一種智能甲烷全量程傳感器的製造方法

2023-09-20 15:16:05

一種智能甲烷全量程傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種智能甲烷全量程傳感器，包括有四線插座、電橋工作電源、弱電電路電源、通信接口電路、甲烷電橋工作電路、單片機電路及環境溫度測量電路，四線插座的兩電源線連接電橋工作電源，弱電電路電源連接電橋工作電源；四線插座的兩通信線為I2C通信線，並連接通信接口電路，通信接口電路連接單片機電路，單片機電路的單片機STM32L151C8內含EEPROM存儲器，用於存儲傳感器的工作參數和設定的I2C地址，單片機片上集成有所需的DAC、ADC和I2C外設；甲烷電橋工作電路和環境溫度測量電路分別連接單片機電路。本智能甲烷全量程傳感器能實現全量程測量甲烷濃度，不需要進行現場校正，與外部連接的通信接口為I2C接口，使用方便。
【專利說明】一種智能甲烷全量程傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及智能傳感器的【技術領域】，尤其是指一種智能甲烷全量程傳感器。【背景技術】
[0002]甲烷濃度的測量對於煤炭和石化行業非常重要，目前主要的測量方式是催化燃燒方法。催化燃燒的檢測元件由鉬電阻黑元件和鉬電阻白元件串聯，黑元件表面含催化劑，通過電加熱把檢測元件加熱到400°C左右的高溫後，若黑元件周圍含有甲烷氣體，則甲烷會發生無焰催化燃燒，並放出熱量，該熱量會使黑元件的電阻值進一步升高。黑元件阻值上升的大小與甲烷的濃度呈正比，通過測量電阻值的變化即可確定氣體濃度。但是，當氣體濃度達至IJ 4%以上時，測量精度變差，而且容易自燃，燒壞整個傳感器。催化燃燒方法只適合甲烷濃度在0%?4%範圍內測量。
[0003]為了達到全量程甲烷濃度測量，人們把熱傳導式測量方法與催化燃燒方法相結合，在催化燃燒基礎上增加熱傳導元件，利用甲烷濃度與熱傳導係數呈正比的關係來測量高濃度(4%?100%)的甲烷氣體。組合傳感器工作時在催化元件和熱傳導元件之間切換，這樣方法能夠部分解決全量程測量問題，但是還存在兩種測量元件在切換時平穩過渡問題，甚至出現雙值問題，同時由於沒有催化燃燒黑元件的溫度控制機制，在催化燃燒時溫度還是偏高，縮短了整個傳感器的使用壽命。此外，一般甲烷模擬傳感器需要與專用變送器配合使用，不提供通用的數字通信接口。

【發明內容】

[0004]本實用新型的目的在於克服現有技術的不足與缺點，提供一種合理可靠的智能甲烷全量程傳感器，利用甲烷催化燃燒傳感器兼作為熱傳導傳感器，分別針對其熱傳導工作模式和催化燃燒工作模式設立兩個溫度工作點，通過改變電橋的工作電壓來穩定檢測元件工作點溫度。
[0005]為實現上述目的，本實用新型所提供的技術方案為:一種智能甲烷全量程傳感器，包括有四線插座、電橋工作電源、弱電電路電源、通信接口電路、甲烷電橋工作電路、單片機電路以及用於計算甲烷檢測元件相對於環境溫度溫升的環境溫度測量電路，其中，所述四線插座的兩電源線連接電橋工作電源,通過所述電橋工作電源提供3.6V的VP3V6電源，以供電橋電路工作，同時也向除電橋電路以外的弱電電路電源供電，所述弱電電路電源連接電橋工作電源；所述四線插座的兩通信線為I2C通信線，並連接通信接口電路，所述通信接口電路連接單片機電路，所述單片機電路的單片機STM32L151C8內含EEPROM存儲器，用於存儲傳感器的工作參數和設定的I2C地址，單片機片上集成有所需的DAC、ADC和I2C外設；所述甲烷電橋工作電路和環境溫度測量電路分別連接單片機電路。
[0006]所述甲烷電橋工作電路選擇甲烷催化燃燒傳感器MJC4/3.0L，包括有場效應管、放大器、NPN三極體、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻；其中，所述甲烷催化燃燒傳感器MJC4/3.0L的黑元件為帶催化劑的鉬電阻，其白元件為不含催化劑的鉬電阻；所述場效應管的柵極接單片機STM32L151C8的I/O開關信號輸出，其漏極接電橋工作電源，由所述電橋工作電源提供3.6V的VP3V6電源，所述場效應管並聯有第一電阻；所述放大器、NPN三極體和第二電阻組成功率放大和電壓跟隨電路，所述放大器的同相輸入端接單片機STM32L151C8的DAC輸出；所述第三電阻、第四電阻、黑元件、白元件和第五電阻組成一個電橋，所述黑元件、第六電阻、白元件和第七電阻組成另一個電橋。
[0007]所述電橋工作電源和弱電電路電源分別採用LDO電源晶片SPX1117和SPX3819，參考電源採用REF3020，所述參考電源接單片機STM32L151C8的ADC引腳，並採用比對的方法來校正其它模擬輸入信號的測量值。
[0008]所述通信接口電路由單片機STM32L151C8的I2C引腳、上拉電阻和ESD晶片PRTR5V0U2X 組成。
[0009]所述環境溫度測量電路採用DS18B20對環境溫度進行測量。
[0010]本實用新型與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0011]1、與傳統的模擬傳感器相比，本智能甲烷全量程傳感器不需要進行現場校正；
[0012]2、本智能甲烷全量程傳感器與外部連接的通信接口為I2C接口，使用方便；
[0013]3、本智能甲烷全量程傳感器在實現全量程測量甲烷濃度時，保證了熱傳導工作模式和催化工作模式的工作溫度穩定，工作模式之間轉換平穩，延長了傳感器使用壽命，避免了自然現象和可能的危險事故發生。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為智能甲烷全量程傳感器的結構示意圖。
[0015]圖2為智能甲烷全量程傳感器的甲烷電橋工作電路原理圖。
[0016]圖3為智能甲烷全量程傳感器的狀態機圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0018]如圖1所示，本實施例所述的智能甲烷全量程傳感器，包括有四線插座M100、電橋工作電源M101、弱電電路電源M102、通信接口電路M103、甲烷電橋工作電路M104、單片機電路M105以及用於計算甲烷檢測元件相對於環境溫度溫升的環境溫度測量電路M106 ;其中，本智能甲烷全量程傳感器通過四線插座MlOO與外部使用設備(變送器或者控制器)連接；所述四線插座MlOO的兩電源線連接電橋工作電源MlOI，通過所述電橋工作電源MlOI提供
3.6V的VP3V6電源，以供電橋電路工作，同時也向除電橋電路以外的弱電電路電源M102供電，所述弱電電路電源M102連接電橋工作電源MlOl ;所述四線插座MlOO的兩通信線為I2C通信線，並連接通信接口電路M103，所述通信接口電路M103連接單片機電路M105，所述單片機電路M105的單片機STM32L151C8內含EEPROM存儲器，用於存儲傳感器的工作參數和設定的I2C地址，單片機片上集成有所需的DAC、ADC和I2C外設；所述電橋工作電源MlOl和弱電電路電源M102分別採用LDO電源晶片SPX1117和SPX3819，參考電源採用REF3020，由於所採用的單片機STM32L151C8不帶參考電源引腳，因此參考電源接單片機STM32L151C8的ADC引腳，並採用比對的方法來校正其它模擬輸入信號的測量值；所述通信接口電路M103由單片機STM32L151C8的I2C引腳、上拉電阻和ESD晶片PRTR5V0U2X組成；所述甲烷電橋工作電路M104和環境溫度測量電路M106分別連接單片機電路M105 ;所述環境溫度測量電路M106採用DS18B20對環境溫度進行測量。
[0019]如圖2所示，本實施例所述甲烷電橋工作電路M104選擇甲烷催化燃燒傳感器MJC4/3.0L,包括有場效應管Q301、放大器U301A、NPN三極體Q302、第一電阻R301、第二電阻R302、第三電阻R311、第四電阻R312、第五電阻R313、第六電阻R314、第七電阻R315 ;其中，所述甲烷催化燃燒傳感器MJC4/3.0L的黑元件RTb為帶催化劑的鉬電阻，其白元件RTw為不含催化劑的鉬電阻；所述場效應管Q301的柵極接單片機STM32L151C8的I/O開關信號輸出，其漏極接電橋工作電源MlOl，由所述電橋工作電源MlOl提供3.6V的VP3V6電源，所述場效應管Q301並聯有第一電阻R301 ;所述放大器U301A、NPN三極體Q302和第二電阻R302組成功率放大和電壓跟隨電路，所述放大器U301A的同相輸入端接單片機STM32L151C8的DAC輸出；所述第三電阻R311、第四電阻R312、黑元件RTb、白元件RTw和第五電阻R313組成一個電橋，所述黑元件RTb、第六電阻R314、白元件RTw和第七電阻R315組成另一個電橋。MeasureSwitch為單片機STM32L151C8輸出的I/O開關信號，當單片機ADC需要測量電橋輸出電壓時，設置MeasureSwitch為低電平,控制場效應管Q301導通,單片機通過ADC測量V2~V4的值。電橋輸出電壓測量完後，設置MeasureSwitch為高電平，關掉場效應管Q301，由NPN三極體Q302向檢測元件黑元件RTb和白元件RTw供電。HeatVoltage接單片機的DAC輸出，用於控制檢測元件的工作電壓，從而控制檢測元件的工作溫度。第三電阻R311為25歐姆，其餘的第四電阻R312、第五電阻R313、第六電阻R314和第七電阻R315為2000歐姆。由於V。和V1可能超出ADC的最佳測量範圍，因此通過V2~V4的測量來計算出Vc^PV115由電橋電路和相應的電阻參數，通過下式⑴可以計算出黑元件RTb和白元件RTw的阻值，再根 據熱傳導或催化燃燒的測量甲烷濃度原理，即可得到甲烷的濃度。
【權利要求】
1.一種智能甲烷全量程傳感器，其特徵在於:包括有四線插座(M100)、電橋工作電源(MlOl)、弱電電路電源(M102)、通信接口電路(M103)、甲烷電橋工作電路(M104)、單片機電路(M105)以及用於計算甲烷檢測元件相對於環境溫度溫升的環境溫度測量電路(M106)，其中，所述四線插座(M100)的兩電源線連接電橋工作電源(MlOl)，通過所述電橋工作電源(MlOl)提供3.6V的VP3V6電源，以供電橋電路工作，同時也向除電橋電路以外的弱電電路電源(M102)供電，所述弱電電路電源(M102)連接電橋工作電源(MlOl);所述四線插座(M100)的兩通信線為I2C通信線，並連接通信接口電路(M103)，所述通信接口電路(M103)連接單片機電路(M105)，所述單片機電路(M105)的單片機STM32L151C8內含EEPROM存儲器，用於存儲傳感器的工作參數和設定的I2C地址，單片機片上集成有所需的DAC、ADC和I2C外設；所述甲烷電橋工作電路(M104)和環境溫度測量電路(M106)分別連接單片機電路(M105)。
2.根據權利要求1所述的一種智能甲烷全量程傳感器，其特徵在於:所述甲烷電橋工作電路(M104)選擇甲烷催化燃燒傳感器MJC4/3.0L，包括有場效應管(Q301)、放大器(U301A)、NPN三極體(Q302)、第一電阻(R301)、第二電阻(R302)、第三電阻(R311)、第四電阻(R312)、第五電阻(R313)、第六電阻(R314)、第七電阻(R315);其中，所述甲烷催化燃燒傳感器MJC4/3.0L的黑元件(RTb)為帶催化劑的鉬電阻，其白元件(RTw)為不含催化劑的鉬電阻；所述場效應管(Q301)的柵極接單片機STM32L151C8的I/O開關信號輸出，其漏極接電橋工作電源(MlOl)，由所述電橋工作電源(MlOl)提供3.6V的VP3V6電源，所述場效應管(Q301)並聯有第一電阻(R301);所述放大器(U301A)、NPN三極體(Q302)和第二電阻(R302)組成功率放大和電壓跟隨電路，所述放大器(U301A)的同相輸入端接單片機STM32L151C8的DAC輸出；所述第三電阻(R311)、第四電阻(R312)、黑元件(RTb)、白元件(RTw)和第五電阻(R313)組成一個電橋，所述黑元件(RTb)、第六電阻(R314)、白元件(RTw)和第七電阻(R315)組成另一個電橋。
3.根據權利要求1所述的一種智能甲烷全量程傳感器，其特徵在於:所述電橋工作電源(MlOl)和弱電電路電源(M102)分別採用LDO電源晶片SPX1117和SPX3819，參考電源採用REF3020，所述參考電源接單片機STM32L151C8的ADC引腳，並採用比對的方法來校正其它模擬輸入信號的測量值。
4.根據權利要求1所述的一種智能甲烷全量程傳感器，其特徵在於:所述通信接口電路(M103)由單片機STM32L151C8的I2C引腳、上拉電阻和ESD晶片PRTR5V0U2X組成。
5.根據權利要求1所述的一種智能甲烷全量程傳感器，其特徵在於:所述環境溫度測量電路(M106)採用DS18B20對環境溫度進行測量。
【文檔編號】G01N25/32GK203824951SQ201420209659
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】李向陽, 潘亮平, 黃恩配 申請人:華南理工大學