甲烷傳感器的製作方法

2023-10-18 19:14:04

專利名稱：甲烷傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於煤礦井下掘進工作面和迴風巷道等場所檢測、顯示甲烷濃度，在甲烷濃度超限時實現聲、光報警，並能輸出甲烷濃度方波信號的甲烷傳感器。
能實現上述功能，並具有代表性的甲烷傳感器是FDZB-ZC型甲烷傳感器，這種甲烷傳感器採用兩粒鉑合金製成的熱催化元件來檢測甲烷濃度，其中一粒的表面塗有催化劑，為檢測元件;另一粒的表面塗惰性物質，為溫度補償元件;將經過嚴格挑選搭配的這一對元件接入如

圖1所示檢測電橋的兩個臂上，通以適當的工作電流，在甲烷濃度為零時，將電橋調至平衡狀態，當甲烷與塗有催化劑的檢測元件接觸時，甲烷借元件表面溫度而無焰燃燒，使元件溫度升高，阻值增加，電橋失去平衡，測量電橋輸出端的電位差，即測量了甲烷濃度。這種檢測元件只能檢測低濃度的甲烷，當甲烷濃度≥3.5%時，必須對檢測電橋實施斷電保護，因此，這種甲烷傳感器的檢測範圍小。此外，這種甲烷傳感器在電路設計上雖然已經採用了高度集成化的技術，但畢竟未達到智能化的程度，因此，檢測響應速度慢，一般為20～30秒，這一點對於高瓦斯礦井來說，就有可能在傳感器未反應過來時，即已發生爆炸事故。再者，這種甲烷傳感器不具備斷電控制量輸出功能，對遠程斷電器不能實施自動控制，因此，雖已發出甲烷濃度超限聲、光報警，但仍不能有效地及時切斷引爆源。
本發明的目的是提供一種響應速度快，測量範圍廣，既能保持甲烷濃度檢測顯示，甲烷濃度聲、光報警和甲烷濃度信號輸出功能，又具備斷電控制量輸出功能的甲烷傳感器。
本發明的技術解決方案是設置高濃度甲烷檢測電橋、單片微機系統和斷電控制量輸出電路，其中高濃度甲烷檢測電橋中由鉑合金製作的分別裝在密封氣室和通風氣室中的溫度補償元件和檢測元件接在檢測電橋的兩個臂上，且高濃度甲烷檢測電橋同低濃度甲烷檢測電橋由高低濃度轉換繼電器控制實現工作轉換;單片微機系統由前置放大電路、A/D轉換器和單片微機組成，並設置在上述檢測電橋同功能電路之間，所述的斷電控制量輸出電路是一個受單片微機控制的三極體電路。
下面結合附圖和實施例來進一步闡明本發明的詳細內容圖1甲烷濃度檢測電橋工作原理圖;
圖2本發明實施例的整機方框圖;
圖3本發明實施例電路原理圖。
如圖3所示本發明由甲烷濃度檢測電橋、單片微機系統和功能電路組成，其中功能電路是下列功能電路的一種或多種組合甲烷濃度超限聲報警電路，甲烷濃度超限光報警電路，甲烷濃度數字顯示電路，甲烷濃度方波信號輸出電路和斷電控制量輸出電路。
甲烷濃度檢測電橋包括高濃度甲烷檢測電橋和低濃度甲烷檢測電橋，兩檢測電橋由高低濃度轉換繼電器(RL)控制實現工作轉換，兩檢測電橋的檢測元件和溫度補償元件分別接在兩檢測電橋的兩個臂上，且均用鉑合金製成，其中低濃檢測元件(CT1)的表面塗有催化劑，低濃溫度補償元件(CT2)的表面塗有惰性物質，且低濃檢測元件(CT1)、低濃溫度補償元件(CT2)和高濃檢測元件(HC2)分別裝在三個通風氣室內，而高濃溫度補償元件(HC1)則裝在密封氣室內。
單片微機系統設置在檢測電橋同功能電路之間，由前置放大電路、A/D轉換器和單片微機組成。
前置放大電路是將檢測電橋輸出的電壓信號進行放大，並輸出模擬電壓信號。A/D轉換器是將前置放大電路輸出的模擬電壓信號轉換成適宜於單片微機處理的數位訊號。本實施例採用ICL7650高精度漸波自穩零運算放大器作前置放大電路，採用ADC0804轉換器作A/D轉換器。
單片微機是本發明所指的甲烷傳感器的主控部件，本實施例採用80C31作單片機，採用27C648K-EPROM作外部程序存貯器，採用74HC373作8D鎖存器。單片機的第1～第8腳為P1口，第10～第17腳為P3口，第21～第28腳為P2口，第32～第39腳為P0口，P1口通過集成電阻(RP8×22KΩ)同達林頓陣列(MC1413)連接，並通過達林頓陣列(MC1413)來導通或截止下列功能電路數字顯示電路中的數碼管(L1～L4);聲報警電路中的發光二極體(D6～D11);光報警電路中的變壓器(TR)原邊線圈，然後由變壓器(TR)的付邊線圈輸出去驅動蜂鳴片;高低濃度轉換繼電器(RL)中的線圈，通電後使常閉觸點斷開，常開觸點閉合。P3口中的第10、12、14、15、16腳和單片機第9腳同施密特觸發器(CD40106)連接，其中第10腳為斷電信號控制線，通過施密特觸發器(CD40106)導通或截止斷電控制量輸出電路，該電路由三極體(T1)和限流電阻(R1、R2)組成，三極體(T1)的集電極為斷電信號控制輸出端(RL-C)，與遠程斷電器連接，以實現斷電控制功能。第16腳(WR)是數字顯示電路中的8D鎖存器(74HC373)的通斷信號控制線，通過施密特觸發器導通或截止數字顯示電路中8D鎖存器，當第16腳(WR)變為低電平，經施密特觸發器反向變為高電平並加到8D鎖存器的第11腳(LE)時，才能將從P0口輸來的8位數位訊號打入8D鎖存器，並經集成電阻(RP8×510Ω)加到數碼管(L1～L4)的數據線上。P3口中第11腳是甲烷濃度信號輸出線，單片機通過第11腳導通或截止甲烷濃度方波信號輸出電路，該電路由三極體(T2)和限流電阻(R3、R4)組成，三極體(T2)的集電極為方波信號輸出端(FOUT)。第13腳同A/D轉換器的第5腳(INTR)和第3腳(WR)相連，第17腳(RD)同A/D轉換器的第2腳(RD)相連，A/D轉換器的第2腳為讀信號控制線，當A/D轉換完成後，第5腳輸出一個低電平脈衝信號，此信號輸入到第3腳使A/D轉換器啟動下一次轉換，同時輸入到單片機的第13腳，向單片機發出中斷請求，單片機在必要時響應中斷，讀取A/D轉換器輸出的數據。P2口用作高8位地址總線，與外部程序存貯器的高8位地址線相連;第29腳為外部程序存貯器選通線，與外部程序存貯器的第22腳(OE)連接。第30腳為地址鎖存信號線(ALE)，與8D鎖存器的第11腳及外部程序存貯器的第20腳(CE)連接，當該腳為高電平時，將低8位地址信號打入8D鎖存器，當該腳為低電平時，8D鎖存器保持鎖存狀態，而外部程序存貯器被選通，將指令信號傳遞給單片機。第31腳接地，使單片機能利用外部程序存貯器。P0口用作數據及低8位地址總線。集成電阻(RP8×22KΩ)與P0口相連，用作該口的下位電阻，使單片機在復位時P0口不會處於懸空狀態。
本實施例還配備由+5V三端固定穩壓器(MC7805)、+6V三端固定穩壓器(MC7806)和-5V電壓發生器(CD7660)組成的電源電路，其中+5V(Vcc)穩壓電源主要供檢測電橋、單片機等電路使用，+6V(VDD)穩壓電源主要供顯示及聲、光報警等電路使用，-5V電壓供ICL7650放大器使用。
本發明採用的高濃度甲烷檢測電橋是利用檢測元件的「熱導原理」來實現的，當甲烷分子同檢測元件的表面碰撞時，檢測元件的溫度下降，因此，這種檢測電橋能用於高濃度甲烷檢測，從而使甲烷傳感器的檢測範圍擴大，達到能檢測0～40%CH4的濃度範圍，此外，本發明利用微電腦預測、控制使響應速度大大加快，又增加了斷電控制量輸出功能，因此，這種甲烷傳感器具有智能化的特性，使用它能提高煤礦生產的安全性。
權利要求
1.一種甲烷傳感器，具有低濃度甲烷檢測電橋和下列功能電路中的一種或多種組合甲烷濃度數字顯示電路，甲烷濃度超限聲報警電路，甲烷濃度超限光報警電路和甲烷濃度方波信號輸出電路，本發明的特徵是還具有高濃度甲烷檢測電橋、單片微機系統和斷電控制量輸出電路，其中高濃度甲烷檢測電橋中由鉑合金製作的分別裝在密封氣室和通風氣室中的溫度補償元件(HC1)和檢測元件(HC2)接在檢測電橋的兩個臂上，且高濃度甲烷檢測電橋同低濃度甲烷檢測電橋由高低濃度轉換繼電器(RL)控制實現工作轉換，單片微機系統由前置放大電路、A/D轉換器和單片微機組成，並設置在上述檢測電橋同功能電路之間，斷電控制量輸出電路是一個受單片微機控制的三極體(T1)電路。
2.根據權利要求1所述的甲烷傳感器，其特徵是採用ICL7650高精度漸波自穩零運算放大器作前置放大電路，ADC0804轉換器作A/D轉換器，80C31作單片機，27C64，8K-E PROM作外部程序存貯器，74HC373作8D鎖存器。
3.根據權利要求2所述的甲烷傳感器，其特徵是單片機(80C31)的P1口通過集成電阻(RP8X22KΩ)同達林頓陣列(MC1413)連接，並通過達林頓陣列(MC1413)來導通或截止下列功能電路數字顯示電路，聲報警電路，光報警電路和高低濃度轉換繼電器(RL)，P3口的第10和16腳分別通過施密特觸發器(CD40106)導通或截止斷電控制量輸出電路和數字顯示電路中的8D鎖存器(74HC373)，通過P3口中的第11腳導通或截止甲烷濃度方波信號輸出電路。
全文摘要
本發明所述的甲烷傳感器，具有可以根據甲烷濃度高低分別投入檢測的高、低濃度甲烷檢測電橋、單片微機系統和若干涉及顯示、報警和信號輸出的功能電路，因為這種甲烷傳感器能對甲烷濃度進行連續的檢測，測量範圍廣，單片微機系統又賦於傳感器智能化的功能，使檢測響應速度大大加快，此外，還能輸出斷電控制量信號，可在甲烷濃度達到斷電點時迅速切斷引爆的電源，因此，使用這種甲烷傳感器能提高煤礦生產的安全性。
文檔編號G08B17/10GK1073768SQ9111198
公開日1993年6月30日 申請日期1991年12月24日 優先權日1991年12月24日
發明者謝志傑, 全顯礦, 王曉紅, 林慶登, 謝衛國 申請人:永嘉縣防爆機電廠