（VDD）稳压电源主要供显示及声、光报警等电路使用，－5V电压供ICL7650放大器使用。

本发明采用的高浓度甲烷检测电桥是利用检测元件的“热导原理”来实现的，当甲烷分子同检测元件的表面碰撞时，检测元件的温度下降，因此，这种检测电桥能用于高浓度甲烷检测，从而使甲烷传感器的检测范围扩大，达到能检测0～40％CH，的浓度范围，此外，本发明利用微电脑预测，控制使响应速度大大加快，又增加了断电控制量输出功能，因此，这种甲烷传感器具有智能化的特性，使用它能提高煤矿生产的安全性。

Claims (3)

1、一种甲烷传感器，具有低浓度甲烷检测电桥和下列功能电路中的一种或多种组合：甲烷浓度数字显示电路，甲烷浓度超限声报警电路，甲烷浓度超限光报警电路和甲烷浓度方波信号输出电路，本发明的特征是：还具有高浓度甲烷检测电桥、单片微机系统和断电控制量输出电路，其中高浓度甲烷检测电桥中由铂合金制作的分别装在密封气室和通风气室中的温度补偿元件(HC1)和检测元件(HC2)接在检测电桥的两个臂上，且高浓度甲烷检测电桥同低浓度甲烷检测电桥由高低浓度转换继电器(RL)控制实现工作转换，单片微机系统由前置放大电路、A/D转换器和单片微机组成，并设置在上述检测电桥同功能电路之间，断电控制量输出电路是一个受单片微机控制的三极管(T1)电路。

2、根据权利要求1所述的甲烷传感器，其特征是：采用ICL7650高精度渐波自稳零运算放大器作前置放大电路，ADC0804转换器作A／D转换器，80C31作单片机，27C64，8K－EPROM作外部程序存贮器，74HC373作8D锁存器。

3、根据权利要求2所述的甲烷传感器，其特征是：单片机（80C31）的P1口通过集成电阻（RP8X22KΩ）同达林顿阵列（MC1413）连接，並通过达林顿阵列（MC1413）来导通或截止下列功能电路：数字显示电路，声报警电路，光报警电路和高低浓度转换继电器（RL），P3口的第10和16脚分别通过施密特触发器（CD40106）导通或截止断电控制量输出电路和数字显示电路中的8D锁存器（74HC373），通过P3口中的第11脚导通或截止甲烷浓度方波信号输出电路。

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