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甲烷气体检测原理与设计 - 1 - 甲烷气体检测原理与设计甲烷气体检测原理与设计甲烷气体检测原理与设计 甲烷气体检测原理与设计 甲烷气体检测原理与设计 - 2 - 目录 概述3 第一章国内外研究现状4 一 、甲烷检测简介4 1.1 半导体式气体传感器4 1.2 催化燃烧式气体传感器5 1.3 热传导式气体传感器6 1.4 基于相干光干涉的气体传感器6 1.5 光声气体检测7 1.6 基于红外吸收的甲烷气体传感器7 二、 检测仪表8 1.7便携式瓦斯检测仪表8 1.8瓦斯自动监测监控系统10 1.9光干涉甲烷检测仪11 1.10 传统光干涉甲烷检测器的不足12 第二章瓦斯检测仪的研究与设计14 2.1 研究的意义和主要工作14 2.1.1 研究的意义14 2.1.2 主要工作14 2.2 瓦斯检测的原理18 2.2.1 载体催化元件18 2.2.2 传统的检测原理23 2.2.3 传统检测原理存在的问题24 2.2.4 开关式恒温瓦斯检测技术26 2.2.5杨氏干涉原理29 甲烷气体检测原理与设计 - 3 - 2.2.6薄膜干涉原理31 2.2.7嵌入式光干涉甲烷检测仪光学原理34 2.2.8嵌入式光干涉甲烷检测仪智能读数原理35 第三章瓦斯检测仪的硬件选型与设计38 3.1 瓦斯检测仪的基本组成38 3.2 本安仪表的基本设计要求39 3.3 本系统采用的防爆措施39 3.4 单片机的选型40 3.5 元器件选型42 3.5.1A/D 转换器 42 3.5.2通信芯片选型43 3.5.3蜂鸣器选型和遥控接收头选型44 3.6 加热采样电路的设计45 3.7 电源模块的设计49 3.8 单机片辅助电路的设计51 3.9 红外接收电路的设计52 3.10 声光报警电路53 3.11 显示电路53 3.12电流/频率输出电路54 3.13通信电路的设计56 3.14开关量输出电路56 第四章瓦斯检测仪软件设计59 5.1 软件设计概述59 5.2 红外遥控解码62 甲烷气体检测原理与设计 - 4 - 概述 煤矿井下开采过程中，从煤岩体内油出的所有气体统称为矿井瓦斯。瓦 斯的主要成分是甲烷和其他烃类，以及二氧化碳和稀有气体。瓦斯爆炸是煤 矿生产中最严重的灾害之一，不仅造成人员大量伤亡，而且还会摧毁井下生 产和安全设施，中断生产，甚至引起煤尘爆炸、矿井火灾、冒顶等二次灾害， 从而加重了灾害后果，造成生产难以在短时间内恢复；还有些煤层开采到一 定深度后，在生产过程中还能发生煤与瓦斯突出，产生很大的破坏作用。 瓦斯是我国煤矿的主要灾害因素之一，瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等 灾害严重威胁着我国煤矿的安全生产。由于灾害因素多、治理难度大，矿井 瓦斯一直是我国煤矿安全工作的重点和难点。当前我国煤矿安全生产的现状 是煤矿瓦斯大，煤与瓦斯突出越来越严重，危险性增加。我国的所有煤矿均 为瓦斯煤矿， 瓦斯灾害己成为制约煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素。 为此，国家煤矿安全监察局实施了“科技兴安”战略，并提出了“先抽后采、 监测监控、以风定产”的瓦斯治理“十二字方针”，与此同时，我国的各类科 技计划也逐步加强了瓦斯灾害治理技术研究开发的支持力度。 甲烷是瓦斯气体的主要成分，规避煤矿事故的发生，必须加强对井下甲 烷气体浓度的监测。因此根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技 术标准，研制技术先进、实用、可靠的产品是关键所在。 甲烷气体检测原理与设计 - 5 - 第一章国内外研究现状 一、一、一、 一、 甲烷检测简介甲烷检测简介甲烷检测简介 甲烷检测简介 煤层瓦斯的主要成分一般是甲烷和其它有害气体等,这些气体统称为瓦 斯。由于瓦斯的危害主要是甲烷,所以从狭义上讲矿井瓦斯就专指甲烷而言。 对于瓦斯的检测，主要是对于甲烷的检测。 甲烷是无色、无味、无臭可以燃烧和爆炸的气体,不能供人呼吸,能造成 人员窒息,它易于扩散,扩散速度是空气的 1.34 倍,瓦斯的渗透能力是空气的 1.6倍,甲烷对空气的比重为0.544,因此容易积存在巷道顶板冒落的顶板空峒 内。瓦斯的化学性质极不活泼,几乎不与其它物质化合,难溶于水。瓦斯与空 气适量混合后具有燃烧爆炸性。 这是瓦斯所以成为矿内主要灾害的原因所在。 在标准状况下瓦斯按体积百分比浓度为 5～16时遇到高温火源后就会发生瓦 斯爆炸。浓度在 9.1～9.5时爆炸威力最大。 甲烷检测主要是时时了解煤矿环境中甲烷的浓度，以为煤矿安全生产提 供可靠有效的保障。按照所采用的气体浓度传感器的工作原理分类，目前国 内外用于甲烷浓度检测的方法主要有以下几种 1.11.11.1 1.1 半导体式气体传感器。半导体式气体传感器。半导体式气体传感器。 半导体式气体传感器。 半导体式气体传感器利用半导体材料表面吸附、 脱附气体分子会引起半导 体电导率的变化来检测气体。在所有可燃气体传感器中，应用最广的是电学 类气体传感器。其中的半导体气敏元件自 1962 年 Seiyama 应用于气体探测以 来，以其灵敏度高、响应时间快、经济可靠等优点而得到迅猛发展，目前已 成为世界上产量最大、 应用最广的传感器之一。 这类传感器主要有 SnO2、ZnO、 Fe2O3三大类，此外还开发了许多新材料。如单一金属氧化物材料有 WO3, 甲烷气体检测原理与设计 - 6 - In2O3，TiO2、BaO2、CdO、V2O5、Al2O3、ZrO2等；还有混合金属氧化物材 料如 ZnSnO3、NiCuO 、A1VO4、CdSnO3；另外还有混合金属氧化物材料如 Na2SO4- In2O3、ZnO-CuO、CdO-SnO2、SnO2-TiO2-In2O3等。上述半导体气体 传感器可按检测方式不同分为电阻式和非电阻式两类。电阻式半导体气体传 感器依据其电阻随气体含量的不同而变化的特征来检测气体。非电阻式半导 体气敏元件则利用其电流或电压随气体含量的变化来检测气体，主要有 MOS 二极管式和结型二极管式及场效应管式。 半导体甲烷传感器响应幅度大、探测范围广、制作工艺简单且基本实现 了国产化，从而得到广泛使用。其缺点是稳定性差，受环境影响较大；尤其 是选择性不强，易受甲烷中含有的其他气体的影响，使输出参数不能精确确 定，此外，这类传感器如果长时间没有遇到探测气体，将会因氧化而进入休 眠状态从而对气体泄漏不再做出反应。另外这类传感器的输出信号是非线性 的，这使得定标有一定困难，不宜应用于计量要求准确的场所，现主要应用 于家庭气体如天然气泄漏报警中。 1.21.21.2 1.2 催化燃烧式气体传感器。催化燃烧式气体传感器。催化燃烧式气体传感器。 催化燃烧式气体传感器。 催化燃烧式气体传感器 （又叫载体催化元件） 利用可燃性气体在气敏元件 表面上发生氧化反应，产生热量从而引起元件电阻值的改变，据此来检验不 同浓度的气体；其结构是在铂丝线圈上包以氧化铝和粘合剂，经烧结而形成 球状，外表涂敷铂、钯等稀有金属的催化层。工作时加热至 300～400℃，当 环境中有可燃性气体时，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，从而引起铂丝 线圈温度上升、阻值增大，通过测量这一电阻的变化可测定环境中可燃气体 的浓度。 接触燃烧式气体传感器使易燃气体在传感器表面接触燃烧从而引起传感 器的电阻改变，将电阻的变化量转换为百分 LEL最低爆炸下限 Lower Explosive Limit 显示或报警。其主要特点是计量准确、响应快速、寿命较长， 甲烷气体检测原理与设计 - 7 - 传感器的输出与环境的爆炸危险直接相关，目前在我国的瓦斯检测领域是一 类占主导地位的传感器，主要用于低浓度0～4范围的甲烷气体的检测。其 缺点是在恶劣环境下使用寿命短，而且元件表面的催化剂接触到一些非可燃 性气体时会产生反应从而容易发生催化剂中毒。 1.31.31.3 1.3 热传导式气体传感器热传导式气体传感器热传导式气体传感器 热传导式气体传感器 热传导式气体传感器依据不同可燃性气体的导热系数与空气的差异来测 定气体的浓度，通常利用电路将导热系数的差异转化为电阻的变化。热传导 式气体检测仪的结构是将待测气体送入气室， 气室中有热敏元件如热敏电阻、 铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时， 将使热量更容易从热敏元件上散发，使其电阻减小，通过惠斯通电桥测量这 一阻值变化可得到被测气体的浓度值。这种传感器在待测气体浓度高时稳定 性较高，所以，一般用于高浓度甲烷气体4～100。 热传导式甲烷传感器一般与催化燃烧式传感器配合使用， 组成全量程甲烷 浓度传感器。 1.41.41.4 1.4 基于相干光干涉的气体传感器基于相干光干涉的气体传感器基于相干光干涉的气体传感器 基于相干光干涉的气体传感器 干涉式气体传感器的基本原理是应用光的干涉现象来测气体的浓度。利 用略作改进的迈克尔逊干涉仪作为仪器，将由一个光源发出的光分为两束， 分别经过甲烷与基准气体传输，由于甲烷气体浓度不同造成的折射率的变化 使两束光线光程差不同，由于两条光线是相干光线，在一定条件下就可形成 干涉条纹。由于此干涉条纹中包含了浓度信息，故我们可以根据记录干涉纹 的变化来得出气体的浓度。 光干涉系统相对于载体催化来讲，在理论上有精度高、测量范围广、稳 定性好等诸多优点。但从干涉系统的设计到 CCD 采集信号要求都非常严格， 且结构复杂、成本高，不易于实现小型化。 甲烷气体检测原理与设计 - 8 - 1.51.51.5 1.5 光声气体检测。光声气体检测。光声气体检测。 光声气体检测。 光声气体检测方法就是用一定频率的调制光照射密闭的物质组分，物质 吸收光能后，有一部分能量转化为分子热能，并以声压的形式表现出来，检 测声压信号就可以对物质组分进行分析。 红外光声气体检测技术本质上基于红外吸收。大气中的许多分子和燃烧 产物气体的分子通常都具有一定的红外吸收波长，使得它们可以根据特定吸 收波长而被标识出来。在通常的光声检测中，气体被密封在一个小腔内称为 光声腔，当用一束调制强度随时间周期性变化的红外光照射气体时，气体 分子吸收光能而被时变加热，这个温升导致气体膨胀，由此引起的周期性压 力波动可以用一只麦克风检测到。因信号强度与气体浓度相关，因此可以用 于气体检测。 光声检测与通常的光谱技术的主要区别在于，光声方法检测的光声信号 是直接取决于物质吸收光能的大小，所以反射光、散射光等对光声检测的干 扰很小。对于弱吸收试样则可增大入射光功率，从而提高信噪比。 1.61.61.6 1.6 基于红外吸收的甲烷气体传感器基于红外吸收的甲烷气体传感器基于红外吸收的甲烷气体传感器 基于红外吸收的甲烷气体传感器 红外光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体 浓度的方法。每种气体分子都有自己的吸收或辐射谱特征，光源的发射谱只 有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。气体 吸收反应了气体分子或原子的各种可能的能级之间的跃迁。当某物质受到红 外光束照射时，该物质的分子就要吸收一部分光能量并将其转换为分子的振 动和转动能量，产生分子振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁。 光谱中甲烷在 3.33um 处有一个极强的吸收峰（而杂质气体如水、CO2、 CO 在此处无明显吸收） ，而吸收的强弱则由甲烷气体浓度来决定，所以当一 红外光信号衰减程度被测知时，即可据此求得甲烷气体的浓度。当一束光强 甲烷气体检测原理与设计 - 9 - 为 I0输入平行光通过充有甲烷和空气混合气体的气室时，如果光源光谱覆盖 一个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据 Beer-Lambert定律， 输出光强 I 与输入光强 I0和气体浓度之间的关系为 光谱吸收法检测气体浓度具有很多优点①选择性好。每种气体都有自 己各自的特征红外吸收频率，它们是互相独立，互不干扰的。②不易受有害 气体的影响而中毒、老化。③灵敏度高。由于采用红外吸收原理检测气体， 当浓度发生变化时，能及时做出响应。④采用光信号检测，产生的干扰信号 小，系统的信噪比高。但在一般情况下，测量非常弱的吸收时，透射信号几 乎不衰减，可能造成很大的误差。 红外光谱吸收的测量方法又可分为直接吸收检测、差分吸收检测、谐波 检测等，各种检测方式都可以与应用于光纤甲烷检测系统中，是目前国内外 研究的热点。 在以上介绍的众多的研究方法中，基于光学器件的检测方法如光干涉法 和基于红外吸收的光纤甲烷检测具有测量范围广可实现全量程测量、 检测精 度高、响应快、选择性好、可连续测量等优点。而目前国内广泛使用的瓦斯 检测系统中采用的催化燃烧式甲烷传感器相对来说有测量范围窄0～4 ，敏 感元件易中毒、老化快、响应相对较慢，且多是单点测量等缺点。但同时， 与前者相比，催化燃烧式传感器突出的优点是传感器模块化设计检修方便、 体积小、本质安全性高，且随着对催化燃烧探头的原理与生产工艺的深入研 究，载体催化元件的稳定性、抗中毒性、输出线性等都有了大幅度的提高， 更适合于在恶劣环境下对煤矿瓦斯的检测。 二、检测仪表二、检测仪表二、检测仪表 二、检测仪表 1.71.71.7 1.7 便携式瓦斯检测仪表便携式瓦斯检测仪表便携式瓦斯检测仪表 便携式瓦斯检测仪表 1 热催化型甲烷检测报警仪。 甲烷气体检测原理与设计 - 10 - 当一定的工作电流通过黑元件用涂有热催化剂铂丝制成时，其表面即 被加热到一定温度，当反应室中充以含有甲烷的空气时，甲烷接触到黑元件 表面，即在反应室中呈无烟燃烧，放出燃烧热，使黑元件铂丝的温度升高， 导致铂丝的电阻值明显增加，于是电桥就失去平衡，输出一定的电压。在甲 烷浓度低于 4的情况下，电桥输出的电压与瓦斯浓度基本上呈直线关系，因 此可以根据测量电桥输出电压的大小测算出瓦斯浓度的数值；当瓦斯浓度超 过 4时，输出电压就不再与瓦斯浓度成正比关系，所以按这种原理做成的甲 烷检测报警仪只能测浓度低于 4的瓦斯。其国内的代表产品为抚顺煤炭安全 仪器厂生产的 AQP-1 型热效式瓦斯测定器。我们也引进了一些国外产品，例 如美国的 M502 型瓦斯检定器。而法国广泛使用的是 Vm-1 型瓦斯检定器。 2 热导型甲烷检测仪 热导型甲烷检测仪的基本原理和结构大体与热催化型相似，其主要差别 是热导型甲烷检测仪的反应元件为热敏元件如热敏电阻、铂丝、钨丝等。当 反应室中充以含有甲烷的空气时，由于甲烷比空气的热导率大 1.296 倍，因 而能降低热敏元件的温度，并导致其电阻发生变化，从而破坏电桥的平衡。 代表产品有浙江奉化电子仪表厂生产的 KDD-1 型热导式瓦斯测定器，常州红 旗仪表厂生产的 LRD-1 型热导式瓦斯测定器。 3 光学甲烷检测仪 光干涉式甲烷检测仪是我国煤矿井下普遍使用的一种测定甲烷浓度的便 携式仪器。由于光通过气体介质的折射率与气体的密度有关，如果以空气室 和瓦斯室都充入同密度的新鲜空气时产生的条纹为基准对零，当瓦斯室充 入含有瓦斯的空气时抽气测定，由于空气室中的新鲜空气和瓦斯室中的含 瓦斯气体的密度不同，引起折射率的变化，光程也就随之发生变化，于是干 涉条纹产生位移移动，从目镜可以看到干涉条纹移动的距离。由于干涉条 纹的位移量与瓦斯浓度成正比例关系，所以根据干涉条纹的位移量就可以测 甲烷气体检测原理与设计 -11- 得瓦斯的浓度，从目镜可以观察到干涉条纹移动后所处的瓦斯浓度刻度值， 于是便可测得瓦斯浓度。国内早期产品以 AQG-1 型为主。为适应我国煤矿安 全生产， 加强瓦斯管理的需要， 抚顺、 重庆煤矿安全仪器厂联合研制成功 AQG-2 型瓦斯检定器。该检定器采用了新型的光源结构，便于调整，增大了条纹的 视见度，舒适方便，整数和小数可以同时读出，性能良好，达到世界先进水 平。此外，AQG 型的缩小形 JWG 型光干涉式瓦斯检定仪也有使用。 4 气敏半导体式甲烷检测仪 气敏半导体在加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分 子首先在表面自由地扩散。其间一部分分子蒸发，一部分分子就固定在吸附 处。此时如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从材 料夺取电子而变成负离子吸附；如果材料功函数大于吸附分子的离解能，吸 附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附。 O2和 NOx氮类氧化物倾向于负 离子吸附，称为氧化型气体。H2、CO、碳氢化合物和酒类倾向于正离子吸附， 称为还原型气体。氧化型气体吸附到 N 型半导体上，将使载流子减少，从而 使材料的电阻率增大。还原型气体吸附到 N 型半导体上，将使载流子增多， 材料电阻率下降。根据这一特性，就可以从阻值变化的情况得知吸附气体的 种类和浓度。国内产品有 TONS-90AA 气体报警仪，GM3 气体检测仪等。 1.81.81.8 1.8 瓦斯自动监测监控系统瓦斯自动监测监控系统瓦斯自动监测监控系统 瓦斯自动监测监控系统 1 矿井瓦斯监测监控系统组成 矿井瓦斯监测监控系统主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、 井下分站、传感器组成。 2 矿井瓦斯监测、监控系统 目前国内在用的矿井瓦斯监测、监控系统有 KJ4、KJ10、KJ23、KJ31、 KJ90、KJ95、KJ101、KJP2000、KJ4 / KJ2000 和 KJG2000 等监控系统，以 甲烷气体检测原理与设计 - 12 - 及 MSNM、WEBGIS 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。 1.91.91.9 1.9 光干涉甲烷检测仪和其他类型甲烷检测仪的比较光干涉甲烷检测仪和其他类型甲烷检测仪的比较光干涉甲烷检测仪和其他类型甲烷检测仪的比较 光干涉甲烷检测仪和其他类型甲烷检测仪的比较 热催化型甲烷检测仪是除光干涉甲烷检测仪外在矿山井下应用较普遍的 便携式甲烷检测仪，我们对这两种甲烷检测仪进行比较。 1 测量范围及误差 常用的光干涉和热催化型甲烷检测仪的测量范围分别为 0～10,0～ 4， 其允许误差范围分别见表 1 和表 2， 两个表中的甲烷浓度值单位为摩尔比 。 表 1.1 光干涉甲烷检测仪测量误差范围 表 1.2 热催化型甲烷检测仪测量误差范围 由表可知，光干涉甲烷检测仪的测量范围宽，允许误差范围小。 2 外界气体的影响 根据光干涉甲烷检测仪的测量原理，只要进入甲烷气室的气体成分与空 气气室的成分不一样，干涉条纹就会移动，所不同的是不同的气体成分干涉 条纹的移动量不一样，因此，光干涉甲烷检测仪手外界气体的影响较大，为 了保证光干涉甲烷检测仪的测量准确性，外部都配有吸收二氧化碳和水蒸气 的吸收剂。另外，如果光干涉甲烷检测仪检定地点与使用地点的温差比较大， 项目量程 分段（％）0～11～44～77～10 基本误差（％）0.050.10.20.3 项目量程 分段（％）0～11～２2～4- 基本误差（％）0.10.20.3- 甲烷气体检测原理与设计 - 13 - 或被测气体缺氧，则光干涉甲烷检测仪的测量结果也会受到影响。 热催化型甲烷检测仪是专门测量甲烷的， 一般的常规气体对其不起作用， 此类甲烷检测仪能满足井下一般甲烷测定的要求，但在使用中要注意以下几 点 A 空气中含有硫化氢时， 会使热效式反应元件铂丝“中毒”失效。 因此 ， 在含有硫化氢的空气中使用时，应附加一个内装颗粒状活性炭的吸收管，以 消除硫化氢的影响。 B 空气中含有二氧化碳时，由于二氧化碳的导热率仅为甲烷的二分之 一，为消除其影响，应附加一个二氧化碳吸收管。 C 空气中一氧化碳浓度较高时，热效式的读数比实际甲烷浓度偏高，热 导式的则偏低，为消除其影响，可附加一个一氧化碳吸收管。 D 空气中氧浓度很低时，仪器都将产生较大误差，因此，这类仪器不适 用。 3 结论 热催化型甲烷检测仪存在调校周期短、易中毒、使用寿命短等无法克服 缺点；而光干涉甲烷检测仪由于其性能稳定、使用寿命长、测量准确，成为 我国煤矿应用最普遍的便携式甲烷检测仪器。 1.101.101.10 1.10 传统光干涉甲烷检测器的不足传统光干涉甲烷检测器的不足传统光干涉甲烷检测器的不足 传统光干涉甲烷检测器的不足 现有的目测型光干涉甲烷检测仪主要采用人工读数的方法，存在自动化 程度低、测量方法繁琐、读数不直观、人为误差较大、不能存储数据等自身 弱点 1.使用目测型光干涉甲烷检测仪检测时，由目镜中读出黑基线位移后靠 近的某整数刻度，再转动微调螺旋，使黑基线退到该整数刻度，从微读数盘 甲烷气体检测原理与设计 - 14 - 上读出小数位。理论精度达到 0.01，但是由于关键步骤“使黑基线退到该整 数刻度”为目测，所以实际测量精度远远低于 0.01。 2.测量方法烦琐。目测型光干涉甲烷检测仪是根据甲烷折射率，并在温 度 20℃和标准大气压条件下标定的刻度值的，当温度、气压变化较大时，要 做相应的校正。 此外，检查前，必须在和待测地点温度相近的进风巷中，捏放吸气球清 洗瓦斯室。然后校零，防止由于温差过大引起测量时出现零点漂移现象。 3.人工读取数据，不方便组成井下自动测量系统。 4.对各个地点和时间的数据采用纸和笔进行记录，非常不便。 第二章瓦斯检测仪的研究与设计 甲烷气体检测原理与设计 - 15 - 2.12.12.1 2.1 研究的意义和主要工作研究的意义和主要工作研究的意义和主要工作 研究的意义和主要工作 2.1.1 研究的意义 目前我国使用的热催化燃烧式瓦斯检测仪存在的主要问题是传感器漂移 大，要定期维护，维护周期短，并且维护方法复杂、成本较高，抗干扰能力 较差。而且普通全量程瓦斯检测仪采用载体催化元件和二元热导元件相结合 的检测机制，低浓度检测时仍使用载体催化元件；而高浓度检测时使用二元 热导元件，电路结构较复杂，高浓度和低浓度量程发生间断和跳跃，量程不 连续。 为了解决这些问题，本设计充分利用 PIC16F877A 单片机的强大功能， 对瓦斯浓度进行实时采集、数据处理，对瓦斯传感器进行自动校零、非线性 补偿，在全量程检测的处理上，利用单一的热催化载体元件，采用低浓度检 测和高浓度检测两种不同检测机制，模仿数字万用表的自动档位变换，在检 测过程中传感器自动变换档位，这样既保证了低浓度检测时的分辨率又兼顾 了高浓度检测时的动态范围。高低两端量程衔接连续，没有跳跃和中断，比 采用热催化载体元件和热导元件相结合的检测方式节约了成本，降低了仪器 的复杂程度，也基本消除了采用热催化载体元件和热导元件相结合的检测方 法中存在的量程衔接处发生中断和跳跃的固有的弊端，初步的解决了催化元 件的“双值”问题和单元件全量程测量问题。开关式恒温瓦斯检测技术的应 用初步解决了载体催化测量仪器耐冲击性能的难题，为瓦斯气体的检测方法 开辟出一条新的道路。 2.1.2 主要工作 为了实现瓦斯检测仪的功能，本设计的主要工作如下 甲烷气体检测原理与设计 - 16 - 1）系统的硬件设计 系统硬件主要包括供电电源设计、加热采样电路设计、通信电路设计、红 外遥控电路设计、单片机系统设计及信号输出电路设计。 2）系统的软件设计 系统软件主要包括红外遥控解码、通信程序、平均值滤波、非线性补偿、 零点漂移的抑制等。 3）系统的总体设计 瓦斯检测仪主要是对矿井下瓦斯其主要成分是甲烷进行实时监测，同时 利用微处理器进行数据处理和控制，进行传感器的自动校零和非线性的线性 化处理，整个系统最终实现的功能包括 传感器数据的采集主要是瓦斯气体浓度的采集； 超限报警当瓦斯浓度超过限定什，传感器进行声光报警； 断电控制当瓦斯浓度超过限定值，输出断电控制信号； 通信功能与分站进行通信； 开关量信号输出根据当前瓦斯浓度输出电流、频率等制式信号； 传感器自校零处理、平均值滤波、非线性补偿等。 4）设计要求 本设计是一种全新的全量程瓦斯检测仪， 能够在的量程范围内采用单一催 化元件对 CH4气体浓度进行检测，与分站进行数字通信，输出开关量信号， 并在气体浓度超限时进行声光报警，输出断电信号。本文着重解决整个系统 硬件电路的设计以及各硬件的软件设计。技术指标如下 甲烷气体检测原理与设计 - 17 - 量程0～100CH4； 工作电压8～20VDC； 声光报警声级80DB，红色 LED 闪光； 响应时间≤30S； 工作温度范围0～40℃； 相对湿度≤98RH； 精度0～1，允许误差0.1； 1，允许误差,真值的10； 报警0.5～1.0,0.1； 1.0～2.0,真值的10； 5）系统的主要指标及功能 主要指标 1.量程最大量程高于 10。 2.系统精度0-10甲烷浓度内系统精度优于 0.05， 检测精度达到并超过 目测式光干涉甲烷检测仪。 3.单次测量标准差取 3甲烷作为检定点， 每点重复测量 6 次， 单次测量 标准差小于 0.01。 计算公式 （2-1） 1 1 2       n XX n i i  甲烷气体检测原理与设计 - 18 - 式中δ为单次检定的标准差，xi为第 i 次检定值，是检定值的算术平  X 均 n 为检定次数。 4.最大存储数据量1K 次测量值及环境参数。 功能 1 一键自校准 目测式光干涉甲烷检测仪使用前需要调节校零旋钮，使干涉条纹的宽窄 度符合标准，即第一条黑条纹对准零刻度，第五条条纹与 7相切。本系统的 读数是由比例关系得来的，根据仪器的原理，校零时只需要按动校零按纽， 得到基准的零级黑条纹和一级黑条纹的位置即可，不再需要通过转动粗调和 微调旋钮将条纹对准刻度。改善目测式光干涉甲烷检测仪测量方法烦琐的不 足。 2.超限自报警 目测式光干涉甲烷检测仪没有报警功能，本系统设置声光报警电路。当 甲烷浓度达到设定值时，报警电路输出信号驱动高亮发光二级管闪光和高响 度蜂鸣器报警，不同的报警点、不同程度险情采取不同颜色的发光二级管， 最大限度地做到信号明确和醒目。 3.自动修正温度气压影响 折射率与气温、气压有关，所以当环境温度和气压变化时，将会影响测 量结果.为了降低仪器的成本，采用人工键人环境温度、气压值，由微机根据 计算公式修正测量值后显示.修正公式为 2-2 P T K    293 101325 T 和 P 分别为测定地点的绝对温度和大气压Pa 甲烷气体检测原理与设计 - 19 - 4.数据自动存储 每次测量完数据后，自动将数据记录在存储器中，便于信息汇总，从整 体的空间和时间上把握矿山井下的甲烷浓度变化，保证安全生产，防止甲烷 事故的发生，弥补了目测式光干涉甲烷检测仪的不足。 2.22.22.2 2.2 瓦斯检测的原理瓦斯检测的原理瓦斯检测的原理 瓦斯检测的原理 2.2.1 载体催化元件 载体催化元件通常是以γ-Al2O3作载体，由一个载体上涂催化剂作敏感 元件俗称黑元件， 另一个载体上不涂催化剂作补偿元件俗称白元件构成。 黑、白元件的载体上都附有铂丝，结构和尺寸都相同，物理性能也基本相同。 铂丝用于通电加热两元件，维持瓦斯催化燃烧反应所需温度，同时又兼作感 温元件。 瓦斯在载体催化元件上的反应是一种气固相催化反应过程，即为多相催 化。多相催化反应是在固体催化剂的表面进行，即把反应物吸附在催化剂表 面上，并在催化剂表面上发生反应，其反应物也吸附在表面上。为了使载体 催化反应能连续不断地在表面上发生，产物必须不断地从表面上解析出来。 载体催化元件使用 Pt、Pd 等金属催化剂。Pt、Pd 等过渡金属元素是较好 的加氢脱氢催化剂，可以化学吸附甲烷，使甲烷离解，一般称为离解化学吸 附，即 甲烷气体检测原理与设计 - 20 - 2-3HMMCHMCH 34 2 式中M表面金属原子。 甲烷是饱和烃，在金属催化剂上吸附保留时间极短，属难氧化气体。由 于离解化学吸附作用，使甲烷分子的价键力发生变化，降低了反应活化能， 产生催化反应。因此，采用载体催化元件检测瓦斯时，只要维持甲烷-空气混 合气体中有足够量的氧，并维持一定的高温条件，就会在元件表面产生无焰 燃烧。甲烷氧化过程如下 2-4KJOHCHOCH pdPt 8 .129 2 1 3 ,, 24   2-5KJOHOCHOOHCH pdPt 5 .147 2 1 22 ,, 23   2-6KJHCOOHOOCH pdPt 4 .275 2 1 ,, 22   2-7KJOHCOOHCOOH pdPt 8 .242 2 1 22 ,, 2   总的反应方程式为 2-8KJOHCOOCH pdPt 5 .7952 22 ,, 24   催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值。根 据电阻值的变化可以得到一个与瓦斯浓度关联的电信号。 设铂丝线圈电阻值的变化量为ΔR，则 2-9 C amQ C Ha TaR     式中α气敏传感器的温度系数； ΔT由于气体燃烧引起的温度上升值； 甲烷气体检测原理与设计 - 21 - ΔH由于气体燃烧产生的热量； C气敏传感器的热容量； m气体的浓度； Q气体分子的燃烧热； a系数。 如果气敏传感器的结构、材料已确定，而被测气体的种类又是固定不变， 则气敏传感器的电阻变化量与被测气体的浓度成正比，即 ΔRaKm2-10 从上式看出，只要测出传感器的电阻变化量，便可以测得可燃气体的浓 度。 选择载体催化元件敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量。 活性 元件活性是指甲烷被吸附在敏感元件表面进行无焰燃烧时，氧化燃烧的 速率。元件活性高，可以得到较高的电信号输出。 稳定性 元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规定的连续 工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元 件工作性能越稳定。 元件的寿命 元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规定值的时间。 元件的“中毒现象” 甲烷气体检测原理与设计 - 22 - 某些物质强烈地吸附在催化剂上，使催化剂活性减小或消失的现象称为 催化剂中毒。硫的化合物（H2S、SO2）、磷的化合物（H3P）对铂、把催化剂 有中毒作用。 例如，H2S 与 Pd 反应生成 PdS，即 （2-11）OHPdSOPdSH 222 2 1  PdS 为棕黑色固体物质，附在催化元件上，使其灵敏度下降。元件中毒程 度与毒物数量和中毒时间成正比。有些矿井存在 H2S 和 SO2气体，在爆破作业 中也会释放出 SO2气体。在中毒物质较多的矿井中使用载体催化元件时，可 以选用抗中毒元件，也可以采取一些防止元件中毒的措施，如定期往进气室 窗口上刷一些氢氧化钠溶液以阻止 H2S、SO2等气体进入气室，或者利用氢氧 化钠和活性碳吸收剂吸附 H2S、SO2等中毒物质。为了防止吸收剂长时间使用 失效，要注意定期更换。 反应速度 反应速度是敏感元件的一个重要指标，特别是当元件应用到各种运动机 械上时更为突出，包括响应时间和恢复时间。响应时间指空气中的甲烷浓度 变化时， 敏感元件输出信号达到输出信号最大值 90时的反应时间。 恢复时间 指在新鲜空气中，敏感元件输出电信号回零时的时间的 90。 在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，敏感元件的反应速度由两个因 素决定，一是元件的时间常数，二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常 数可由式 2-10 确定 （2-12） a RIsTas E 23 4    式中 甲烷气体检测原理与设计 - 23 - 元件的时间常数； E元件的热容量； α等效热导系数； s元件的表面积； δ常数； T元件的工作温度； I工作电流； Rα铂丝电阻温度系数。 通过对上式的分析，合理的选择元件参数，提高敏感元件的反应速度。 本设计中，敏感元件采用郑州炜盛电子科技有限公司的 MJC4/2.8J 催化 燃烧式气敏元件，它的工作电压为 2.8V，工作电流为 90mA，具有低功耗的特 点。 工作原理 MJC4/2.8J 型气敏元件根据催化燃烧效应的原理工作， 由检测元件和补偿 元件配对组成电桥的其中两个桥臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥 路输出电压变量，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起 温度补偿作用。 特点 桥路输出电压呈线性； 响应速度快； 具有良好的重复性、选择性； 甲烷气体检测原理与设计 - 24 - 元件工作稳定、可靠； 抗 H2S 中毒。 长期稳定性 在空气中每年漂移小于2mV，在1CH4 中每年漂移小于 12mV。短期存储 两周内30 分钟即可稳定，如长期存储1 年，老化 5 小时即可稳定。 2.2.2 传统的检测原理 传统的检测原理是采用惠斯通电桥测量载体催化元件的电阻变化量。 将 黑元件与白元件作为电桥的相邻臂置于同一测定气室中，在无瓦斯的新鲜空 气中，调整电桥使之平衡，即令电桥输出电压