CN220490732U - 一种复合式气体检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种复合式气体检测仪。该检测仪包括机壳和设置在机壳上的检测系统，检测系统包括数据采集模块、数据处理模块和输出模块。数据采集模块包括用于采集机壳当前姿态和加速度的九轴加速度传感器，用于检测可燃气体的第一气体传感器，用于检测有毒气体的第二气体传感器，用于将第一传感器或第二传感器的检测信号转换成对应的电压信号的信号处理单元，以及用于将电压信号进行模数转换的ADC单元。数据处理模块用于接收数据采集模块采集到的信号并进行对应处理。输出模块用于输出数据处理模块的处理结果。本实用新型通过九轴加速度传感器实时读取操作人员的姿态，以便操作人员不慎摔倒时能够及时救助，保障操作人员的作业安全性。

Description

一种复合式气体检测仪

技术领域

本实用新型涉及气体检测技术领域，具体为一种复合式气体检测仪。

背景技术

气体检测仪是一种气体泄漏浓度检测的仪器仪表工具，种类包括便携式气体检测仪、手持式气体检测仪、固定式气体检测仪、在线式气体检测仪等。一般应用于光伏发电、垃圾发电、废气治理、天然气、电力、制药、化工业、食品、烟草、铸造、钢铁、矿业、油、气、石油、造纸业、造船海运、喷漆、污水处理等会产生特殊气体的行业。

现如今的气体检测仪仅具有单一检测功能，且检测种类有限。也有将多种传感器集为一体的检测仪，以扩大气体检测的种类，因此大多检测仪的目的是实现气体检测仪的多样化，多集中在增加气体检测范围上。在实际检测过程中，有些检测环境并非处于完全安全的环境，操作人员进行检测是具备一定危险性的，操作人员携带气体检测仪对检测环境进行检测时，若出现意外，例如操作人员摔倒无法自行起身时，在周围无其它操作人员扶持且自身不能有效向其它人员进行呼救时，可能会因救助不及时造成操作人员自身出现危险，因为长时间处于有特殊气体的环境内会对身体造成一定的影响。基于此，操作人员在对一些危险环境进行检测时，为了保证操作人员的安全性，还需佩戴一些用于紧急呼救的仪器以保障操作人员的人身安全，但也增加了操作人员检测时所需携带物品的种类，一定程度上增加了操作人员的工作难度。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有气体检测仪功能单一的问题，提供一种复合式气体检测仪。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种复合式气体检测仪，包括机壳和设置在机壳上的检测系统，检测系统包括数据采集模块、数据处理模块和输出模块。

数据采集模块包括用于采集机壳当前姿态和加速度的九轴加速度传感器，用于检测不同可燃气体的第一气体传感器，用于检测不同有毒气体的第二气体传感器，用于将第一传感器或第二传感器的检测信号转换成对应的电压信号的信号处理单元，以及用于将电压信号进行模数转换的ADC单元。

数据处理模块与数据采集模块电连接，用于接收数据采集模块采集到的信号并进行对应处理。

输出模块与数据处理模块电连接，用于输出数据处理模块的处理结果。

进一步的，信号处理单元包括运算放大器U8，负载电阻R89以及低通滤波器；U8的同相输入端和反相输入端分别串联电阻后并作为信号处理单元的正极输入端和负极输入端与R89连接；U8的电源端接5V电源，接地端接地，输出端通过低通滤波器与ADC单元连接。

进一步的，信号处理单元包括运算放大器U9，电阻R96、R97、R98，电容C51，以及低通滤波器；U9的同相输入端和反相输入端分别串联电阻后并作为信号处理单元的正极输入端和负极输入端，U9的反相输入端与输出端之间串接C51，R97、R98并联后与R97串联，并与C51并联；U9的电源端接3V2电源，接地端接地，输出端通过低通滤波器与ADC单元连接。

进一步的，数据采集模块还包括用于采集机壳所在环境情况的摄像头；摄像头与数据处理模块电连接。

进一步的，数据采集模块还包括用于获取机壳所在位置的GPS子模块；GPS子模块与数据处理模块电连接。

进一步的，第一气体传感器采用催化燃烧式传感器，第二气体传感器采用电极传感器。

进一步的，数据处理模块采用STM32L151芯片。

进一步的，输出模块包括用于显示检测结果的显示屏和用于灯光提示的LED灯带；显示屏和LED灯带与数据处理模块电连接。

进一步的，数据采集模块还包括用于将声音信号转换为电信号的咪头；输出模块还包括用于将电信号转换为声音信号的喇叭；咪头和喇叭与数据处理模块电连接。

进一步的，输出模块还包括用于通讯的433MHz自组网子模块和4G子模块；433MHz自组网子模块和4G子模块与数据处理模块电连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：

1、本实用新型通过九轴加速度传感器实时读取操作人员的姿态，当出现加速度超过阈值且姿态异常时，能够发送信号给相关工作人员，以便操作人员不慎摔倒时能够及时救助，保障操作人员的作业安全性，无需操作人员额外佩戴其它仪器，简化操作人员作业时佩戴物品种类，方便操作人员进行相关作业。

2、本实用新型通过设置信号处理单元能够对气体传感器的检测信号进行信号转换，同时能够展宽运放的同频带，降低输出信号中的噪声，输出信号稳定，抗干扰能力强；

3、本实用新型通过433MHz自组网子模块和4G子模块配合进行数据传输，优选4G子模块进行数据传输，当处于4G信号覆盖不好的地方，或处于密闭空间中，使用载波频率更低的433MHz自组网子模块，继续数据传输与中继，避免因4G信号不好导致数据无法传输转发的问题。

附图说明

参照附图来说明本实用新型的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制，在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：

图1为本实用新型实施例1介绍的一种复合式气体检测仪中检测系统框图；

图2为基于图1的信号处理单元的电路原理图；

图3为基于图1的数据处理模块的电路原理图；

图4为本实用新型实施例2介绍的信号处理单元的电路原理图；

图5为本实用新型介绍的一种复合式气体检测仪的外观图。

具体实施方式

容易理解，根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。

实施例1

请参阅图1，本实施例介绍了一种复合式气体检测仪，包括机壳和设置在机壳上的检测系统，检测系统包括数据采集模块、数据处理模块和输出模块。如图5所示，对于机壳需要说明的是，机壳不仅包括仪表外壳，还可以安装相应的泵吸式标气罩。仪表外壳可以由上下两盖构成，上下两盖之间通过密封条连接。泵吸式标气罩安装在上盖上。数据采集模块、输出模块中的部分结构安装在机壳外表面，部分结构安装在机壳内部。数据处理模块嵌在机壳内部。

下面先对数据采集模块进行说明。首先第一气体传感器和第二气体传感器分别用于采集可燃气体和有毒气体，因此第一气体传感器采用催化燃烧式传感器，第二气体传感器采用电极传感器。催化燃烧式传感器是由检测元件和补偿元件组成的测量桥。在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面和催化剂作用下发生无焰燃烧。载体温度升高，铂丝电阻通过传感器内部相应增加，使平衡电桥不平衡。经过后续电路的放大、稳定和处理，最终显示出可靠值。通过测量铂丝的电阻变化可以确定可燃气体的浓度。电极传感器由膜电极和电解质组成。气体浓度信号将电解质分解成负离子和负离子，并通过电极传输信号。对于第一气体传感器和第二气体传感器也可以采用其它型号规格的传感器。且实际使用时也不局限于两种气体传感器，可以根据机壳的大小以及实际需求进行增加。

第一气体传感器和第二气体传感器的检测信号通过信号处理单元转换成电压信号。信号处理单元包括运算放大器U8，电阻R88～R93，以及电容C50。

请参阅图2，具体连接方式如下：U8的同相输入端和反相输入端分别串联R90、R91后并作为信号处理单元的正极输入端和负极输入端与R89连接，U8的同相输入端通过R88接地，U8的反向输入端与输出端之间串接R92；U8的电源端接5V电源，接地端接地，输出端串联R93、C50后接地，R93、C50的共接处作为信号处理单元的输出端与ADC单元连接。

电阻R89为负载电阻，将当前检测到的信号转换，R91为运放偏置电阻，为运放提供偏置电流和偏置电压，R90为运放提供偏置电流和偏置电压，并提高了运放的输入组抗，R88为下拉分压电阻，对输入电压分压，并是的输入电压不供地，减少了，共摸信号干扰。R92为反馈电阻，将检测的负载电压放大，并送入运放输出端做比较，使得运放进入负反馈状态，将信号放大，并输出，展宽了运放的同频带，增加了运放的输入电阻，提高了运放的共模抑制比。高性能进口运放使得，电路的输出噪声极低，并带来了较宽温度范围内的工作稳定性。

运放输出部分使用了R93与C50组成的低通滤波器，大大减小了信号电路输出的高频噪声，使得输出信号更稳定，抗干扰能力强。该运放使用5V供电，电源使用高精度低纹波供电方案，使得运放输出信号中的噪声大大减小，并完美的抑制运放供电的电源噪声，5V供电，运放为轨到轨输入，使得输入信号的范围很宽，可适用性更强，使得兼容的传感器更多。

电阻R91连接到运放U8的反向输入端，电阻R90连接到运放的同向输入端，电阻R89作为负载电阻，连接到电阻R91和R90两端，电阻R88连接在运放的同向输入端，一段接地，将输入信号与地隔离，电阻R92作为反馈电阻，将输入电压放大，并反馈到运放的输出输入端，使得输出信号受控。

对于U8，选用型号为LM324的运算放大器，LM324是一款集成了四个运算放大器的四路运算放大器IC，由一个公共电源供电。差分输入电压范围可以等于电源电压的范围。默认输入失调电压非常低，幅度为2mV。环境温度范围为0℃至70℃，而最高结温可高达150℃。

ADC单元采用现有的ADC芯片进行模数转换。例如采用型号为AD7705/7706的ADC芯片，可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。

对于九轴加速度传感器，其实三种传感器的组合：3轴加速传感器、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘(地磁传感器)。加速传感器用于测量空间中各方向加速度的。它利用一个“重力块”的惯性，传感器在运动的时候，“重力块”会对X、Y、Z方向(前后左右上下)产生压力，再利用一种压电晶体，把这种压力转换成电信号，随着运动的变化，各方向压力不同，电信号也在变化，从而判断物体的加速方向和速度大小。陀螺仪用于测量角度以及维持方向。利用加速传感器和陀螺仪，基本可以描述物体的完整运动状态。但是随着长时间运动，也会产生累计偏差，不能准确描述运动姿态，电子罗盘(地磁传感器)利用测量地球磁场，通过绝对指向功能进行修正补偿，可以有效解决累计偏差，从而修正物体的运动方向、姿态角度、运动力度和速度等。

GPS子模块实时与数据处理模块通讯，并实时定位当前的位置信息，并向后台报告当前的作业人员坐标和经纬度，以便于实现后台的远端管理。

摄像头实时采样当前作业环境现场的样子，并将采样到的数据变成数字信号，送入数据处理模块，数据处理模块通过读取与处理相应的数据，将当前环境的数据通过4G的方式传输到后台手机APP中，以便于监护和指挥人员实时了解当前现场环境。

咪头安装在仪表外壳上，用于将现场的声音信号转换为电信号，经数据处理模块处理后通过4G与433MHz自组网将测量到的数据发送到周边的仪表上，发送到后台手机APP上，发送到后台电脑上，以便于远端查看当前作业现场的情况。

此外，还可以安装气压传感器，实时检测当前的管路气压值。还可以安装温度传感器，作为气体传感器的温度补偿，例如采用型号为lm117温湿度传感器，可以实时测量当前传感器中的温度值，并通过IIC的通讯方式，与数据处理通讯。数据处理模块知道温度后，通过算法计算，实现传感器的温度补偿，使得传感器在正常的温度区间工作，并减少了温度变化对气体检测的误差。

下面对数据处理模块进行说明。数据处理模块可以采用STM32L151芯片。具体的电路原理图如图3所示。不仅具有STM32L151芯片，还包含用于给供电的充电电路、用于获取当前时间的时钟电路、用于驱动气泵的气泵驱动电路等。数据处理模块作为主控板，其起到数据计算、传输等作用。例如气压传感器检测到管路气压大于阈值时，反馈给主控板，令主控板发送命令使得喇叭报警工作，LED灯带工作，并在显示屏上，显示故障代码和故障内容，实现对外报警，并提示气泵堵塞，需要检修。

再例如当气体传感器输出的电压超过报警阈值时，主控板便实时读取当前的气体浓度值，并实时显示在当前显示屏上，并发送命令给LED灯带，让灯带显示报警色。并通过功放电路将预先设置好的语音播报数据，放大后，输出到喇叭实现语音播报当前气体浓度和警示音。

对于输出模块需要说明的是，输出模块包括4G子模块、433MHz自组网子模块、显示屏、喇叭和LED灯带。可以实现产品的任意组网互联功能，高速传输当前作业空间，作业现场的实时画面，并实现实时语音对讲，方便作业人员与外部监护人员，现场指挥人员的交流。

4G子模块与数据处理模块通讯，并实时传输当前数据处理模块发送的数据与命令，向后台报告当前作业人员的状态。

433MHz自组网子模块，作为数据传输与数据中转的模块，当处于4G信号覆盖不好的地方，或处于密闭空间中，使用载波频率更低的433MHz自组网模块，可实现更好的数据传输与中继，避免因4G信号不好导致数据无法传输转发的问题。

4G子模块、433MHz自组网子模块和GPS子模块天线均匀分布在仪表外壳周边，均为板载天线，保证了仪表的美观性。

显示屏采用LCD显示屏，用于显示当前的浓度。显示屏背后焊接一圈LED灯带，该灯带为全彩受控灯带，可任意单个发光，颜色可变，亮度极高。组成报警指示灯带，保证了报警时，更容易被发现。喇叭采用3W双立体扬声器，安装在仪表上盖壳体侧边，并接入有功放电路，保证报警声，较大更容易被听到。

此外，还可以设置轻触按键焊接在显示屏内的电路板上，并和仪表上盖通过硅胶按键相连，保证了按键手感。还设置手电筒安装在仪表上盖的顶端位置，手电筒使用草帽LED保证了照明范围和照明亮度，可保证在密闭空间中作业，无惧黑暗。为了能够显示仪器当前状态，还可以设置Logo指示灯，安装在仪表上盖上，作为状态指示用。

另外需要说明的是，433MHz自组网子模块、4G子模块、GPS子模块、ADC单元等使用的独立电路模块，均与数据处理模块锡焊在一起或者通过导线连接在一起，并通过板对板连接器与显示屏的电路板相连接。

本实施例不仅具有跌倒报警功能，当作业人员在密闭空间中，或处于狭小空间中作业时，由于现场作业环境复杂，有登高或摔倒风险，当作业人员不慎摔倒时，便立即声光报警，并通过433MHz自组网方式对外发出报警信息，并通过4G传输当前作业环境，并报告是否有伤亡情况。还可以同时测量多种气体浓度。具有寻迹仪功能，可靠根据作业现场，所泄漏的气体浓度，自动变换报警声频率，当达到报警阈值时，便立即处于长鸣状态。并且可以在产品上实时查看当前自己的位置信息，并实时传输位置信息到后台，让监护人员和现场指挥人员，及时知晓作业人员的位置信息。集成实时视频传输、语音对讲、寻迹、跌倒报警功能等功能，满足多功能复合式需求，多功能化保证操作人员的人身安全，提高现场作业的安全性。

实施例2

请参阅图4，本实施例介绍了一种复合式气体检测仪，其与实施例1介绍的复合式气体检测仪的结构基本相同。区别在于本实施例采用的信号处理单元包括运算放大器U9，电阻R94～R99，电容C51～C52。具体连接方式如下：

U9的同相输入端和反相输入端分别串联R95、R94后并作为信号处理单元的正极输入端和负极输入端，U9的反相输入端与输出端之间串接C51，R97、R98并联后与R97串联，并与C51并联；U9的电源端接3V2电源，接地端接地，输出端串联R99和C52并作为信号处理单元的输出端与ADC单元连接。

电阻R94连接在运放反向输入端，和传感器输入端，作为负载电阻，电容C51作为反馈电容和滤波电容，可以将运放的穿越频率限制在指定的范围内，并实现不失真的放大信号，展宽运放的通频带，电阻R96与R97、R98并联体串联，实现放大倍数可调，并适配更多的传感器，电阻R95连接在运放的同向端，作为运放的输入偏置电阻，为运放提供偏置电流和偏置电压，并将运放输出电压抬高到指定值，电阻R99与电容C52组成低通滤波电路，将运放输出的高频噪声滤除，并实现信号的处理，使得输出电压稳定，波动小。使用高精度，低纹波的供电方案供电。电压为3.3V使得运放输出电压更好的适配ADC芯片。增加了ADC有效位数的使用率，大大提高了检测精度。

运算放大器选用型号为LM358运算放大器，属于一种低功率双运算放大器，由两个独立的高增益内部频率补偿运算放大器组成，专门设计用于在宽电压范围内由单电源供电。

本实施例具有与实施例1相同的有益效果。

本实用新型的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本实用新型技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合式气体检测仪，其包括机壳，所述机壳上设置有检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：

数据采集模块，其包括用于采集机壳当前姿态和加速度的九轴加速度传感器，用于检测不同可燃气体的第一气体传感器，用于检测不同有毒气体的第二气体传感器，用于将第一气体传感器或第二气体传感器的检测信号转换成对应的电压信号的信号处理单元，以及用于将所述电压信号进行模数转换的ADC单元；

数据处理模块，其与所述数据采集模块电连接，用于接收所述数据采集模块采集到的信号并进行对应处理；

输出模块，其与数据处理模块电连接，用于输出所述数据处理模块的处理结果。

2.根据权利要求1所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述信号处理单元包括运算放大器U8，负载电阻R89以及低通滤波器；U8的同相输入端和反相输入端分别串联电阻后并作为所述信号处理单元的正极输入端和负极输入端与R89连接；U8的电源端接5V电源，接地端接地，输出端通过低通滤波器与所述ADC单元连接。

3.根据权利要求1所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述信号处理单元包括运算放大器U9，电阻R96、R97、R98，电容C51，以及低通滤波器；U9的同相输入端和反相输入端分别串联电阻后并作为所述信号处理单元的正极输入端和负极输入端，U9的反相输入端与输出端之间串接C51，R97、R98并联后与R97串联，并与C51并联；U9的电源端接3V2电源，接地端接地，输出端通过低通滤波器与所述ADC单元连接。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述数据采集模块还包括用于采集机壳所在环境情况的摄像头；所述摄像头与所述数据处理模块电连接。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述数据采集模块还包括用于获取机壳所在位置的GPS子模块；所述GPS子模块与所述数据处理模块电连接。

6.根据权利要求1所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述第一气体传感器采用催化燃烧式传感器，所述第二气体传感器采用电极传感器。

7.根据权利要求1所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述数据处理模块采用STM32L151芯片。

8.根据权利要求1所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述输出模块包括用于显示检测结果的显示屏和用于灯光提示的LED灯带；所述显示屏和所述LED灯带与所述数据处理模块电连接。

9.根据权利要求1所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述数据采集模块还包括用于将声音信号转换为电信号的咪头；所述输出模块还包括用于将电信号转换为声音信号的喇叭；所述咪头和所述喇叭与所述数据处理模块电连接。

10.根据权利要求1所述的复合式气体检测仪，其特征在于，所述输出模块还包括用于通讯的433MHz自组网子模块和4G子模块；所述433MHz自组网子模块和所述4G子模块与所述数据处理模块电连接。