【正文】 路核心開發(fā)出一種操作簡單的檢測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷的識(shí)別、濃度監(jiān)測、閾值報(bào)警以及濃度顯示，為更好的防御和減少由于瓦斯而引起的礦難事故。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 瓦斯爆炸事故伴隨著煤炭開采一直存在，世界各國投入大量人力、物力、財(cái)力對(duì)瓦斯爆炸傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷攀新和發(fā)展，瓦斯爆炸的原因、過程及其影響因素等方面的規(guī)律逐漸被認(rèn)識(shí)，近 20 年來，經(jīng)過幾代工程技術(shù)人員的艱苦奮斗，取得了一大批科研成果。 國外一些工業(yè)化發(fā)達(dá)的國家對(duì)瓦斯爆炸研究較早，如美國、波蘭、德國、日本、俄羅斯等對(duì)國家較早對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故進(jìn)行過試驗(yàn)研究，集中體現(xiàn)在可燃?xì)怏w和空氣混合后的爆炸、傳播特性方面的研究。美國國家職業(yè)與健康研究所匹茲堡研究中心（ NIOSH）、雷克萊恩（ Lake,Lynn）實(shí)驗(yàn)礦井，澳大利亞的 London Dare 安全研究中心，以及歐洲 的一些研究機(jī)構(gòu)相繼建立了可燃?xì)怏w和粉塵爆炸試驗(yàn)管道，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 我國從 1981 年開始，把瓦斯、煤塵爆炸阻隔爆方法這一計(jì)劃列為全國煤礦安全領(lǐng)域中的重點(diǎn)項(xiàng)目。煤科總院撫順分院、中科院力學(xué)所、北京理工大學(xué)爆炸災(zāi)害預(yù)防與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國礦業(yè)大學(xué)瓦斯煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)室、南京理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院爆炸實(shí)驗(yàn)室也相應(yīng)建立了氣體和粉塵爆炸試驗(yàn)管道，通過理論分析和試驗(yàn)研究，取得了一些成果，研究成果大多數(shù)集中在管內(nèi)氣體爆炸傳播特性及影響因素方面。 國內(nèi)外研究發(fā)展趨勢 1) 安全檢測設(shè)備生產(chǎn)正規(guī)化 由于 電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳，所以絕大多數(shù)傳感器的輸出是以電量的形式，如電壓、電流、電阻、電感等，也有利用壓縮空氣的壓力大小傳送信息的，這種方法在抗電磁干擾和防爆安全方面比電傳送要優(yōu)越，但氣源和管路上的投資較大，而且傳送速度較低。 用于瓦斯綜合治理和災(zāi)害預(yù)測的甲烷傳感器，一直存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差和調(diào)校期頻繁的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯的支持檢測。 研制新型傳感器時(shí)應(yīng)高起點(diǎn)、高智能化，應(yīng)充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)，做到自診斷、自校正、自調(diào)零、配置標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)傳接口，統(tǒng)一傳感器的輸出信號(hào)制以提高傳輸?shù)目煽啃浴?shù)據(jù)出來的簡單性和傳感 器的互換性。 在注重其各項(xiàng)功能的同時(shí)，更注意現(xiàn)場環(huán)境及其應(yīng)用對(duì)象，盡量做到生產(chǎn)出的設(shè)備是面向?qū)ο蟮模毫硪环矫?，因使用煤礦檢河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 1 文獻(xiàn)綜述 4 測設(shè)備的人員大部分是平均專業(yè)文化層次稍低的礦工，故設(shè)備的人機(jī)接口需盡可能簡單，盡量達(dá)到測取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，得到結(jié)果集成的“傻瓜式”的設(shè)備上。 2） 生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化，管理環(huán)節(jié)信息化 目前，我 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品主要是監(jiān)測環(huán)境安全參數(shù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警或斷電控制，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控限于對(duì)設(shè)備的開 /停狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，與煤炭生產(chǎn)全過程實(shí)行監(jiān)測監(jiān)控差距還較大。 當(dāng) 前， 我國煤礦開采正在向高產(chǎn)高效和集約化方向發(fā)展， 全礦井的生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化技術(shù)在一些現(xiàn)代化礦井得到越來越多的應(yīng)用，使礦井在“采、掘、運(yùn)、風(fēng)、水、電、安全”等生產(chǎn)環(huán)節(jié)和管理環(huán)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化與管理信息化。，煤礦安全檢測技術(shù)、理論將會(huì)更加成熟，更先進(jìn)、更實(shí)用的檢測設(shè)備將會(huì)被開發(fā)出來。 3） 實(shí)現(xiàn)全面化的網(wǎng)絡(luò)管理 除了在硬件上和檢測理論上的進(jìn)步外，在軟件上也應(yīng)有較大的發(fā)展。 雖然現(xiàn)在許多礦建立了局部的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了本礦井的資源共享，但大多還處于一礦一系統(tǒng)，與外界幾乎沒有聯(lián)系，其功能和任務(wù)也極其簡單。今后的發(fā)展趨勢是各生產(chǎn)礦井與礦務(wù)局、各礦務(wù)局與本 省乃至全國煤礦系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一完整、功能先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)更大范圍的煤礦資源信息共享 ，簡化礦井安全管理工作，保證礦井的安全生產(chǎn)。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 5 2 總體設(shè)計(jì)方案 礦井瓦斯?jié)舛妊芯糠桨冈O(shè)計(jì) 為保證井下工人安全，防止發(fā)生瓦斯爆炸，設(shè)計(jì)一套礦井瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。綜合運(yùn)用瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)檢測方法、信號(hào)采集與傳輸原理、 8031 單片機(jī)及其外圍設(shè)備設(shè)計(jì)礦井瓦斯實(shí)時(shí)檢測報(bào)警系統(tǒng)，若礦井中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定濃度時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。 在本設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇正確的瓦斯?jié)舛葴y量方法，合理的選擇測量傳感器及其測量電路，基于 8031 單片機(jī)的實(shí)時(shí)檢測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) ， 繪制信號(hào)采集、處理及單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖 。 礦井瓦斯?jié)舛葯z測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容 1） 進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，首先根據(jù)現(xiàn)場的特殊要求分析設(shè)計(jì)任務(wù)，確定現(xiàn)場的要求；其次根據(jù)現(xiàn)場要求，選擇適用于防爆性和高安全性的工業(yè)現(xiàn)場需求的瓦斯氣體濃度測量方法和檢測報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；然后選擇合適的測量傳感器，并確定測量系統(tǒng)主芯片和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 2） 設(shè)計(jì)測量傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換為適應(yīng)后續(xù)測量電路要求的電信號(hào)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路，繪制電路圖； 3） 設(shè)計(jì)基于 8031 單片機(jī)的實(shí)時(shí)瓦 斯?jié)舛缺O(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)：監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的主芯片采用 8031 微處理器，系統(tǒng)中應(yīng)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、地址鎖存器、數(shù)據(jù)鎖存器、看門狗、 A∕ D 轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)、數(shù)據(jù)輸出芯片（ RS232 或 485）、擴(kuò)展接口、LED顯示系統(tǒng)等，繪制各單元電路圖和總的電路圖； 礦井瓦斯?jié)舛妊芯肯到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機(jī)、 LED 顯示器、電源電路以及聲光報(bào)警模塊等部分組成，其原理框圖如圖 所示。采用單片機(jī)8031 構(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)氣體傳感器及測量的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì) CH4的成分識(shí)別和濃度測量。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 6 圖 1 礦井瓦斯?jié)舛葯z測報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 l) 氣體傳感器 :能感知環(huán)境中甲烷氣體及其濃度的一種敏感元件，它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 2） A∕ D 轉(zhuǎn)換器 ：將測量轉(zhuǎn)換后的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由傳輸設(shè)備傳給單片機(jī)進(jìn)行處理； 3） 單片機(jī)系統(tǒng)：將測量轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，輸出控制信號(hào)控制外圍設(shè)備工作； 4) 顯示單元 :根據(jù)測量信號(hào)，由單片機(jī)將待顯示數(shù)據(jù)按相應(yīng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 給顯示處理模塊顯示于儀表； 5) 聲光報(bào)警單元 :當(dāng)監(jiān)測氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警； 6） 電源單元：為單片機(jī)和傳感器等設(shè)備提供 5V電壓。 儀器設(shè)備的基本選型 測量傳感器的選擇 由于檢測的對(duì)象是氣體，所以選擇氣體傳感器。氣體傳感器是煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，按其工作原理不同有以下幾種分類： 1） 紅外線式 紅外線式是利用瓦斯的氣體分子能吸收一定波長的紅外線來檢測瓦斯?jié)舛鹊?。它的?yōu)點(diǎn)是精度高、選擇性好、不受其它氣體的影響，不但測量范圍大而且還可以連續(xù)檢測；缺點(diǎn)是儀器的 制造和保養(yǎng)困難，體積大，成本高，功率大，因此廣泛使用會(huì)受到一定的限制。 2） 光干涉式 光干涉式是利用光波對(duì)空氣和瓦斯氣體的折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同瓦斯?jié)舛鹊臋z測。它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，不但耐用而且還容易校瓦斯氣體 測量傳感器 轉(zhuǎn)換電路 A∕ D 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) 看門狗 輸出 存儲(chǔ) 計(jì)算 顯示 電源 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 7 正；缺點(diǎn)是不能直觀的顯示瓦斯?jié)舛戎?，容易受氣壓和溫度的影響，制造和維修成本較高、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測比較困難。 3) 聲速差式 在溫度為 22℃、氣壓為 101325Pa 條件下，聲波在瓦斯中的傳播速度為 432m/s，而在清潔空氣中為 3m/s。通過這一特點(diǎn)來比較這兩種速度就可檢測出高濃度 瓦斯。它的優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不但不受氣壓影響，而且還對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感；缺點(diǎn)是很難測出低濃度的瓦斯氣體，一般只用來檢測礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛取? 4) 氣敏半導(dǎo)體式 氣敏半導(dǎo)體的種類較多，例如氧化鋅、氧化錫等燒結(jié)型金屬氧化物。其原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到 200℃時(shí)，它表面能夠吸附瓦斯氣體而改變其電阻值來檢測瓦斯?jié)舛鹊摹Ｆ鋬?yōu)點(diǎn)是對(duì)微量瓦斯比較敏感，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但當(dāng)濃度較高時(shí)，反應(yīng)就會(huì)變慢，選擇性和線性也會(huì)變差。 5) 熱導(dǎo)式 熱導(dǎo)式是利用瓦斯與空氣熱導(dǎo)率之差來實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測。它的 優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測，讀數(shù)穩(wěn)定，器件壽命長；缺點(diǎn)是瓦斯?jié)舛容^低時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫影響比較大。 6) 熱催化式 熱催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來檢測瓦斯?jié)舛鹊?。它的?yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，儀器的結(jié)構(gòu)簡單，受溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測；缺點(diǎn)是元件的壽命較短。 在選用合適的傳感器時(shí)，要考慮被測量的特點(diǎn)以及所選傳感器的使用條件，例如傳感器量程的大??；傳感器的體積要適用被測位置；是采用接觸式還是非接觸式；傳感器的來源 ，國產(chǎn)還是進(jìn)口，還是自行研制，價(jià)格能否承受等。綜上分析， 本設(shè)計(jì)決定采用 MQ4氣敏半導(dǎo)體傳感器 。它的優(yōu)點(diǎn)是在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度 。對(duì)甲烷的靈敏度高 ?？杀O(jiān)測多種可燃性氣體，壽命長成本低 。簡單的驅(qū)動(dòng)電路即可。 MQ4 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖所示，由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成，然后將其固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，制作好的檢測元件有 6只引腳，其中的 4個(gè)用于信號(hào)取出，剩余 2個(gè)用于提供加熱電流 。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 8 結(jié)構(gòu) 外形 圖 2 MQ4 結(jié)構(gòu)和外形 表 1 MQ4標(biāo)準(zhǔn)的工作條件 Table 1 MQ4Standard working conditions 表 2 MQ4的環(huán)境條件 Table 2 MQ 4 environmental conditions 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 15V Ac or Dc VH 加熱電壓 177。 Ac or Dc RL 負(fù)載電阻 可調(diào) RH 加熱電阻 31Ω177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mw 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Tao 使用溫度 10℃ 50℃ Tas 儲(chǔ)存溫度 20℃ 70℃ RH 相對(duì)濕度 小于 95%RH O2 氧氣濃度 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件 ) 氧氣濃度會(huì)影響靈敏度 最小值大于 2% 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 9 表 3 MQ4的靈敏度特性 Table 3 The sensitivity of MQ 4 features 表 4 甲烷 濃度 測試計(jì)算 Table 4 methane concentration test calculation 濃度（ ppm） 計(jì)算值 100 500 800 1000 2021 3000 5000 10000 Rs/R0 Rs(k) VRSRLRLV 50 ??? 顯示讀數(shù) = 25550?V 132 148 162 168 180 187 234 253 由于 Ro— 敏感體電阻 ， R0是指元件在潔凈空氣中的電阻值，所以一旦確定就不變； Rs是指元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值，是由濃度確定的；由于傳感器測得的是以甲烷氣體為例，所以要在不同氣體濃度下調(diào)整傳感器的調(diào)整電阻 RL； RL的求取有可測的 V0和 RS來取的； VRSRLRLV 50 ??? (1) 其 ： RL＝ 5KΩ (2) Ro= (3) Ro 表示傳感器在 1000ppm 氫氣中的電阻值圖中所有測試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的 。 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 10 ?K — 60 ?K （ 5000ppmCH4） 適用范圍： 300— 10000ppm 甲烷，天然氣 а(1000ppm/5000ppmCH4) 濃度斜率 ≤ 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度 ： 20℃177。 2℃ Vc:177。 相對(duì)濕度： 65%177。 5% Vh:177。 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24小時(shí) 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)