氣體探測儀的製作方法

2023-08-09 03:01:36 1

專利名稱：氣體探測儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種指示周邊氣體濃度的測試裝置，尤其是能識別安全氣體濃度和危險氣體濃度，提供三級預警顯示的探測儀。
背景技術：
目前，一般所用的探測儀是由測試觸頭(或傳感器)，單片機，A/D轉換器，顯示電路或警報器，更簡單一點的，連顯示部分也沒有，輸出電壓達到臨界水平，便觸動警報器。這些常用探測儀的關鍵問題是傳感器不能達到線性輸出，也即，輸出的模擬電壓和輸入的氣體濃度之間不存在嚴格的線性關係；單片機振蕩器的選擇不嚴格，振蕩電路的配置不完善，從而所產生的機器周期的佔空比不能精確控制繼電器的開關，出了問題又不能在線編程，隨時擦改程序；繼電器的選擇不當，其開關的時間滯後，這些問題造成目前一般的探測儀器不能真正鑑別安全的氣體濃度和危險的氣體濃度，給精確報警造成困難，容易造成錯誤判斷。

發明內容
為了克服現有的一般探測儀不能區分危險的氣體濃度和安全的氣體濃度的不足，解決一般探測儀有警不報，報而非警的粗糙設計和質量問題，本實用新型提供一種探測儀，該探測儀不僅能區分危險的氣體濃度和安全的氣體濃度，而且能精確顯示，三級預警，即時啟動警報裝置。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是1)無論是氧氣，有毒氣體還是易燃氣體，都要保證特定氣體傳感器的輸出線性模擬電壓，也就是說，要保證輸出訊號對應氣體濃度以及對應環境溫度的關係幾乎線性，說明書附圖3給出了氧氣的輸出訊號和輸入氣體濃度之間的線性關係，實際測檢線和理論S曲線幾乎吻合，只有採用這樣的傳感器，才能保證顯示器上顯示精確的氣體濃度，對於微弱的原始被檢測信號，必須經過放大與濾波等預處理，本實用新型採用多級運算放大器配合有源濾波器等模擬電路來實現，以提高系統測量和控制的精度。
2)本實用新型對於時鐘電路，採用了鎖相環技術，這樣，本系統時鐘不僅可以由外部晶振的分頻得到，還可以由內部鎖相環頻率合成器PLL提供，根據時鐘監控，可以從±25％的精度一直達到細部±4％的精度。鎖相環電路包括壓控振蕩器/參考分頻器/頻率預定標/VCD頻率分頻器/鑑相器/環路濾波器/鎖定檢測器，它可以在使用外接32KHz晶振的情況下，通過軟體編程得到多種總線時鐘頻率，最高頻率可達8MHz。
在沒有鎖相環電路的微控制器應用系統中，晶振頻率是最高的時鐘頻率，由於電路工作頻率高，通常都有幾兆甚至幾十兆，其振蕩器實際上是一個很大的幹擾源。在系統設計，線路板布局時切須仔細考慮，光採用Protel軟體包自動布線是不行的，必須採用局部手動布線以及有效的濾波電路等各種方法降低晶振電路對外界的幹擾。
而採用鎖相環頻率發生器作為微控制器時鐘源後，由於可採用32KHz的低頻晶振，比起通常使用的數兆赫茲以上外接高頻晶振來說，大大降低了微控制器系統晶振電路的電磁幹擾，提高了應用系統的可靠性，此即本探測儀的極大優越，同時由於鎖相環頻率合成器的輸出頻率可用軟體設定修改，為用戶具體需要提供了更大靈活性。
鎖相環外部電路設計還須注意幾個問題a、PLL外部濾波電容器引腳CGMXFC，該腳連接一個外接濾波網絡，為晶片內部的鎖相環電路提供誤差電平。
b、PLL電路電源引腳VDDA，該引腳應該和VDD引腳連接到同一電源，並連接1μf和.01μf的濾波電容，同時儘量靠近晶片。
c、PLL電路電源地引腳VssA，該引腳連接到系統地線，引線須寬而短。
d、時鐘電路的外接器件都用地線相圍，晶體採用臥式安裝，濾波網絡儘量靠近微控制器，用最短連線連接。
3)微控制器在運行過程中會受到各種外部幹擾，在幹擾嚴重的環境下甚至無法穩定工作，其主要原因之一是程序指針PC寄存器內容出錯。PC一旦指向操作數地址，CPU則將該操作數當作操作碼，出現系統操作錯誤，特別是當這個操作數恰好與轉移指令的操作碼相同時，PC指針將發生錯誤轉移，最終導致微控制器陷入「死循環」，只能通過人工復位才可恢復正常。
為了解決這種系統操作錯誤而導致的後果，本設計除內置看門狗之外，加上一個獨立運行的計數器(DS1232)，讓它發揮實時監視系統的作用，該計數器產生溢出時就會使系統復位，以提高系統的運行可靠性，我們稱此計數器為COP，這時COP的作用在於儘早停止微控制器在混亂狀態下運行，但對於控制應用或需要累計歷史數據的場合，本設計設置COP自己的程序入口，濃度儘可能恢復復位前的運行現場，減少軟體故障造成的損失，本實用新型的軟體經過特別的設計，在正常狀態下時刻為恢復準備條件，COP復位後，通過EEPROM對其進行計數，軟體的相應設計可使用戶通過鍵盤和顯示器查看計數結果，了解系統運行的歷史狀況，為系統的維護和改進提供依據，在本系統具備實時時鐘的條件下，在計數密度超過一定限度時發出錯碼和警告信息，提醒操作者注意。
4)一般探測儀大多使用不帶緩衝的輸出比較功能，這種輸出比較的缺陷是，當需要更改下次輸出比較信號時，新的預置值必須事先寫入通道寄存器，這一操作自然要佔用一定時間，結果兩次輸出比較之間的最小時間間隔就會因為重新寫入操作而受到限制，可見，不帶緩衝的輸出比較僅適用於對時間變化不是太快的場合，而且脈衝的佔空比也不可能太小，本設計增加了一級緩衝就可克服這一缺陷。
為了得到滿意的D/A變換本電路除增加一級緩衝之外，還使用了脈寬調製波，這種波是一種可以任意改變脈衝佔空比與相位的波形，通過軟體編程即可達此目的，定時器的每一個通道都可以設置為溢出時自動翻轉電平，輸出比較中使用這一特性就可以產生脈寬調製波。通道寄存器中的預置比較值決定脈寬調製波的佔空比，預製計數值寄存器的值將決定脈寬調製波的周期，當自由運行計數器的計數達到預置值時，該通道的輸出將自動翻轉，可見在一個周期內有比較符合輸出與預置值溢出輸出兩次電平翻轉，從而形成一個完整的PWM波形周期。
使用帶緩衝的脈寬調製波技術方案是將一個定時器的兩個通道聯合起來交替控制通道口的脈寬調製輸出，此時其輸出的PWM波形將出現在TCH 0引腳上，而TCH 1引腳則仍然可以作為一般I/O引腳使用。
由於通道寄存器中的預置數據能控制脈衝寬度，而將不同佔空比的脈衝信號通過濾波平滑後可轉換成相應的直流電平，這就達到了數字到模擬電壓輸出的轉換目的。
5)本實用新型的微控制器採用MC68HC908GT8晶片，該MCU集成了8Kbyte的FLASH存儲器，這種存儲器是一種新型的電可擦寫不揮發存儲器，通過開發工具就能方便地實現在線編程，程序與數據共享FLASH，一般無須再外接存儲器。由於這種存儲器在晶片內部集成了電荷泵，因而晶片只需要單一+5V/3V工作電壓就可經電荷泵升壓成編程電壓，而且這種存儲器存儲的數據可以保持10年以上，可擦寫次數在10萬次以上，整體擦除時間可以控制在5ms以內，單字節的編程時間在40μs以內。
6)本設計的一個重要技術方案是採用斷點模塊，通過斷點功能，可讓被調試的程序分段運行。程序執行到斷點處即產生斷點中斷，在斷點中斷服務中即可檢查寄存器與有關存儲器的前段程序執行結果，判斷程序的錯誤，及時修改指令，在斷點中斷中要關閉COP計數器功能，以防止可能引起的意外復位。
7)還需要提到的一個技術方案是消除抖動幹擾，這裡採用矩陣鍵盤作為輸入，當壓下一個按鍵或釋放一個按鍵時，按鍵接通或斷開的瞬間過程中均有一個不穩定的抖動期，抖動期間讀入的狀態是不確定的，抖動時間的長短與按鍵開關的機械特性有關，一般為5ms-10ms，為了消抖，本實用新型內置了施密特遲滯特性電路作為消抖緩衝器，提供一個約20ms的延遲。
本實用新型的有益效果是，可以準確顯示被測氣體濃度，在被測氣體達到危險的臨界濃度時，分成三級，逐次可靠報警，由於採用了一系列最新的有效技術，致使本儀器穩定可靠，名符其實地發揮了氣體探測儀的功效。
以下結合附圖對本實用新型進一步說明

圖1是本實用新型的電路原理圖；圖2是氧氣傳感器氣體濃度對應輸出信號的實驗和理論曲線的比較圖；圖3是氧氣傳感器的環境溫度對應輸出信號的曲線圖；圖4是MC68HC908GT8 MCU功能結構框圖；圖5是MC68HC908GT8所用封裝和42引腳示意圖。
其中圖1中的1為穩壓電源，2為傳感器，3為微控制器MCU(MC68HC908GT8)，4為看門狗計數器，5為模擬輸出，6為RS-485高速通道，7為LED顯示器，8為LED光色管，9為繼電器，10為矩陣鍵盤。
具體實施方式
在圖1中，被測氣體的參數經過傳感器變成模擬信號，再經MCU(3)的時序控制和A/D轉換後得到一系列數碼，這些數碼值並不等於原來帶有量綱的參數值，僅僅對應於參數的大小，故必須經過標度變換把它轉換成帶有量綱的數值才能顯示，經過D/A轉換後才能驅動蜂鳴器報警。
具體的實施例分成三部分1、裝配和連接首先確定一個固定探測儀的位置，該位置要選在大氣能夠籠罩的地方或接近有毒氣體源頭的地方，探測儀應該被牢固地裝在這個位置，探測儀的傳感器必須指向下方，裝傳感器的小匣用螺栓固定在探測儀的固有凸緣上，對於直流儀器，宜用屏蔽電纜防止電氣幹擾，將屏蔽線接到穩壓電源(1)的接地端。
鍵盤輸入在4×4的矩陣鍵盤中(10)，其中的4根I/O線用作輸入，其餘4根I/O線用作輸出，並且用作輸入的4根I/O線應該配置內部上拉電阻，使之平常保持在高電平狀態，4根輸出I/O線則都輸出低電率，當某一按鍵按下時，按鍵連通相應的I/O輸出線和輸入線，此時會在相應的輸入線上出現下降沿和低電平，若輸入I/O允許鍵盤中斷，則會產生鍵盤中斷，在鍵盤中斷服務程序中便可通過軟體掃描獲取相應的按鍵值以及進行鍵盤編碼工作。
模擬輸出(4)相對於公共端來說，可提供4-20mA的輸出信號，這相應於探測儀的滿程輸出。
RS-485(5)包括兩種連接數值A端和B端連接線為絞接的屏蔽線，僅用於傳輸信息距離超過15m，而且需要構成一點對多點的通信網絡，但接線總長不應超過1220m。
傳感器(2)附有一根電纜連到探測儀的終端塊上，傳感器也可用延伸線接在探測儀外部，所用的電纜線須有正確的接地屏蔽，有毒氣體/氧氣類別的傳感器應被置於和探測儀相同的溫度環境中。
繼電器(9)本實用新型使用4個繼電器，分別對應低、中、高和錯，每個繼電器可有三個終端塊位置，分別對應開啟，公共端和閉合，繼電器的連接應被置於非能量態，繼電器所連接的負載在30VDC或230VAC下不得超過8安培，正常操作時，錯碼繼電器總是處於能量化態(相對於警示器為非能量態)。
2、顯示和警告完成接線後，可將探測儀接在電源上，在電源驅動下，四個三色LED發光管對應於0到7有三種顏色變化，從紅色到琥珀色到綠色。這時，LED顯示管將顯示探測儀的鑑別號碼，在完成初始的起動程序後，所有四個三色LED將顯示穩定的綠色，而LED的顯示將指出氣體濃度值。
電源連接後1分鐘內，繼電器無動作，具體來說，連接電源後，探測儀的顯示將會上升，傳感器穩定後，又會逐漸回降。這是正常的，在這段時間內，繼電器無動作以便消除不必要的警示器工作，在一分鐘內，模擬輸出將保持在4mA而不管顯示值是多少。
1)顯示一分鐘暖身後，探測儀可開始工作，LED顯示持續指出當時的氣體濃度值，如果被連到在RS-485網絡的顯示設備上，則探測儀在接到指令後會報告其狀態和程序信息，探測儀變產生4-20mA的信號，這是支持顯示讀出的連續信號。
探測儀在探測有毒氣體時，氣體濃度一般以PPM(Parts Per Million)來顯示；而在探測氧氣時，其顯示是以氧氣在大氣中的百分比來讀出濃度值，在大氣中，通常氧氣的濃度值佔20.9％，如氧氣濃度低於此值，由於缺氧就會很危險，如高於此值，就會有爆炸的危險。
2)警告本實用新型最重要的功能是氣體濃度逼近危險值時，發出警告，對於氣體濃度設置三級警告，分別以低、中、高來顯示，可以使用為本儀器編制的C程序來分別予以調節。
所有的警告都在氣體濃度上升時發出，唯有低氧的警告在濃度下降時發出，當氣體濃度超過低點所設置的水平(或者氧氣濃度低於低點水平)時，和低點對應的繼電器工作，從而和低點對應的LED變成紅色；當氣體濃度超過中點設置水平時，和中點對應的繼電器工作，中點LED變成紅色；當氣體濃度超過高點設置水平時，和高點對應的繼電器工作，高點LED變成紅色。
如果產生錯誤的狀態和錯碼對應的繼電器工作，錯碼LED變成紅色，探測儀對應於該時的氣體濃度含有錯碼顯示，在所有的警告狀態下，模擬輸出電流將會降到0mA。
3、傳感器調試和設定調試日期通常使用要被探測的有代表性的氣體作為樣品來調試探測儀。
調試包括把探測儀傳感器暴露在氣體樣品中，然後調節電子電路產生輸出其大小等於要調試的氣體濃度值，此調節由本實用新型的電子電路來完成，不再需要任何特定的工具。
為求最大精確度，調試氣體的濃度值將選取一個在探測範圍內的百分比，所準備的氣體混合物需置於有壓力刻度的容器裡，並使用調試儀和調試器具。
調試頻率取決於調試儀器所使用的時間間隔和調試環境，要指出間隔多久探測儀需要調試，須根據調節氣體的總量，這個總量即為探測氣體的樣品量，如果探測儀須被持續地調節一份有意義的樣品量，即調試的間隔應大大縮短。
本實用新型可用手動開關或編存在FLASH裡的C程序來調試，下列步驟說明了如何用手動開關來調試探測儀1)如探測儀已接上電源，則須給予傳感器至少五分鐘穩定期，記下儀器的序號和調試時間。
2)連接一個可調節的閥門到裝納調試氣體的容器，該容器須滿足調試探測儀的氣體探測量，在調試表格上記下實際的氣體濃度量，注意已被編程於本探測儀E2pROM裡的探測氣體量必需和所用的調試氣體同量。
3)使用活動的試管，連在容量的閥門上，通過1個0-2SCFH(0-1LPM)流量表到調試接收器上(流量應設定在1LPM上)。
4)按下手動開關3次，探測儀將交替顯示CALGAS××(××＝已編程入探測儀存儲器中的調試氣體值)×××(×××＝已編程入探測儀存儲器中的氣體單位)例如CAL GAS 50 LEL在調試模式，所有四個三色LED指示燈將閃現綠色，模擬輸出將下降到1.5mA，繼電器保持在非激活態。
注意如顯示的調試氣體值，在這個步驟中不等同於所使用的調試氣體值，則需改變氣體量重來。
5)探測儀將顯示A CAL和開始工作，顯示傳感器輸出的模擬信號電壓。
6)探測儀將顯示ZERO，和當時的氣體濃度值交替出現，當傳感器在已知零氣壓的環境中，按下手動開關兩次以鎖住零氣壓值，如環境的氣壓未知，可算作零氣壓，一旦零值被鎖定，探測儀將顯示ZERO一秒鐘。
7)探測儀然後將顯示SPAN，和當時的氣體濃度值交替出現。
8)打開調試氣體的閥門，調節流量表到1LPM。
9)附一調試試管到傳感器盒子表面的接收管上，為了減少時間和需要的氣體量，可在傳感器盒子表面的通風口上蓋一膠布，一旦調試完畢，即移去膠布。
10)傳感器的顯示器將指出調試氣體的濃度值，此氣體將引起傳感器的感應，至少等待一分鐘讓顯示值穩定。
11)按下手動開關兩次以鎖住擴展的氣體值。
12)探測儀然後將顯示SPAN，穩定持續約一秒，移去調試接收器，且關掉氣體閥門。
13)探測儀然後顯示YEAR和最後調試的年代交替出現，此年代則被打入探測儀的存儲器。
14)如果所顯示的年代不是當前的年代，按下並按住手動開關，顯示的年代將開始上升(如03、04、05……)，在當前年代顯示後，鬆開手動開關，如果當前年代「遺失」，則繼續按住手動開關，當顯示達到99，以後會跳到0，然後逐步遞升。在當前年代顯示後，按下手動開關兩次以鎖住此數值。
15)探測儀然後顯示mnTH，和剛被打入存儲體的最後調試的月份交替出現，如果所顯示的月份並非當前月份，按下並按住手動開關，則顯示的月份開始逐月遞升。在當前月份顯示後，鬆開手動開關，如果當前月份「遺失」，則繼續按住手動開關，在顯示達到12，它將跳到0，然後開始再次逐步遞升，在當前月份顯示後，按下手動開關兩次以鎖住此值。
16)探測儀然後顯示DAY，和剛打入探測儀存儲器的最後調試日期(1-31)交替出現，如果顯示的日期不是當前的日期，按下並按住手動開關，顯示的日期將逐次遞升，在當前日期顯示後，鬆開手動開關，如果當前日子「遺失」，則繼續按住手動開關，當顯示達到31，它將會跳到0，然後開始逐次遞升，在當前日子顯示後，按下手動開關兩次以鎖住此值，探測儀然後顯示DONE。
17)按下手動開關兩次以結束調試，探測儀然後顯示DONE，穩定持續一秒鐘，然後LED開始閃光五分鐘。大這段時間內，探測儀保持在非激活態，一旦五分鐘過去，四個三色LED發光管趨向穩定綠色，顯示指出當前氣體濃度值，探測儀回復到基本的顯示狀態。
須指出，在調試過程的每一步，如果探測儀保持不接觸超過五分鐘，它將自動回復到正常的工作狀態。
權利要求1.一種氣體探測儀，用傳感器探測待試氣體濃度其特徵是整個探測儀置於21×16×10立方釐米的NEMA12粉塗鋼盒內，鋼盒頂蓋可開啟，鋼盒上端連一打孔接柱，可供懸桂，下端用4個螺栓連一12×6.5×4.8立方釐米的傳感器金屬匣，本探測儀主要由五部分組成整流電源部份，進氣變換部分，控制處理部份輸出顯示部分，置數調試部分，(a)電源變壓器用螺栓固定在主機板上，而主機板則用4個螺栓固定在銅盒底部的4個立柱上，用串接，並接和跨接的不同導線焊接來實現外部電源為220V，110V或24V的不同情況(b)待測氣體通過偉感器金屬匣的氣孔瀰漫入傳感器內，這裡使用CITICeL傳感器，為一薄膜覆蓋的立式筒形容器，不同氣體傳感器的尺寸也不同，氧氣傳感器40×(2)的高度為16.6毫米，底部直徑為20.4毫米，流量為每分鐘400mls，底部3個腿高4.3毫米，分別為正，負輸出和固定，輸出極須用金屬粉劑粘接在感應器板插孔內，傳感器輸出訊號由電纜穿過鋼盒下端孔洞連到主板的接線柱，(c)控制部分使用Motorola公司生產的MC68HC908GT16單片機，其中央處理器為CPU08，採用42腳雙排直插的封裝焊在主機板上，輸出時序脈衝通過中繼電路控制在主機板最下端的Omron公司生產的微型繼電器(d)焊於主機板中問間的顯示器和光電管通過鋼盒頂蓋的槽孔對外顯示輸出電壓和相應顏色，(e)焊於顯示器，光電管下方的16位鍵盤輸入，則用於時間，日期、身份設定及調試。
2.根據權利要求1所述的探測儀，其特徵是傳感器附有一根電纜連到探測儀的終端塊上，傳感器也可用延伸線接在探測儀外部，所用的電纜線須有正確的接地屏蔽，有毒氣體/氧氣-類別的傳感器應被置於和探測儀相同的溫度環境中。
3.根據權利要求1所述的探測儀，其特徵是使用LED顯示氣體濃度，錯碼和一系列操作短訊，LED顯示器下方是四個三色LED電珠，分別對應於低、中、高和錯，每個這樣的電珠能發出綠色、琥珀色和紅色來顯示探測儀的操作狀態。
4.根據權利要求1所述的探測儀，其特徵是四個繼電器分別對應低、中、高和錯位，每個繼電器可有三個終端塊位置，分別是開啟，公共端和閉合，繼電器的連接應被置於非能量狀態，繼電器所連接的負載在30VDC或230VAC下不得超過8安培。
5.根據權利要求1所述的探測儀，其特徵是R5-485數據高連通路包括兩種連接，數據A端和B端連接線應為絞接的屏蔽線。
專利摘要本氣體探測儀是一種能夠識彆氣體安全濃度和危險濃度的探測儀器，置於21×16×10立方釐米的塗塑鋼盒內。本儀器的關鍵是保證氣體濃度和輸出訊號的線性關係，為此，將高精度傳感器裝在塑盒下頂的金屬屏蔽匣內，用金屬塗料固定後，用電纜連到主機板接柱上，待測氣體從進氣管透入傳感器，經過電化學反應，將氣體濃度的化學量轉化成電訊號的模擬輸出。在微控制單片機的作用下，輸出數字時訊訊號，通過繼電器控制開關，通過光電管顯示數碼和顏色。光電管裝在頂蓋中央，作四位數字顯示，顯示屏下方裝置16位鍵盤輸入，用於調試，本探測儀可用於探測20種以上不同氣體，包括氧氣，有毒氣體和易燃氣體，當氣體濃度超過預定值，儀器即會發出警示。
文檔編號G08B21/12GK2932384SQ200520144958
公開日2007年8月8日 申請日期2005年12月22日 優先權日2005年12月22日
發明者王匡 申請人:王匡