一種智能甲烷全量程傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)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(jī)電路及環(huán)境溫度測(cè)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，并連接通信接口電路，通信接口電路連接單片機(jī)電路，單片機(jī)電路的單片機(jī)STM32L151C8內(nèi)含EEPROM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)傳感器的工作參數(shù)和設(shè)定的I2C地址，單片機(jī)片上集成有所需的DAC、ADC和I2C外設(shè)；甲烷電橋工作電路和環(huán)境溫度測(cè)量電路分別連接單片機(jī)電路。本智能甲烷全量程傳感器能實(shí)現(xiàn)全量程測(cè)量甲烷濃度，不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及智能傳感器的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種智能甲烷全量程傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]甲烷濃度的測(cè)量對(duì)于煤炭和石化行業(yè)非常重要，目前主要的測(cè)量方式是催化燃燒方法。催化燃燒的檢測(cè)元件由鉬電阻黑元件和鉬電阻白元件串聯(lián)，黑元件表面含催化劑，通過電加熱把檢測(cè)元件加熱到400°C左右的高溫后，若黑元件周圍含有甲烷氣體，則甲烷會(huì)發(fā)生無焰催化燃燒，并放出熱量，該熱量會(huì)使黑元件的電阻值進(jìn)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(cè)量電阻值的變化即可確定氣體濃度。但是，當(dāng)氣體濃度達(dá)至IJ 4%以上時(shí)，測(cè)量精度變差，而且容易自燃，燒壞整個(gè)傳感器。催化燃燒方法只適合甲烷濃度在0%?4%范圍內(nèi)測(cè)量。
[0003]為了達(dá)到全量程甲烷濃度測(cè)量，人們把熱傳導(dǎo)式測(cè)量方法與催化燃燒方法相結(jié)合，在催化燃燒基礎(chǔ)上增加熱傳導(dǎo)元件，利用甲烷濃度與熱傳導(dǎo)系數(shù)呈正比的關(guān)系來測(cè)量高濃度(4%?100%)的甲烷氣體。組合傳感器工作時(shí)在催化元件和熱傳導(dǎo)元件之間切換，這樣方法能夠部分解決全量程測(cè)量問題，但是還存在兩種測(cè)量元件在切換時(shí)平穩(wěn)過渡問題，甚至出現(xiàn)雙值問題，同時(shí)由于沒有催化燃燒黑元件的溫度控制機(jī)制，在催化燃燒時(shí)溫度還是偏高，縮短了整個(gè)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(shù)字通信接口。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，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(dǎo)傳感器，分別針對(duì)其熱傳導(dǎo)工作模式和催化燃燒工作模式設(shè)立兩個(gè)溫度工作點(diǎn)，通過改變電橋的工作電壓來穩(wěn)定檢測(cè)元件工作點(diǎn)溫度。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)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(jī)電路以及用于計(jì)算甲烷檢測(cè)元件相對(duì)于環(huán)境溫度溫升的環(huán)境溫度測(cè)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(shí)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，并連接通信接口電路，所述通信接口電路連接單片機(jī)電路，所述單片機(jī)電路的單片機(jī)STM32L151C8內(nèi)含EEPROM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)傳感器的工作參數(shù)和設(shè)定的I2C地址，單片機(jī)片上集成有所需的DAC、ADC和I2C外設(shè)；所述甲烷電橋工作電路和環(huán)境溫度測(cè)量電路分別連接單片機(jī)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(chǎng)效應(yīng)管、放大器、NPN三極管、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(chǎng)效應(yīng)管的柵極接單片機(jī)STM32L151C8的I/O開關(guān)信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)有第一電阻；所述放大器、NPN三極管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(jī)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(gè)電橋，所述黑元件、第六電阻、白元件和第七電阻組成另一個(gè)電橋。
[0007]所述電橋工作電源和弱電電路電源分別采用LDO電源芯片SPX1117和SPX3819，參考電源采用REF3020，所述參考電源接單片機(jī)STM32L151C8的ADC引腳，并采用比對(duì)的方法來校正其它模擬輸入信號(hào)的測(cè)量值。
[0008]所述通信接口電路由單片機(jī)STM32L151C8的I2C引腳、上拉電阻和ESD芯片PRTR5V0U2X 組成。
[0009]所述環(huán)境溫度測(cè)量電路采用DS18B20對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量。
[0010]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0011]1、與傳統(tǒng)的模擬傳感器相比，本智能甲烷全量程傳感器不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)全量程測(cè)量甲烷濃度時(shí)，保證了熱傳導(dǎo)工作模式和催化工作模式的工作溫度穩(wěn)定，工作模式之間轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，延長了傳感器使用壽命，避免了自然現(xiàn)象和可能的危險(xiǎn)事故發(fā)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(jié)構(gòu)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(tài)機(jī)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0018]如圖1所示，本實(shí)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(jī)電路M105以及用于計(jì)算甲烷檢測(cè)元件相對(duì)于環(huán)境溫度溫升的環(huán)境溫度測(cè)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(shè)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(shí)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，并連接通信接口電路M103，所述通信接口電路M103連接單片機(jī)電路M105，所述單片機(jī)電路M105的單片機(jī)STM32L151C8內(nèi)含EEPROM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)傳感器的工作參數(shù)和設(shè)定的I2C地址，單片機(jī)片上集成有所需的DAC、ADC和I2C外設(shè)；所述電橋工作電源MlOl和弱電電路電源M102分別采用LDO電源芯片SPX1117和SPX3819，參考電源采用REF3020，由于所采用的單片機(jī)STM32L151C8不帶參考電源引腳，因此參考電源接單片機(jī)STM32L151C8的ADC引腳，并采用比對(duì)的方法來校正其它模擬輸入信號(hào)的測(cè)量值；所述通信接口電路M103由單片機(jī)STM32L151C8的I2C引腳、上拉電阻和ESD芯片PRTR5V0U2X組成；所述甲烷電橋工作電路M104和環(huán)境溫度測(cè)量電路M106分別連接單片機(jī)電路M105 ;所述環(huán)境溫度測(cè)量電路M106采用DS18B20對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量。
[0019]如圖2所示，本實(shí)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(chǎng)效應(yīng)管Q301、放大器U301A、NPN三極管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(chǎng)效應(yīng)管Q301的柵極接單片機(jī)STM32L151C8的I/O開關(guān)信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管Q301并聯(lián)有第一電阻R301 ;所述放大器U301A、NPN三極管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(jī)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(gè)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(gè)電橋。MeasureSwitch為單片機(jī)STM32L151C8輸出的I/O開關(guān)信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)ADC需要測(cè)量電橋輸出電壓時(shí)，設(shè)置MeasureSwitch為低電平,控制場(chǎng)效應(yīng)管Q301導(dǎo)通,單片機(jī)通過ADC測(cè)量V2~V4的值。電橋輸出電壓測(cè)量完后，設(shè)置MeasureSwitch為高電平，關(guān)掉場(chǎng)效應(yīng)管Q301，由NPN三極管Q302向檢測(cè)元件黑元件RTb和白元件RTw供電。HeatVoltage接單片機(jī)的DAC輸出，用于控制檢測(cè)元件的工作電壓，從而控制檢測(cè)元件的工作溫度。第三電阻R311為25歐姆，其余的第四電阻R312、第五電阻R313、第六電阻R314和第七電阻R315為2000歐姆。由于V。和V1可能超出ADC的最佳測(cè)量范圍，因此通過V2~V4的測(cè)量來計(jì)算出Vc^PV115由電橋電路和相應(yīng)的電阻參數(shù)，通過下式⑴可以計(jì)算出黑元件RTb和白元件RTw的阻值，再根 據(jù)熱傳導(dǎo)或催化燃燒的測(cè)量甲烷濃度原理，即可得到甲烷的濃度。
【權(quán)利要求】
1.一種智能甲烷全量程傳感器，其特征在于: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(jī)電路(M105)以及用于計(jì)算甲烷檢測(cè)元件相對(duì)于環(huán)境溫度溫升的環(huán)境溫度測(cè)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(shí)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，并連接通信接口電路(M103)，所述通信接口電路(M103)連接單片機(jī)電路(M105)，所述單片機(jī)電路(M105)的單片機(jī)STM32L151C8內(nèi)含EEPROM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)傳感器的工作參數(shù)和設(shè)定的I2C地址，單片機(jī)片上集成有所需的DAC、ADC和I2C外設(shè)；所述甲烷電橋工作電路(M104)和環(huán)境溫度測(cè)量電路(M106)分別連接單片機(jī)電路(M105)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能甲烷全量程傳感器，其特征在于: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(chǎng)效應(yīng)管(Q301)、放大器(U301A)、NPN三極管(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(chǎng)效應(yīng)管(Q301)的柵極接單片機(jī)STM32L151C8的I/O開關(guān)信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管(Q301)并聯(lián)有第一電阻(R301);所述放大器(U301A)、NPN三極管(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(jī)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(gè)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(gè)電橋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能甲烷全量程傳感器，其特征在于:所述電橋工作電源(MlOl)和弱電電路電源(M102)分別采用LDO電源芯片SPX1117和SPX3819，參考電源采用REF3020，所述參考電源接單片機(jī)STM32L151C8的ADC引腳，并采用比對(duì)的方法來校正其它模擬輸入信號(hào)的測(cè)量值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能甲烷全量程傳感器，其特征在于:所述通信接口電路(M103)由單片機(jī)STM32L151C8的I2C引腳、上拉電阻和ESD芯片PRTR5V0U2X組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能甲烷全量程傳感器，其特征在于:所述環(huán)境溫度測(cè)量電路(M106)采用DS18B20對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量。
【文檔編號(hào)】G01N25/32GK203824951SQ201420209659
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】李向陽, 潘亮平, 黃恩配 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)