一种智能甲烷全量程传感器及其全量程甲烷浓度测量方法

摘要

本发明公开了一种智能甲烷全量程传感器及其全量程甲烷浓度测量方法，其智能甲烷全量程传感器包括四线插座、电桥工作电源、弱电电路电源、通信接口电路、甲烷电桥工作电路、单片机电路及环境温度测量电路，四线插座的两电源线连接电桥工作电源，弱电电路电源连接电桥工作电源；四线插座的两通信线为I

说明书

技术领域

本发明涉及智能传感器的技术领域，尤其是指一种智能甲烷全量程传感器 及其全量程甲烷浓度测量方法。

背景技术

甲烷浓度的测量对于煤炭和石化行业非常重要，目前主要的测量方式是催 化燃烧方法。催化燃烧的检测元件由铂电阻黑元件和铂电阻白元件串联，黑元 件表面含催化剂，通过电加热把检测元件加热到400℃左右的高温后，若黑元件 周围含有甲烷气体，则甲烷会发生无焰催化燃烧，并放出热量，该热量会使黑 元件的电阻值进一步升高。黑元件阻值上升的大小与甲烷的浓度呈正比，通过 测量电阻值的变化即可确定气体浓度。但是，当气体浓度达到4％以上时，测量 精度变差，而且容易自燃，烧坏整个传感器。催化燃烧方法只适合甲烷浓度在 0％～4％范围内测量。

为了达到全量程甲烷浓度测量，人们把热传导式测量方法与催化燃烧方法 相结合，在催化燃烧基础上增加热传导元件，利用甲烷浓度与热传导系数呈正 比的关系来测量高浓度(4％～100％)的甲烷气体。组合传感器工作时在催化元 件和热传导元件之间切换，这样方法能够部分解决全量程测量问题，但是还存 在两种测量元件在切换时平稳过渡问题，甚至出现双值问题，同时由于没有催 化燃烧黑元件的温度控制机制，在催化燃烧时温度还是偏高，缩短了整个传感 器的使用寿命。此外，一般甲烷模拟传感器需要与专用变送器配合使用，不提 供通用的数字通信接口。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种合理可靠的智能 甲烷全量程传感器及其全量程甲烷浓度测量方法，利用甲烷催化燃烧传感器兼 作为热传导传感器，分别针对其热传导工作模式和催化燃烧工作模式设立两个 温度工作点，通过改变电桥的工作电压来稳定检测元件工作点温度。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其智能甲烷全量程传感器，包 括有四线插座、电桥工作电源、弱电电路电源、通信接口电路、甲烷电桥工作 电路、单片机电路以及用于计算甲烷检测元件相对于环境温度温升的环境温度 测量电路，其中，所述四线插座的两电源线连接电桥工作电源，通过所述电桥 工作电源提供3.6V的VP3V6电源，以供电桥电路工作，同时也向除电桥电路 以外的弱电电路电源供电，所述弱电电路电源连接电桥工作电源；所述四线插 座的两通信线为I²C通信线，并连接通信接口电路，所述通信接口电路连接单片 机电路，所述单片机电路的单片机STM32L151C8内含EEPROM存储器，用于 存储传感器的工作参数和设定的I²C地址，单片机片上集成有所需的DAC、ADC 和I²C外设；所述甲烷电桥工作电路和环境温度测量电路分别连接单片机电路。

所述甲烷电桥工作电路选择甲烷催化燃烧传感器MJC4/3.0L，包括有场效应 管、放大器、NPN三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五 电阻、第六电阻、第七电阻；其中，所述甲烷催化燃烧传感器MJC4/3.0L的黑 元件为带催化剂的铂电阻，其白元件为不含催化剂的铂电阻；所述场效应管的 栅极接单片机STM32L151C8的I/O开关信号输出，其漏极接电桥工作电源，由 所述电桥工作电源提供3.6V的VP3V6电源，所述场效应管并联有第一电阻； 所述放大器、NPN三极管和第二电阻组成功率放大和电压跟随电路，所述放大 器的同相输入端接单片机STM32L151C8的DAC输出；所述第三电阻、第四电 阻、黑元件、白元件和第五电阻组成一个电桥，所述黑元件、第六电阻、白元 件和第七电阻组成另一个电桥。

所述电桥工作电源和弱电电路电源分别采用LDO电源芯片SPX1117和 SPX3819，参考电源采用REF3020，所述参考电源接单片机STM32L151C8的 ADC引脚，并采用比对的方法来校正其它模拟输入信号的测量值。

所述通信接口电路由单片机STM32L151C8的I²C引脚、上拉电阻和ESD 芯片PRTR5V0U2X组成。

所述环境温度测量电路采用DS18B20对环境温度进行测量。

本发明所述的全量程甲烷浓度测量方法，如下：

上电后，智能甲烷全量程传感器进行系统初始化，包括I/O初始化和片上外 设初始化，外设初始化包括ADC、DAC和I²C初始化，分配临时通信缓冲区、 接收数据缓冲区，启动I²C接收中断，并设置工作状态为热传导工作状态；然后 判断目前的工作状态，若为热传导工作状态，则把由黑元件和白元件串联而成 的测量元件温度控制在200℃，否则进入催化燃烧工作状态，把黑元件温度控制 在400℃左右；在热传导工作状态，通过热传导原理测量电压计算甲烷浓度，然 后进行浓度判断，若浓度小于3.5％，则转入催化燃烧工作状态，否则直接进行 I²C通信处理；在催化燃烧工作状态，通过催化燃烧原理测量电压计算甲烷浓度， 然后进行甲烷浓度判断，若浓度大于4％，则进行工作状态转移，转入热传导工 作状态，如此循环。

当处于热传导工作状态时，单片机STM32L151C8通过DAC输出来改变输 入放大器的同相输入端的HeatVoltage电压，向黑元件和白元件供电，对其进行 加热并保持在200℃，铂电阻的分度表保存在单片机STM32L151C8的Flash中， 不可修改，当热平衡时根据下式(1)即可计算出甲烷浓度：

${\alpha }_{\mathrm{CH}4}=312.5(\frac{P-P_0}{k(T_d-T_0)}-1)---\left(1\right)$

式中，α_CH4为甲烷浓度，P为检测元件消耗的电功率，由下式(2)计算出， T_d为测量元件温度，_T0为环境温度，由DS18B20测量出，P₀和k为与智能甲烷 全量程传感器结构有关的参数，通过试验测定，保存在单片机STM32L151C8 的EEPROM中；

$P=\frac{{V_1}^2}{\mathrm{RTb}+\mathrm{RTw}}---\left(2\right)$

当处于催化燃烧工作状态时，单片机STM32L151C8通过DAC输出来改变 输入放大器的同相输入端的HeatVoltage电压，向黑元件和白元件供电，对其进 行加热并保持在400℃，则甲烷在黑元件上发生催化燃烧反应，放出热量使黑元 件的温度升高，则黑元件的阻值将比白元件的阻值高，黑元件与白元件的阻值 差与甲烷浓度呈正比，据此通过下式(3)得到黑元件和白元件的数值，由下式 (4)得到阻值差；

$\left(\begin{array}{c}{V}_0={2V}_2,V_1={2V}_3\\ \frac{V_0}{R311+\mathrm{RTb}+\mathrm{RTw}}(\mathrm{RTb}+\mathrm{RTw})=V_1\\ \frac{V_0}{R311+\mathrm{RTb}+\mathrm{RTw}}\mathrm{RTw}=V_4\end{array}\right)---\left(3\right)$

ΔRT＝RTb-RTw  (4)

在单片机片上的EEPROM中，保存有黑白元件阻值差与甲烷浓度的关系表， 通过查表即可得到甲烷的浓度。

采用I²C中断接收数据，中断接收后的数据在通信模块进行处理，发送程序 也在模块中完成；I²C协议的应用层数据包由地址、功能号、变量名、变量值和 校验码组成；当智能甲烷全量程传感器还没有进行地址初始化或者需要重新设 置地址时，可通过广播地址与其进行通信，包括进行地址分配，智能甲烷全量 程传感器把分配的地址保存在其单片机STM32L151C8的EEPROM中，掉电后 无需再次初始化；地址分配后，具有不同地址的智能甲烷全量程传感器可以连 接成I²C网络使用，一个变送器可以接多个具有该接口的不同类型智能甲烷全量 程传感器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、与传统的模拟传感器相比，本智能甲烷全量程传感器不需要进行现场校 正；

2、本智能甲烷全量程传感器与外部连接的通信接口为I²C接口，使用方便；

3、本智能甲烷全量程传感器在实现全量程测量甲烷浓度时，保证了热传导 工作模式和催化工作模式的工作温度稳定，工作模式之间转换平稳，延长了传 感器使用寿命，避免了自然现象和可能的危险事故发生。

附图说明

图1为智能甲烷全量程传感器的结构示意图。

图2为智能甲烷全量程传感器的甲烷电桥工作电路原理图。

图3为智能甲烷全量程传感器的状态机图。

图4为智能甲烷全量程传感器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的智能甲烷全量程传感器，包括有四线插座 M100、电桥工作电源M101、弱电电路电源M102、通信接口电路M103、甲烷 电桥工作电路M104、单片机电路M105以及用于计算甲烷检测元件相对于环境 温度温升的环境温度测量电路M106；其中，本智能甲烷全量程传感器通过四线 插座M100与外部使用设备(变送器或者控制器)连接；所述四线插座M100的 两电源线连接电桥工作电源M101，通过所述电桥工作电源M101提供3.6V的 VP3V6电源，以供电桥电路工作，同时也向除电桥电路以外的弱电电路电源 M102供电，所述弱电电路电源M102连接电桥工作电源M101；所述四线插座 M100的两通信线为I²C通信线，并连接通信接口电路M103，所述通信接口电 路M103连接单片机电路M105，所述单片机电路M105的单片机STM32L151C8 内含EEPROM存储器，用于存储传感器的工作参数和设定的I²C地址，单片机 片上集成有所需的DAC、ADC和I²C外设；所述电桥工作电源M101和弱电电 路电源M102分别采用LDO电源芯片SPX1117和SPX3819，参考电源采用 REF3020，由于所采用的单片机STM32L151C8不带参考电源引脚，因此参考电 源接单片机STM32L151C8的ADC引脚，并采用比对的方法来校正其它模拟输 入信号的测量值；所述通信接口电路M103由单片机STM32L151C8的I²C引脚、 上拉电阻和ESD芯片PRTR5V0U2X组成；所述甲烷电桥工作电路M104和环境 温度测量电路M106分别连接单片机电路M105；所述环境温度测量电路M106 采用DS18B20对环境温度进行测量。

如图2所示，本实施例所述甲烷电桥工作电路M104选择甲烷催化燃烧传感 器MJC4/3.0L，包括有场效应管Q301、放大器U301A、NPN三极管Q302、第 一电阻R301、第二电阻R302、第三电阻R311、第四电阻R312、第五电阻R313、 第六电阻R314、第七电阻R315；其中，所述甲烷催化燃烧传感器MJC4/3.0L 的黑元件RTb为带催化剂的铂电阻，其白元件RTw为不含催化剂的铂电阻；所 述场效应管Q301的栅极接单片机STM32L151C8的I/O开关信号输出，其漏极 接电桥工作电源M101，由所述电桥工作电源M101提供3.6V的VP3V6电源， 所述场效应管Q301并联有第一电阻R301；所述放大器U301A、NPN三极管 Q302和第二电阻R302组成功率放大和电压跟随电路，所述放大器U301A的同 相输入端接单片机STM32L151C8的DAC输出；所述第三电阻R311、第四电阻 R312、黑元件RTb、白元件RTw和第五电阻R313组成一个电桥，所述黑元件 RTb、第六电阻R314、白元件RTw和第七电阻R315组成另一个电桥。 MeasureSwitch为单片机STM32L151C8输出的I/O开关信号，当单片机ADC需 要测量电桥输出电压时，设置MeasureSwitch为低电平，控制场效应管Q301导 通，单片机通过ADC测量V₂～V₄的值。电桥输出电压测量完后，设置 MeasureSwitch为高电平，关掉场效应管Q301，由NPN三极管Q302向检测元 件黑元件RTb和白元件RTw供电。HeatVoltage接单片机的DAC输出，用于控 制检测元件的工作电压，从而控制检测元件的工作温度。第三电阻R311为25 欧姆，其余的第四电阻R312、第五电阻R313、第六电阻R314和第七电阻R315 为2000欧姆。由于V₀和V₁可能超出ADC的最佳测量范围，因此通过V₂～V₄的测量来计算出V₀和V₁。由电桥电路和相应的电阻参数，通过下式(1)可以计算 出黑元件RTb和白元件RTw的阻值，再根据热传导或催化燃烧的测量甲烷浓度 原理，即可得到甲烷的浓度。

$\left(\begin{array}{c}{V}_0={2V}_2,V_1={2V}_3\\ \frac{V_0}{R311+\mathrm{RTb}+\mathrm{RTw}}(\mathrm{RTb}+\mathrm{RTw})=V_1\\ \frac{V_0}{R311+\mathrm{RTb}+\mathrm{RTw}}\mathrm{RTw}=V_4\end{array}\right)---\left(1\right)$

当处于热传导工作状态时，单片机STM32L151C8通过DAC输出来改变 HeatVoltage的电压，向黑元件RTb和白元件RTw供电，对其进行加热并保持在 T_d(约200℃)，T_d的具体数值通过查铂电阻的阻值分度表得到，铂电阻的分度表 保存在单片机的Flash中，不可修改。当热平衡时可根据下式(2)即可计算出甲烷 浓度。

${\alpha }_{\mathrm{CH}4}=312.5(\frac{P-P_0}{k(T_d-T_0)}-1)---\left(2\right)$

式中，α_CH4为甲烷浓度，P为检测元件消耗的电功率，由下式(3)计算出，T_d为测量元件温度，T₀为环境温度，由DS18B20测量出，P₀和k为与智能甲烷全 量程传感器结构有关的参数，通过试验在实验室测定，保存在单片机的EEPROM 中。

$P=\frac{{V_1}^2}{\mathrm{RTb}+\mathrm{RTw}}---\left(3\right)$

当处于催化燃烧工作状态时，单片机STM32L151C8通过DAC输出来改变 HeatVoltage的电压，向黑元件RTb和白元件RTw供电，对其进行加热并保持在 T_r(约为400℃)，则甲烷在黑元件上发生催化燃烧反应，放出热量使黑元件的温 度升高，则黑元件的阻值将比白元件的阻值高，黑元件与白元件的阻值差与甲 烷浓度呈正比，据此通过上式(1)可以得到黑元件和白元件的数值，由下式(4)得 到阻值差。

ΔRT＝RTb-RTw  (4)

在单片机片上的EEPROM中，保存有黑白元件阻值差与甲烷浓度的关系表， 通过查表即可得到甲烷的浓度。该关系表在MJC4/3.0L传感器数据手册基础上 通过试验确定。

如图3所示，智能甲烷全量程传感器上电后，先进入热传导工作状态，之 后在热传导工作状态和催化燃烧工作状态之间转换。当智能甲烷全量程传感器 处于热传导工作状态时，单片机把检测元件的工作温度控制在T_d(约为200℃)， 通过热传导原理测量甲烷浓度，当浓度小于3.5％，则转入催化燃烧工作状态。 在催化燃烧工作状态，单片机控制检测黑元件的工作点温度为T_r(约为400℃)， 通过催化燃烧原理测量甲烷浓度，当浓度大于4.0％，则再次转入热传导工作状 态。

如图4所示，所述智能甲烷全量程传感器实现全量程甲烷浓度测量的具体 过程为：M400为智能甲烷全量程传感器上电，上电之后，进入M401进行系统 初始化，包括I/O初始化和片上外设初始化，外设初始化包括ADC、DAC和I²C 初始化，分配临时通信缓冲区、接收数据缓冲区，启动I²C接收中断，并设置智 能甲烷全量程传感器的工作状态为传导工作状态；然后进入M402判断目前的智 能甲烷全量程传感器工作状态，若为热传导工作状态，则进入M403把测量元件 (黑元件和白元件串联)温度控制在200℃；否则进入催化燃烧工作状态，把黑 元件温度控制在400℃左右。在热传导工作状态，在M404中通过热传导原理测 量电压计算甲烷浓度，之后进入M405进行浓度判断，若浓度小于3.5％，则进 入M406转入催化燃烧工作状态，否则直接进入M411进行I²C通信处理。在催 化燃烧工作状态，在M408中通过催化燃烧原理测量电压计算甲烷浓度，之后进 入M409进行甲烷浓度判断，若浓度大于4％则进入M410中，进行工作状态转 移，转入热传导工作状态。在M411的通信模块后，完成一个程序循环，再次进 入M402进行下一程序循环。

为了保证I²C通信的实时性，采用I²C中断接收数据，中断接收后的数据在 M411通信模块进行处理，发送程序也在模块中完成。I²C协议的应用层数据包 由地址、功能号、变量名、变量值和校验码组成，如下表1所示。

表1-应用层数据包

1字节 1字节 1字节 4字节 N字节 2字节 地址 功能号 数据长度 变量名 变量值 校验码

当智能甲烷全量程传感器还没有进行地址初始化或者需要重新设置地址 时，可以通过广播地址(广播地址为0)与其进行通信，包括进行地址分配(为2～ 127之间的地址)，智能甲烷全量程传感器把分配的地址保存在其单片机的 EEPROM中，掉电后无需再次初始化。地址分配后，具有不同地址的智能甲烷 全量程传感器可以连接成I²C网络使用，一个变送器可以接多个具有该接口的不 同类型智能甲烷全量程传感器。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范 围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。