[实用新型]一种智能甲烷全量程传感器

说明书

技术领域

本实用新型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。

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

本实用新型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，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，本实用新型所提供的技术方案为：一种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。

本实用新型与现有技术相比，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。