专利名称：多探头可燃气体在线智能检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种多探头可燃气体(包括甲烷)在线智能检测仪，它属 于电子和单片微机应用技术领域，它可在线智能检测煤矿井下甲烷浓度。
技术背景 我国煤矿很多，常有事故发生。其主要原因之一是煤矿井下甲烷在线检 测设备没有达到应有的技术水平。例如，我国绝大数煤矿含有硫化物，它可与水汽形成酸，侵 蚀甲烷检测元件，、使其参数发生变化，若不及时调整，检测误差会越来越大。为了减小检测 误差，现有常用甲烷在线检测设备，需定期(例如每5天一次)将它从煤矿井下拿到地面， 人工调整放大电路中与可燃气体检测元件(简称检测元件)之零点和灵敏度相关的参数，然 后再安装到煤矿井下检测处，不仅费时费事，而且对煤矿安全生产不利。
针对上述情况，本实用新型的微处理器内含可自动调整参数程序，程序运行时，它可定 期自动调整(例如每3天一次)与检测元件之零点和灵敏度相关的参数，可克服现有常用甲 烷在线检测设备的上述弊端。
发明内容本实用新型由多探头检测模块(简称检测模块)、红外光敏接收电路、高 性能微处理器(简称"HliP")、显示器、信号输出电路、电源转换模块、检测模块供电控制 电路(简称供电控制电路)、外接插座、防尘网和外壳组成。检测模块可由2至6个检测单 元和2至6个程序可控电动气阀组成，各检测单元可以是1只可燃气体检测元件，它也可由
可燃气体检测元件与精密放大电路构成。各检测单元的输出和红外光敏接收电路的输出接"H JUP"的输入，"HjaP"的输出接显示器、供电控制电路和信号输出电路的输入端。显示器可 由2至6个LED数码管及其适配电路组成，也可由LCD数显屏或液晶点阵显示屏及其适配电 路组成；信号输出电路的功能是实现V/f或V/i转换，其输出接外接插座的信号输入端，外 接插座的电源输出端接电源转换模块的输入，电源转换模块的输出接"HjaP"、显示器、信 号输出电路和供电控制电路的电源输入端，供电控制电路的输出接检测模块的电源输入端。
本实用新型的"HHP"内含固化软件，其程序可通过供电控制电路控制电动气闽处于开 启或封闭状态，并可控制各可燃气体检测元件上电压之高低，其变化在0至3.6V范围内。而 且"HjiP"内含可自动调整检测参数的程序，即其程序运行时，它可自动调整与可燃气体检 测元件之零点和灵敏度相关的参数。
本实用新型的"H Ji P"可选用"含2至8个输入端和1个输出端"的多路模拟开关、10bit 至24bit A/D转换器、10bit至18bit D/A转换器、程序存贮器和数据存贮器"的单片微机。 "HjLiP"内固化软件之程序运行时，可定期自动调整(例如每3天一次)与检测元件之零点 和灵敏度相关的参数，使本实用新型不需要人工调参数，可持续使用200天以上。而且本 实用新型可用2至6个检测元件实时检测同一甲烷浓度，将其数据送给"HjiP",自动智能 分析并确认甲烷浓度实时值，大幅度提高了检测数据的可信度。
由于本实用新型不需要人工拆装/调参数，可持续使用200天以上，可大幅度减少人工 调参数工作量；而且它可用多个探头检测同一实时甲烷浓度，大幅度提高了检测数据的可信 度，因此在煤矿应用本实用新型，对提高煤矿安全生产率具有重要意义。 附图i兌明
以下结合附图和实施实例对本实用新型进一步说明。 图l是本实用新型的可实施原理框图之一。图l中"CSM"代表检测模块，"HnP"代表高性能微处理器，"DP"代表显示器，"LR"代表红外光敏接收电路，"0C"代表信号输出电
路，"JC"代表外接插座，"PM"代表电源转换模块，"SC"代表检测模块的供电控制电路。 图2是图4中"ESi"的一种可实施的电路原理图之一，图中IC2可选用光控M0S器件。 图3是图4中"PAi"的一种可实施的电路原理图之一，它是一种精密差动放大电路，其
中A3需选用精密运放器件，ra和rb分别代表甲烷检测元件内之"黑元件"的等效电阻和"白元
件"的等效电阻。此电路的原理，可在公开的技术资料中査到。
图4是
图1中"CSM"和"SC"的一种可实施原理框图之一，其中"SC"由ESi、"ES2"、 "ES3"
和"ES4"组成。关于"ESi，，,已在前面说明。"ES2'，、"ES3"和"ES4"的实施电路可与"ESi"
的实施电路相同。
图4中"GVa"代表常开电磁气阀，"GVb"代表常闭电磁气阀，它们左侧的虛点线代表防 尘网，与虛点线相连的粗线框表示封闭。图中"GSi"、 "GS2"、 "GS3"和"GS4"分别代表1#、 2#、 3#和4#甲烷检测元件或其他可燃气体检测元件。当"GVa"通电时，它关闭，"GSi"和"GS2" 处于封闭状态，外界气体不能与"GSi"或"GS2"接触，或者说，仅当"GVa"未通电时，"GVa" 才开启，外界气体才能与"GSi"或"GS2"接触；而"GVb"则反之，即当"GVb，'未通电时，它 关闭，"GS3"和"GS4"处于封闭状态，外界气体不能与"GS3"或"GS4"接触，仅当"GVa" 通电时，"GVa"才开启，外界气体才能与"GS3"或"GSV'接触。图中的"PAi"已在前面说 明，"PA2"、 "PA3"和"PA4"的实施电路可与"PAi"的实施电路相同。
图5描述了图1中"HpP"和"DP" —种可实施的电路原理，其中IC5是高性能微处理 器，它内含多路模拟开关、精密A/D转换器、精密D/A转换器、程序存贮器和数据存贮器的 单片微机。图中IC6是带数据锁存功能的BCD码—七段码转换器件，C51、 C53、 C55和C61 代表独石电容器，C52和C54代表铝电解电容器，C56和C57代表瓷片电容器；CR代表石英 谐振器，L51和L52代表电感器，R50至R67代表电阻器，So代表Reset按钮，npl、 np2、 np3 和叩4代表共阴极LED数码管的阴极。图5还描述了 IC5与"LR"及"OC"的连接，"LR" 可选用巿场上出售的红外光敏接收模块，"OC"可选用以AD654为核心的V —f转换电路， AD654器件资料中有详细技术说明。此外，电源转换模块"PM"，可选购"AC/DC"或"DC/DC" 模块，例如选购"12-24VDC —2. 8VDC/0. 6A、 5Vdc/0, 5A和12Vdc/1A"的"DC/DC" 模块，它 和"H^P"之程序运行及报警指示灯等原理电路，皆可在公用的技术资料中查到，无需赘述。
具体实施方式
下面进一步说明本实用新型的一种具体实施方式
。 图2中IC2可选用AQV101,它是一种光控MOS器件，其输出侧关断耐压〉30V,导通等效 电阻<0. 4Q。图2中R21可选220Q/0. 125W金属膜电阻器，当IC2的光控输入端"脚1"为 低电平时，IC2的内部输入侧之发光二极管不发光，其输出侧关断，即IC2的电源输入端"脚 4"与电源输出端"脚6"相当于开路；当IC2的光控端"脚1"为髙电平时，IC2的内部输 入侧之发光二极管的电流可达10mA,它发光，使IC2的输出侧导通，即IC2的"脚4"与《脚 6"接近短路(等效电阻〈0.4Q)。
图3中以ra和rb为等效电阻的检测元件可选用煤矿用甲烷检测载体催化元件 MJC4,+VGS可选2.8V 。图中A3可选用OPA735,它是单电源供电的精密运放器件，其输入失 调电压《5pV,温漂《0. 05yV/X:,输入偏置电流《0. 3nA ，开环增益》115dB。图中C31可 选用l)uF独石电容器，R31可选用2kQ/0. 25w/0. W/5ppm/lC的精密金属膜电阻器，R32可 选用lOOkD/0. 25w/0. l'/。/5ppm〃C的精密金属膜电阻器，R33可选用2kQ/0. 125WAW金属膜电阻器，R34可选用lkQ/0.25w/0. P/i/5ppm广C的精密金属膜电阻器，Rw可选用温度系数《 5ppra TC的2kQ 10圈电位器。
图4中"PAi"、 'TA2"、 "PA3"和"PA4" 的输出分别接图5中IC5的模拟输入端AIN1、 A皿、AIN3和AIN4。
图5中"+Vdd"可接+5V电源，C51可选用6. 8uF独石电容器，C52和C54可选用100 m F/10V铝电解电容器，C53、 C55和C61可选用l)aF独石电容器，C56和C57可选用15pF瓷 片电容器；CR可选用12MHz石英谐振器，L51和L52可选用68/j H电感器，R50可选用30k Q/0. 0625W/5y。金属膜电阻器，R51至R67可选用39OQ/0. 0625W/5。/。金属膜电阻器，IC5可选 用MSC1212Y5 (它是高性能微处理器，详见其器件资料)，编写恰当软件，将其固化在 MSC1212Y5中。图中IC6可选用CD4511, LED数码管可选用5101AS,此器件可查到相关详细 技术说明。
在上述基础上，当固化在"HHP"中软件运行时，本实用新型可自动以下列各模式工作
Ml模式本实用新型接通电源后，固化在"H(aP"中软件自动运行，进入M1工作摸式， 即"HlilP"的I/O 口 P3.7输出并保持低电平，"ES3"关断，检测元件"GS3"和"GS4"没 有电压，而且"HliP"的I/C) 口 P3.5也输出并保持低电平，"ES2"关断，常闭电磁气阀"GVb" 关闭，"GS3"和"GS4"处于封闭状态，"GS3"和"GS4"不能与外界气体接触，即"GS3"和 "GS4"处于休眠状态。从"GS3"和"GS4"进入休眠状态之时起，"HjiP"内部定时器之一 (设其为"DVT")开始计时，在DVT计时之累计值未达到额定值RT之前，"H y P"的I/O 口 P3.4输出并保持低电平，"ESl"关断，常开电磁气阀"G'Va"开启，"GSi"和"GS2"与 外界气体接触，而且"HjJP"的1/0 口 P3.6输出并保持高电平，"ES4"导通，给"GSi"和 "GS2"加电压，即"GSl"和"GS2"处于工作状态，它们随甲烷浓度变化的输出信号，分 别经过"PAi，'和"PA2"放大后送给"HHP",经A/D转换、数字滤波和纠正偏差(零点偏差 和灵敏度偏差)等运算处理后，获得"GSl"和"GS2"检测的两个数据(设其为DN1和DN2), 将二者进行比对，若二者的相对误差^允许值AE (例如AE-3",则取二者的平均值作为甲 烷浓度检测确认值，经D/A转换后从VDACO 口输出给"OC"，并继续以Ml模式工作。若DNl 和DN2的相对误差〉AE ,则进入M2工作模式。
M2模式按M2模式工作时，"HyP"的I/O 口 P3.7输出并保持高电平，"ES3"导通， 给"GS3"和"GS4"加电压，同时"HmP"的I/O 口 P3.5也输出并保持高电平，"ES2" 导 通，常闭电磁气阀"GVb"开启，"GS3"和"GS4"与外界气体接触，二者进入工作状态。它 们随甲烷浓度变化的输出信号，分别经过"PA3"和"PA4"放大后送给"HjiP",再经过 A/D转换、数字滤波和纠偏等运算处理后，"HiaP"获得"GS3"和"GS4"检测的两个相应 数据(设其为DN3和DN4)。然后将DN3、 DN4与DNl、 DN2进行"两两"比对运算，取"相 对误差《AE"的数据之平均值，作为曱烷浓度检测确认值，经D/A转换后从VDACO 口输出给 信号输出电路。而且"HJJP"自动找出并记录"GSi"和"GS2"检测数据连续出现异常(相对 误差〉AE)之次数，设其为EN1(与"GSl"检测数据连续出现异常之次数对应)和EN2(与"GS2" 检测数据连续出现异常之次数对应)。若在EN1和EN2超出允许值AN(例如AN-5)之前，"GSi" 和"GS2"检测数据恢复正常(相对误差《AE),则"H|UP"的I/0口P3.5和P3.7都输出并保 持低电平，"GS3"或"GS4"再进入休眠状态；而且"HnP"的I/O 口 P3.4和P3.6的输出 分别保持低电平和高电平，本实用新型仍以Ml模式工作。M3模式若"DVT"自动计时累计超过额定值RT (例如RT=72小时)或EN1与EN2之一 超出AN，则本实用新型按M3模式工作，自动调整与检测元件之零点和灵敏度相关的参数， 即自动进行下述操作
M3. 1搡作"HJUP"的I/O 口 P3.4禾口 P3.6分别输出并保持低电平和高电平，检测元 件"GSl"和"GS2"继续处于检测工作状态，同时P3.5和P3.7皆输出并保持高电平，检测 元件"GS3"和"GS4"也进入工作状态。
M3.2操作:M3. 1操作完成后，等待WT1(例如WT1=20S)时间后，"H |J P"使'W和 "GS4"代替"GSl"和"GS2"进行甲烷浓度检测工作，同时"H/iP"使P3.4和P3.6都输 出并保持高电平，"GSl"和"GS2"进入零点偏差检测阶段，即等待WT2(例如WT2—0S)时 间后，"H]UP"运行恰当程序，在"GSl"和"GS2"不与外界气体接触条件下，分别将"PAi" 和"PA2"的输出电压经过A/D转换、数字滤波和运算处理后，获得"GSi"和"GS2"各自的 零点偏差值厶bl和厶b2,并将它们分别存入各自的零点偏差专用寄存器，供纠偏运算用。
M3. 3操作M3.2操作完成后，进行M3. 3操作，即"GS3"和"gs4"继续进行甲烷浓 度检测工作，同时"HJUP"使P3.4和P3.6分别输出并保持低电平和髙电平，等待WT1时 间后，"H|jP"运行恰当程序，在"GSi"、 "GS2"、 "GS3"和"GS4"都与外界气体接触条 件下，将"PAl"、 "PA2"、 "PA3"和"PA4"的输出信号分别经过A/D转换、数字滤波和运算 后，获得"GSl"和"GS2"各自的灵敏度偏差值Akl和厶k2,并将它们分别存入各自的灵敏 度偏差专用寄存器，供纠偏运算用.
M3.4操作M3. 3操作完成后，"H ja P"运行恰当程序，在"GSi"、 "GS2"、 "GS3"和 "GS4"都与外界气体接触条件下，将"PAl"、 "PA2"、 "PA3"和"PA4"的输出信号分别经过 A/D转换、数字滤波和纠偏等运算后，对它们的检测数据DN1、 DN2、 DN3和DN4进行比对运算， 自动分析"GS1"和"GS2"经过上述自动调整检测元件相关参数后，其检测数据是否符合要 求。若符合要求，则进入M1工作模式。若不符合要求，则可再进行上述M3.2至M3.4之操 作，并记录此种操作之次数，设其为PN.若在PN > AP(例如AP-3)之前，"GSi"和"GS2" 检测的数据达到所需技术要求，则进入M1工作模式；否则进入NM工作模式。
M4模式若"HjUP"得出甲烷浓度检测确认值接近安全临界值Wth (例如0.8%甲烷浓 度)或"GSl"和"GS2"之一自动调整参数之效果不符合要求(PN >AP)，则本实用新型按 M4模式工作，即可自动发出报警信号。
M5模式若"LR"接收到红外光信号，则本实用新型以M5模式工作。在此工作模式下， 用户可通过红外遥控器，修改前面所述的AE、 AP、 AN、 RT、 WTl、 WT2和Wth等参数值。
据以上所述可知，检测元件"GS3"和"GS4"通常处于休眠状态，除"GSi"和"GS2"的 检测数据出现异常外，它们仅在自动调整1#和2#检测元件相关参数期间工作，设每3天自 动调整一次，每次工作约2分钟，再考虑出现异常情况等因素，乘以裕量系数2，则270天 内"GS3"和"GS4"与外界气体接触时间累计不超过6小时，其参数变化很小，可忽略不计， 而且所选用的载体催化元件MJC4，在及时调整参数前提下，可连续使用一年以上。因此，本 实用新型不需要人工调参数，可持续使用200天以上，而且留有相当大的裕量。
权利要求1.一种多探头可燃气体在线智能检测仪，其特征是它由多探头检测模块、红外光敏接收电路、高性能微处理器、显示器、信号输出电路、电源转换模块、检测模块供电控制电路、外接插座、防尘网和外壳组成，检测模块的输出和红外光敏接收电路的输出接高性能微处理器的输入，高性能微处理器的输出接检测模块供电控制电路、显示器和信号输出电路的输入，信号输出电路的输出接外接插座的信号输入端，外接插座的电源的输出端接电源转换模块的输入，电源转换模块的输出接高性能微处理器、显示器、信号输出电路和检测模块供电控制电路的电源输入端，检测模块供电控制电路的输出接检测模块的供电端。
2. 根据权利要求1所述的多探头可燃气体在线智能检测仪，其特征是检测模块是多 探头检测模块的简称，它可由2至6个可燃气体检测单元和2至6个程序可控电动气阀组成， 各可燃气体检测单元的输出即为检测模块的输出，而且各检测单元可以是1只可燃气体检测 元件，它也可由可燃气体检测元件与精密放大电路构成。
3. 根据权利要求1所述的多探头可燃气体在线智能检测仪，其特征是高性能微处理 器可由多路模拟开关、精密放大电路、10bit至24bit A/D转换器、10bit至18bit D/A转 换器和单片机构成，也可选用具有同等功能或性能更好的高性能单片微机或微处理器。
4. 根据权利要求1所述的多探头可燃气体在线智能检测仪，其特征是显示器可由2 至6个LED数码管及其适配电路组成，也可由LCD数显屏或液晶点阵显示屏及其适配电路组成。
5. 根据权利要求1所述的多探头可燃气体在线智能检测仪，其特征是它的红外光敏 接收电路内含光敏管，它可接收红外遥控器发出的光信息，送给高性能微处理器。
专利摘要本实用新型是一种多探头可燃气体在线智能检测仪，属于电子和单片微机应用技术领域。它由多探头检测模块、红外光敏接收电路、高性能微处理器、显示器、信号输出电路、电源转换模块、供电控制电路、外接插座、防尘网和外壳等组成。它的高性能微处理器内含固化软件，其程序运行时，可自动定期调整与可燃气体(含甲烷)检测元件之零点和灵敏度相关的参数，使之不需要人工调参数，可持续使用200天以上。而且它可用2至6个检测元件实时测量同一甲烷浓度，微处理器自动对它们的检测数据进行智能分析，并确认实时甲烷浓度值，大幅度提高了检测数据的可信度。在煤矿推广应用本实用新型，可大幅度减少人工调参数工作量，显著提高煤矿安全生产率。
文档编号G01N21/31GK201344902SQ20082013581
公开日2009年11月11日 申请日期2008年10月8日 优先权日2008年10月8日
发明者孙梅生 申请人:孙梅生