一种网络型煤矿管道气体多参量监测二次仪表的制作方法

本实用新型涉及一种科普器材，具体涉及一种网络型煤矿管道气体多参量监测二次仪表。

背景技术：

传统管道仪表，通常是管道气体单参量检测，功能少，操作繁琐。少部分管道多参量仪表，人机交互差，价格高，不能兼容第三方传感器信号接入，可靠性低，在瓦斯浓度数据检测中，缺少软硬件滤波，易受长线束或外界干扰，出现误检测，导致误报警，产生安全生产事故。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种网络型煤矿管道气体多参量监测二次仪表，可实现煤矿管道监测的网络化、便捷化服务于煤矿安全生产。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种网络型煤矿管道气体多参量监测二次仪表，包括壳体，所述壳体内设置监测系统模块，所述监测系统模块包括微处理器模块及分别与微处理器模块通讯连接的液晶显示屏模块、信号采样模块、CAN总线通信模块及系统供电模块，其特征在于：还包括频率信号自建电路模块，所述频率信号自建电路模块与微处理模块通讯连接，所述信号采样模块与传感器连接，传感器设置在煤矿瓦斯气体抽排放管道上。

进一步的，所述信号采样模块包括差分信号采样模块、模拟信号采样模块及频率信号采样模块。

进一步的，所述传感器包括差分信号传感器、模拟信号传感器及频率信号传感器。

进一步的，所述频率信号自建电路模块包括瓦斯浓度标准频率信号自建电路模块、气体流量标准频率信号自建电路模块、气体温度标准频率信号自建电路模块及气体压力标准频率信号自建电路模块。

进一步的，所述CAN总线通信模块包括外网CAN总线及内网CAN总线，内网CAN总线采用TJA1050收发器，外网CAN总线采用TJA1052T隔离收发器。

进一步的，还包括无线接收模块，所述无线接收模块与微处理器连接。

进一步的，所述系统供电模块采用多路电源隔离稳压供电，分为主电源电路与分电源电路。

进一步的，所述主电源电路外接5.6V至36V的电源经VIN-VCC及VIN-GND输入，串接自恢复保险丝，并接压敏电阻，串接电感并接电容，接入一个共模电感，串接一个二极管SS36，经TPS5430稳压芯片构成稳压电路来稳定输出5V，同时并接一路电源指示灯。

进一步的，分电源电路取主电源5V输出，经两路AMS1117电源稳压模块输出两路DC3.3V，主要给微处理器和液晶屏供电，经两路F0505S电源隔离输出两路DC5V，主要给CAN通信模块和传感器调理电路供电，经一路E0505S电源隔离输出DC±5V，给差分放大电路供电。

由上述技术方案可知，本实用新型的一种煤矿管道气体多参量二次仪表是用于煤矿管道气体流量、温度、压力、瓦斯浓度与抽排量的连续监测、组网与数传。作为二次仪表，不仅提供多种传感器接口电路，兼容多种第三方传感器信号输入，而且能够自建输出标准方波信号，将监测管道气体多参量信息送给后续仪表使用。所设置的两级CAN总线通信协议，内网CAN总线主要用于组建远程分布式管道气体多种参量监测网络，外网CAN总线主要用于与总监控平台或第三方监控终端组网，实现数据上传与信息交互等功能。分别采用罗曼诺夫斯基准则和低通预测评估算法来消除采样数据中的粗大误差干扰，提高数据的平稳性与可靠性，减少因瓦斯浓度误判导致的安全生产事故的发生。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

根据目前煤矿管道气体参量的监测要求，本实施例的一种煤矿管道气体多参量二次仪表如图1总体系统框图所示，设置1路差分信号采集接口、4路模拟电压信号采集接口和4路频率信号采集接口，用于兼容第三方管道气体温度传感器、流量传感器、压力传感器和瓦斯浓度传感器数据。作为二次仪表，能自建4路标准方波信号输出管道气体温度、压力、流量和瓦斯浓度数据，供给后续仪表使用。CAN总线内网用于组建分布式监测网络，CAN总线外网用于数据上传。采用液晶屏实时显示管道气体各参量状态信息，使用无线遥控器设置相关参数，如量程设置、参数标定、组网配置等系统参量。

具体模块如下：

微处理器

STM32F407ZGT6是基于Cortex-M4内核的32位微处理器，硬件资源丰富，性价比高。拥有192kB的SRAM，1MB的FLASH存储空间；17个定时器，频率脉冲捕捉/比较功能丰富，集成3个I2C、4个USB、3个SPI、2个CAN接口(支持CAN2.0B)；拥有138个通用IO口，工作频率可倍频至168MHz，工作电压1.8V至3.3V，工作温度-40度至+85度。ST官方提供整套库函数，开发周期短。

差分信号采样

如图2(A)部分所示，矿用管道气体参量传感器的差分信号首先由共模电感滤波，抑制共模干扰，经集成运放OPA2188放大后接一级跟随输出，提高模拟信号负载能力，由16位AD芯片ADS1110转换为数字信号，提高采样精度，通过I2C隔离芯片ADUM1251进行数字隔离后，经微处理的IIC接口进行采集，消除信号线过长带来的误差与干扰，同时保护微处理器。

频率信号采样

如图2(B)部分所示，矿用管道气体参量传感器频率信号通常为标准200-1000Hz方波信号，在实际应用中传感器线束可能会很长，信号会有一定的衰减，通过一个由NPN型三极管构成的整形电路，提高信号频率质量。采用测周法采集方波信号频率，通过设置STM32F407ZGT6的捕捉功能模块对频率信号的上升沿进行捕捉，相邻两次的捕捉差值的倒数为信号的频率值。此方法采集处理速度快，精度高。

模拟信号采样

如图2(C)部分所示，矿用管道气体参量传感器模拟信号由电感电容滤波后，经一级电压跟随器输出，经模拟电子开关CD4051进行顺序切换通道，依次循环送给16位AD芯片ADS1110转换为数字信号，由隔离芯片ADUM1251进行数字隔离后接入微处理的IIC接口进行采集。本电路只需一路AD数字隔离成本，完成四路模拟信号的数字隔离采集，在复杂工况环境下，提高模拟信号采集稳定性同时，降低了硬件成本。

频率自建电路

本系统作为二次仪表，具有自建标准频率信号输出功能，采用微处理频率输出功能模块，通过微妙级时基，根据采集的管道气体多参量的数值，折算出对应200-1000Hz范围的频率值，然后持续输出标准频率信号，如图2(D)所示，通过光耦隔离后经NPN型三极管整形输出，将检测的多参量信息送给后续仪表使用。解决了后续矿用第三方仪表的数据需求。

遥控与显示

如图2(E)部分所示，为了方便用户与本仪表交互操作，本系统采用硬件红外解码收发芯片BL9149/BL9148设计无线遥控电路，微处理器只需识别对应IO口电平状态就可读取键值，进行相关控制操作。采用7寸液晶屏作为显示设备，主要设计4界面，界面1用于显示管道气体各参量的动态值，界面2用于设置个传感器的标定信息，界面3用于查询历史信息和出错报警信息，界面4用于配置内外CAN总线的组网参数。

CAN总线接口

本系统采用CAN通信技术进行组网构件分布式监测网络，为了降低CAN总线负载压力和防止通讯协议串扰，采用了2路CAN通信，即内网CAN及外网CAN。如图2(F)所示，内网CAN采用TJA1050收发器，完成各分站间的实时数据交互和参数配置[3]。外网CAN采用TJA1052T隔离收发器，完成与主监控平台或第三方监控终端之间的数据上传和监控交互。

系统供电

如图2(H)部分所示，本仪表供电采用多路电源隔离稳压供电，分为主电源电路与分电源电路。其中主电源电路外接5.6V至36V的电源经VIN-VCC及VIN-GND输入，串接自恢复保险丝实现过流保护，并接压敏电阻实现过压保护，串接电感并接电容来滤除噪声，接入一个共模电感来抑制共模干扰，提高电源质量，串接一个二极管SS36防止电源反接，经TPS5430稳压芯片构成稳压电路来稳定输出5V，同时并接一路电源指示灯用于观察电源工作情况。因此，主电源电路具有兼容电压输入范围宽，现场取电灵活等特点。

分电源电路取主电源5V输出，经两路AMS1117电源稳压模块输出两路DC3.3V，主要给微处理器和液晶屏供电。经两路F0505S电源隔离输出两路DC5V，主要给CAN通信模块和传感器调理电路供电，经一路E0505S电源隔离输出DC±5V，给差分放大电路供电。实现各电路稳定供电需求。

由上可知，本实施例的网络型煤矿管道气体多参量监测二次仪表服务于煤矿安全生产，能实时、准确、连续监测煤矿管道气体多种参量的变化。提供多种传感器信号接口，解决了矿用第三方传感器信号采集的兼容问题；所设计的数据滤波处理，能有效消除干扰，提高采样数据的可信度，确保煤矿安全生产；具有自建标准信号的数据输出功能，可作为二次仪表输出从一次仪表获取的检测数据，解决了后续矿用第三方仪表的数据需求；所设计两级CAN总线通信接口，解决了远距离不同位置管道气体多种参量的组网监控与数据上传问题，使得本装置能灵活工作于单站或多站模式，方便与各种煤矿安全生产监控系统配套使用；人机界面友好，便于操作，能很好的满足目前煤矿对管道气体多种参数监测要求。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的保护范围内。