载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置及方法与流程

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及一种载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置及方法。

背景技术：

随着科技的进步，在煤矿企业中，无线传感器应用于矿井安全监测的情况将越来越普遍。在现有的甲烷传感器中，其检测原理大多是载体催化原理、热导原理、红外或激光光学检测原理，而红外或激光光学检测原理成本比载体催化原理、热导原理贵几十倍，限制了相关技术的推广应用。载体催化元件因甲烷浓度上升时内部催化剂的温度也随之上升，当温度大于600℃时，催化剂会发生氧化还原反应，元件随之失效，因此催化元件无法实现较高甲烷气体浓度的测量。大量实验证明，传统单一载体催化原理元件只能检测0～5％vol范围内的甲烷气体浓度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置及方法，克服单一载体催化元件测量范围窄的技术缺陷，实现对载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程。

本发明提供一种载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置，包括用于切换载体催化检测模式和热导检测模式的切换模块和用于控制切换模块切换检测模式的控制器；

所述控制器的控制信号输出端与切换模块的控制输入端连接，用于向切换模块发送控制载体催化检测模式和热导检测模式切换的控制信号；

所述控制器的载体催化检测输入端与切换模块的载体催化检测输出端连接，用于接收载体催化检测模式下检测到的甲烷浓度信号；

所述控制器的热导检测输入端与切换模块的热导检测输出端连接，用于接收热导检测模式下检测到的甲烷浓度信号。

进一步，所述切换模块包括载体催化甲烷元件、匹配电阻r1、电子开关u1和电子开关u2；所述载体催化甲烷元件包括带催化剂的铂电阻r2和不带催化的铂电阻r3；所述电子开关u1和电子开关u2型号为adg849；

所述控制器的控制信号输出端与电子开关u1的引脚1连接，所述电子开关u1的引脚6通过铂电阻r2与铂电阻r3的一端连接，所述铂电阻r3的另一端与电源vcc连接；所述电子开关u1的引脚4通过匹配电阻r1与铂电阻r2和铂电阻r3的公共连接点连接；所述电子开关u1的引脚2与电源vcc连接；所述电子开关u1的引脚3接地；

所述电子开关u2的引脚5与铂电阻r2和铂电阻r3的公共连接点连接；所述电子开关u2的引脚2与电源vcc连接；所述电子开关u2的引脚3接地；所述电子开关u2的引脚6作为切换模块的热导检测输出端与控制器的热导检测输入端连接；所述电子开关u2的引脚4作为切换模块的载体催化检测输出端与控制器的载体催化检测输入端连接。

进一步，还包括温度感应元件，所述温度感应元件设置在载体催化甲烷元件表面，用于测量载体催化甲烷元件的实时温度值；所述温度感应元件的信号输出端与控制器的温度信号输入端连接，用于将载体催化甲烷元件的实时温度值发送给控制器，控制器根据载体催化甲烷元件的实时温度值对检测到的甲烷浓度值进行修正。

进一步，ron1≤5％rmax，且ron2≤5％rmax，其中，ron1为所述电子开关u1导通内阻，ron2为所述电子开关u2导通内阻，rmax为载体催化甲烷元件通电工作时的最大电阻值。

进一步，所述rmax的计算公式为：

其中，v为载体催化甲烷元件的额定工作电压，imin为载体催化甲烷元件工作时的最小电流。

相应地，本发明还提供一种载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程方法，包括步骤：

s1：设定载体催化检测模式和热导检测模式进行切换的甲烷气体浓度为a；

s2：控制器控制电子开关u1使带催化剂的铂电阻r2和不带催化的铂电阻r3上电工作，即将载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置切换到载体催化检测模式实时检测得到载体催化检测模式的甲烷气体浓度测量值sl；

s3：温度感应元件实时采集载体催化甲烷元件的温度值t，利用温度值t对sl进行补偿修正，得到载体催化检测模式的甲烷气体浓度真实值sl’；

s4：判断sl’是否大于a，若不大于a，则返回步骤s2，若大于a，则进入步骤s5；

s5：控制器控制电子开关u1使不带催化的铂电阻r3和匹配电阻r1通电工作，即将载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置切换到热导检测模式实时检测得到热导检测模式的甲烷气体浓度测量值sh；

s6：温度感应元件实时采集载体催化甲烷元件的温度值t，利用温度值t对sh进行补偿修正，得到热导检测模式的甲烷气体浓度真实值sh’；

s7：判断sh’是否小于0.6a，若不小于0.6a，则返回步骤s5，若小于0.6a，则返回步骤s2。

进一步，所述步骤s3和步骤s6中，利用温度值t对甲烷气体浓度测量值进行补偿修正的计算公式为：

s＝s1+δ(2)

其中，s1为甲烷气体浓度测量值，s为甲烷气体浓度真实值，δ为温度变化补偿量。

进一步，所述δ的计算公式为：

δ＝bt+c(3)

其中，t为温度感应元件实时采集载体催化甲烷元件的温度值，b为第一温度补偿系数，c为第二温度补偿系数。

本发明的有益效果：本发明将载体催化检测原理和热导检测原理相结合，克服单一载体催化元件测量范围窄的技术缺陷，实现对载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程，且通过载体温度修正的方式提高甲烷气体浓度检测的精度，具有广泛的适用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置及方法，包括用于切换载体催化检测模式和热导检测模式的切换模块和用于控制切换模块切换检测模式的控制器u3；控制器u3可采用单片机、微处理器等，优选微处理器。

所述控制器u3的控制信号输出端与切换模块的控制输入端连接，用于向切换模块发送控制载体催化检测模式和热导检测模式切换的控制信号；

所述控制器u3的载体催化检测输入端与切换模块的载体催化检测输出端连接，用于接收载体催化检测模式下检测到的甲烷浓度信号；载体催化检测模式下检测到的甲烷浓度信号为电压信号，控制器u3接收到载体催化检测模式下检测到的甲烷浓度信号按照预设的信号处理方法对其进行处理得到载体催化检测模式的甲烷气体浓度测量值sl。

所述控制器u3的热导检测输入端与切换模块的热导检测输出端连接，用于接收热导检测模式下检测到的甲烷浓度信号。热导检测模式下检测到的甲烷浓度信号为电压信号，控制器u3接收到热导检测模式下检测到的甲烷浓度信号按照预设的信号处理方法对其进行处理得到热导检测模式的甲烷气体浓度测量值sh。预设的信号处理方法为现有技术，在此不赘述。通过上述结构，克服以往单一的载体催化甲烷元件只能测量0～5％vol的量程局限性，实现0～100％vol全量程范围内的甲烷浓度测量，大大提高了载体催化甲烷元件的应用价值，对煤矿等瓦斯安全事故的预防监测提供了新的检测装置。

所述切换模块包括载体催化甲烷元件、匹配电阻r1、电子开关u1和电子开关u2；所述载体催化甲烷元件包括带催化剂的铂电阻r2和不带催化的铂电阻r3；所述电子开关u1和电子开关u2型号为adg849；adg849是一款单芯片cmos单刀双掷(spdt)开关，采用1.8v至5.5v电源供电。它具有超低导通电阻，典型值为0.5ω或0.8ω，非常适合要求极低开关失真的应用。adg849还能够载送大量电流，采用5v电源供电时，载流能力典型值为600ma。接通时，adg849的各开关在两个方向的导电性能相同。该器件为先开后合式，从而可防止开关通道时发生瞬时短路。adg849提供6引脚小型sc70封装，因而非常适合空间受限的应用。带催化剂的铂电阻r2为载体催化甲烷元件中的黑元件，带催化的铂电阻r3为载体催化甲烷元件中的白元件。匹配电阻r1的电阻值应接近铂电阻r3的电阻值，实现单一载体催化甲烷元件对全量程甲烷浓度的测量。进一步，匹配电阻r1的电阻值取值应在铂电阻r3的电阻值取值的±5％范围内，即r1∈[0.95r3，1.05r3]。

所述控制器u3的控制信号输出端与电子开关u1的引脚1连接，所述电子开关u1的引脚6通过铂电阻r2与铂电阻r3的一端连接，所述铂电阻r3的另一端与电源vcc连接；所述电子开关u1的引脚4通过匹配电阻r1与铂电阻r2和铂电阻r3的公共连接点连接；所述电子开关u1的引脚2与电源vcc连接；所述电子开关u1的引脚3接地；

所述电子开关u2的引脚5与铂电阻r2和铂电阻r3的公共连接点连接；所述电子开关u2的引脚2与电源vcc连接；所述电子开关u2的引脚3接地；所述电子开关u2的引脚6作为切换模块的热导检测输出端与控制器u3的热导检测输入端连接；所述电子开关u2的引脚4作为切换模块的载体催化检测输出端与控制器u3的载体催化检测输入端连接。通过增设电子开关u2可以对载体催化甲烷元件温度或其他干扰进行隔离，使控制器u3得到的甲烷气体浓度测量值更接近于实际值。通过上述结构，针对单一的载体催化甲烷元件，根据其自身有催化剂的黑元件工作在载体催化检测原理，没有催化剂的白元件工作在热导检测原理的特性，通过动态扩程方法的智能控制，结合电子开关和匹配电阻的整体融合，从而克服以往单一的载体催化甲烷元件只能测量0～5％vol的量程局限性，实现0～100％vol全量程范围内的甲烷浓度测量，大大提高了载体催化甲烷元件的应用价值，对煤矿等瓦斯安全事故的预防监测提供了新的检测装置。

还包括温度感应元件，所述温度感应元件设置在载体催化甲烷元件表面，用于测量载体催化甲烷元件的实时温度值；所述温度感应元件的信号输出端与控制器u3的温度信号输入端连接，用于将载体催化甲烷元件的实时温度值发送给控制器u3，控制器u3根据载体催化甲烷元件的实时温度值对检测到的甲烷浓度值进行修正。所述温度感应元件可采用热敏电阻或温度传感器等温度感应器件，例如采用0603封装6.8k的ntc型热敏电阻或ds18b20温度传感器。

ron1≤5％rmax，且ron2≤5％rmax，以减少载体催化甲烷元件信号输出的非线性误差，其中，ron1为所述电子开关u1导通内阻，ron2为所述电子开关u2导通内阻，rmax为载体催化甲烷元件通电工作时的最大电阻值。

所述rmax的计算公式为：

其中，v为载体催化甲烷元件的额定工作电压，imin为载体催化甲烷元件工作时的最小电流。根据(1)式可以精确对电子开关u1和u2进行选型，操作方便简单，实用性强。

相应地，本发明还提供一种载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程方法，包括步骤：

s1：设定载体催化检测模式和热导检测模式进行切换的甲烷气体浓度为a；

s2：控制器u3控制电子开关ⅰ使带催化剂的铂电阻r2和不带催化的铂电阻r3上电工作，即将载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置切换到载体催化检测模式实时检测得到载体催化检测模式的甲烷气体浓度测量值sl；所述控制器u3的载体催化检测输入端与切换模块的载体催化检测输出端连接，用于接收载体催化检测模式下检测到的甲烷浓度信号，控制器u3通过预设的信号处理方法对甲烷浓度信号进行处理，得到载体催化检测的甲烷气体浓度测量值sh。

s3：温度感应元件实时采集载体催化甲烷元件的温度值t，利用温度值t对sl进行补偿修正，得到载体催化检测模式的甲烷气体浓度真实值sl’；

s4：判断sl’是否大于a，若不大于a，则返回步骤s2，若大于a，则进入步骤s5；

s5：控制器u3控制电子开关ⅰ使不带催化的铂电阻r3和匹配电阻r1通电工作，即将载体催化甲烷气体浓度检测元件动态扩程装置切换到热导检测模式实时检测得到热导检测模式的甲烷气体浓度测量值sh；所述控制器u3的热导检测输入端与切换模块的热导检测输出端连接，用于接收热导检测模式下检测到的甲烷浓度信号，控制器u3通过预设的信号处理方法对甲烷浓度信号进行处理，得到热导检测模式的甲烷气体浓度测量值sh。

s6：温度感应元件实时采集载体催化甲烷元件的温度值t，利用温度值t对sh进行补偿修正，得到热导检测模式的甲烷气体浓度真实值sh’；

s7：判断sh’是否小于0.6a，若不小于0.6a，则返回步骤s5，若小于0.6a，则返回步骤s2。通过上述方法，针对单一的载体催化甲烷元件，根据其自身有催化剂的黑元件工作在载体催化检测原理，没有催化剂的白元件工作在热导检测原理的特性，通过动态扩程方法的智能控制，结合电子开关和匹配电阻的整体融合，从而克服以往单一的载体催化甲烷元件只能测量0～5％vol的量程局限性，实现0～100％vol全量程范围内的甲烷浓度测量，大大提高了载体催化甲烷元件的应用价值，对煤矿等瓦斯安全事故的预防监测提供了新的持续动态的检测方法。

所述步骤s3和步骤s6中，利用温度值t对甲烷气体浓度测量值进行补偿修正的计算公式为：

s＝s1+δ(2)

其中，s1为甲烷气体浓度测量值，s为甲烷气体浓度真实值，δ为温度变化补偿量。步骤s3中，将sl作为s1带入(2)式，得到的s，即为sl’；步骤s6中，将sh作为s1带入(2)式，得到的s，即为sh’。通过(2)式减小甚至避免温度对载体催化甲烷元件测量值的影响，提高了甲烷气体浓度检测的精度。

所述δ的计算公式为：

δ＝bt+c(3)

其中，t为温度感应元件实时采集载体催化甲烷元件的温度值，b为第一温度补偿系数，c为第二温度补偿系数。所述b和c通过大量不同温度条件下对已知浓度的甲烷气体的浓度进行测量得到的浓度测量值，将浓度测量值与已知浓度值进行线性拟合得到，或通过神经网络等方法得到b和c的确定值。

具体地，采用载体催化元件(工作电压为3v，工作电流为100ma,则载体催化元件工作阻抗rmax为30ω)，其中，白元件的电阻值为15ω，匹配电阻r1的电阻值应在15ω±5％范围内，因此r1为15ω，封装1206；电子开关u1、u2选用adg819，导通内阻ron1和ron2为0.8ω，符合要求；温度感应元件采用0603封装6.8k的ntc型的热敏电阻，简单实用，将a设定为4％vol，从而实现0～100％vol全量程范围内的甲烷浓度测量。

具体地，采用载体催化元件(工作电压为3v，工作电流为40ma，则载体催化元件工作阻抗rmax为75ω，)其中白元件的电阻值约为37.5ω，匹配电阻r1的电阻值应在37.5ω±5％范围内，因此r1为37.4ω，封装1206；电子开关u1、u2选用adg849，导通内阻ron1和ron2为0.5ω，符合要求；温度测量元件采用ds18b20温度传感器，精度高、应用简单，将a设定为5％vol，从而实现0～100％vol全量程范围内的甲烷浓度测量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。