【正文】 這一性質(zhì)，針對(duì) CH4氣體設(shè)計(jì)適 當(dāng)?shù)墓饴废到y(tǒng)，把 CH4氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換成光的干涉條紋的位置變化。具體地 說，就是采用一個(gè)光源，經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計(jì)，使其分解為兩列光波，一路通過 標(biāo)準(zhǔn)空氣竄，另一路穿過采樣氣室后在某處相遇，此時(shí)由于滿足光的相干條件， 從而產(chǎn)生丁涉條紋。把兩氣竄都充有空氣時(shí)的干涉條紋作為初始位置 ，當(dāng) CH4氣 體充入采樣竄后，由于光程差的結(jié)果，干涉條紋會(huì)相對(duì)于原位置移動(dòng)一段距離， 并且這個(gè)距離將隨 CH4氣體濃度的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此只要測(cè)量該位移 量，就可以獲得 CH4在空氣中的含量。該測(cè)量儀測(cè)量范圍大，使用壽命長，但儀 器設(shè)備大，價(jià)格高，測(cè)量不直觀，而且無法與監(jiān)控系統(tǒng)連接，因此在煤礦中的使 用量逐年減少。在這二種氣體監(jiān)測(cè)儀表中，載體催化燃燒方式監(jiān)測(cè)可燃?xì)鉂舛鹊? 方法岡其線性和穩(wěn)定性較好，以爆炸下限百分體積濃度為單位的濃度標(biāo)度方法能 統(tǒng)一衡量各種可燃?xì)鉂舛人尸F(xiàn)的爆炸危險(xiǎn)度，且量程符合工業(yè)要求 ，故被較多 的用于爆炸危險(xiǎn)場所可燃性氣體的測(cè)量。該監(jiān)測(cè)方式使用催化載體型氣體傳感器 作濃度的榆知器，該元件由鉑絲上燒結(jié)一層陶瓷載體 (如 Al。 0。 )后再涂覆催化活性 物 (Rh， Pd等 )構(gòu)成。當(dāng) Pt 絲中通以工作電流使之達(dá)到臨界反應(yīng)溫度 (320350。 C) 時(shí)，可燃?xì)庠谠砻娲呋紵?Pt絲電阻增加” 1，在完全燃燒且熱輻射可忽略 時(shí)，電阻增量△ R．與可燃?xì)鉂舛?C成正比，即有 江蘇大學(xué)碩177。學(xué)位論文 ARe=tt*a*C+Q／ C,k,c， (缸 =口’ a‘ Q／ CP) (1． 1) 口． a， Q， c。分別為 Pt電阻溫度系數(shù)、催化劑性能常數(shù)、可燃?xì)馊紵裏?、元件? 容，故 k，是僅與元件及可燃?xì)夥N類有關(guān)的常數(shù)。將△ R，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過這一 阻值變化，轉(zhuǎn)換為電壓變化，從而通過 A／ D轉(zhuǎn)換可得到被測(cè)氣體的濃度值。 1． 2煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 伴隨氣體傳感器的發(fā)展，氣體監(jiān)測(cè)儀器不斷更新。其類型根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象可分 為可燃性氣體監(jiān)測(cè)儀、毒性氣體監(jiān)測(cè)儀和氧氣監(jiān)測(cè)儀等；從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分 為袖珍式、便攜式和同定式。袖珍式儀器的采樣方法為擴(kuò)散式，用于在危險(xiǎn)環(huán)境 中的丁作人員隨身攜帶：便攜式儀器用象吸式采樣，用于監(jiān)測(cè)人員定 期安檢：固 定式儀器用于煤礦升下同定地點(diǎn)氣體監(jiān)測(cè)。 世界再國也均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，如波蘭的 DAN6400、法國的 TF200、 德國的 MINOS和英國的 Senturion一 200等，其中全礦井綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)有代表 性的產(chǎn)品有美國 MS^公司生產(chǎn)的系統(tǒng)，德國 BEBRO公司的 PROldOS系統(tǒng)。但是這 兩種系統(tǒng)只足基于井下監(jiān)測(cè)，并無數(shù)據(jù)上傳，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。 我國監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)麻用較晚， 80年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國 等引進(jìn)了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，裝備了部分煤礦；在引進(jìn)的同時(shí)，通過消化、吸收 并 結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內(nèi)知名煤 礦科學(xué)研究所研制出 KJ KJ KJ KJIO、 KJl KJl KJ3 KJ6 KJ7 KJ80、 KJ9 KJ9 KJl01等煤礦有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在我國煤礦已有大量使用， 但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受 礦弗下強(qiáng)電磁設(shè)備 T擾，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象。 1． 3本課題的研究意義 我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能 源的國家之一。雖然 通過煤炭生產(chǎn)、加‘ T和利用等各個(gè)環(huán)節(jié)，提供了相當(dāng)多的就 業(yè)機(jī)會(huì)，但每個(gè)環(huán)節(jié)卻同時(shí)帶來了環(huán)境污染、安全等一系列的問題。其中之一便 是有害氣體影響，包括 CH4， CO， SO。等。后兩種氣體含量少， RSOz易溶于水，經(jīng)煤 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 礦開采時(shí)的噴水處理后變成酸。但是 CH4氣體含量多，且?guī)缀醪蝗苡谒?，屬于? 燃易爆氣體，發(fā)生爆炸事極易造成人身傷害。因此，認(rèn)識(shí)并研制監(jiān)測(cè)這種氣體的 新型系統(tǒng)，顯得非常霞要。 瓦斯 (CH4)是在成煤過程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，是煤礦井下 危害最大的氣體。瓦斯是一種無 色、無味的氣體，密度為 0． 7167kg／ m3，對(duì)人體 的危害是超限時(shí)能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特點(diǎn)，因此煤礦對(duì)瓦斯的 治理麻非常重視。瓦斯的災(zāi)害主要表現(xiàn)為四個(gè)方面。第一、瓦斯?jié)舛冗^高，對(duì)工 人身體健康的影響表現(xiàn)為缺氧，呼吸困難，窒息等。第二，瓦斯煤塵爆炸，瓦斯 爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群傷，而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì) 參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦井，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造 成巨大損失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影響著工人的人身安全。第四、大 量的瓦斯從通風(fēng)井排入大氣， 污染大氣環(huán)境。 我國煤礦的瓦斯災(zāi)害是比較嚴(yán)蘑的，瓦斯災(zāi)害始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵， 日前已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要矛盾。因此，研制先進(jìn)適用的煤礦氣體監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)對(duì)煤礦丁業(yè)安全生產(chǎn)，減少事故發(fā)生和生命財(cái)產(chǎn)損失有重要意義，市場應(yīng)用 前景十分廣闊。 1． 4本課題的主要工作內(nèi)容 目前國內(nèi)有一些用于煤礦中 CH4氣體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是很少有能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳 做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文針對(duì)煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，閱讀了大量文獻(xiàn) 及資料，研發(fā)了煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．主要 T作包括： I)甲烷氣體傳感器的選用及實(shí)驗(yàn) 2)單片機(jī)的 選用 3)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 4)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 5)通訊方式及通訊協(xié)議設(shè)計(jì) 6)終端數(shù)據(jù)采集及顯示軟件的設(shè)計(jì) 7)系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、分析 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊要求及設(shè)計(jì)原理 本課題的研究日標(biāo)，是設(shè)計(jì)一種能夠有效監(jiān)測(cè)煤礦瓦斯氣體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并 可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳壘地面監(jiān)控電腦，實(shí)施控制。為此，應(yīng)根據(jù)煤礦工作環(huán)境及 煤礦巷道中氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的特殊要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2． 1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 2． 1． 1技術(shù)指標(biāo)要求 本課題對(duì)煤礦氣體監(jiān)測(cè)儀表及其所用氣體傳感器在技術(shù)指標(biāo) 上的要求如下 1)麻用環(huán)境：煤礦氣體監(jiān)測(cè) 2)監(jiān)測(cè)對(duì)象：監(jiān)測(cè)甲烷氣體 3)測(cè)量范同：甲烷 0一 lo％ 4)靈敏度： 0． oi％ 5)響麻時(shí)間：≤ 30s 6)功耗：≤ lOOmW 7)環(huán)境 T作溫度范圍： 20 一 +70C 8)環(huán)境 T作濕度范圍： 95％ RH 2． 1． 2隔爆儀表設(shè)計(jì)要求 煤礦井下 T作環(huán)境特殊，空間狹窄，濕度大，有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所 以，煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別。這就對(duì)煤礦電器有特殊要求，如體積要 小，易于搬運(yùn)，堅(jiān)同，防潮防水，防爆。屬于煤礦安全標(biāo)志管理目錄內(nèi)的礦用產(chǎn) 品麻有安全標(biāo) 志” .，電氣設(shè)備必須符合防爆要求，應(yīng)有接地、過流、漏電保護(hù)裝 置。 隔爆型儀表的主要特點(diǎn)是有一個(gè)可靠的隔爆外殼，它將把可能產(chǎn)生火花和危 險(xiǎn)溫度的儀表傳感器、電阻電路及接線端子等，都放在隔爆外殼里，達(dá)到外殼內(nèi) 可能發(fā)生的爆炸小影響周圍易燃易爆物質(zhì)，它的設(shè)計(jì)方法與隔爆型電器和電機(jī)基 本相類似。如外殼的再配合面 (隔爆面 )的間隙大小和長度要符合 GB3836． 2標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 定要求，另一方面外殼要有一定的機(jī)械強(qiáng)度，須達(dá)到外殼內(nèi)部爆炸參考?jí)毫Φ?1． 5 倍壓力小損土 1：年 I J變形等。隔爆型儀表設(shè)計(jì) 須注意如下幾個(gè)方面： (I)確定合理的外殼結(jié)構(gòu) 根據(jù)儀表的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)與原結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的外殼，達(dá)到既不損害儀表原來 使用特征又經(jīng)濟(jì)合理的外殼：外殼腔內(nèi)有細(xì)長通道，避免腔內(nèi)發(fā)生壓力重疊現(xiàn)象； 外殼的材質(zhì)采用新型的 T程塑料和優(yōu)質(zhì)輕合金，結(jié)構(gòu)輕巧。 (2)接線盒結(jié)構(gòu) 隔爆型儀表設(shè)計(jì)帶有接線盒的隔爆外殼，且接線盒的防爆類型為隔爆型。由 于隔爆犁儀表具有低電壓、小電流特點(diǎn)，隔爆型儀表的主腔和接線盒貫通部分， 可以盡量采取橡膠密封結(jié)構(gòu)，使隔爆型儀表結(jié)構(gòu)簡單，加丁方便。 (3)指示表結(jié)構(gòu) 為了使井下下作人員及時(shí)地了 解瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，隔爆型儀表帶有指示表。指 示表設(shè)計(jì)在儀表的主腔窀，透明窗面積不大于 100mm2，透明玻璃厚度大于 8mm， 與外殼密封采用橡膠密封措施。 2． I． 3系統(tǒng)的功能 在奉項(xiàng)目中，煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是能夠監(jiān)測(cè) CH4，同時(shí)本著方便應(yīng)用 的原則，還麻具備聲光報(bào)警、人機(jī)界面操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及與 Pc 機(jī)通訊等功能。 基于這些要求，儀表應(yīng)由敏感探頭、 A／ D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、顯示器、 按鍵面板及報(bào)警模塊、通訊模塊等組成。由于在標(biāo)定和更新系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)候，需 要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這就需要擴(kuò)展儀表外設(shè)功能模塊 ，采用串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 遠(yuǎn)傳。 2． 2設(shè)計(jì)原理 奉項(xiàng)日采用合作單位鎮(zhèn)江中煤電子有限公司研發(fā)的 CH4氣體傳感器，研制無火 焰燃燒式 CH4氣體傳感器戍用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì) CH4的識(shí)別，濃度的測(cè)量、是否達(dá)到報(bào) 警閾值的判斷以及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 2． 2． 1氣體傳感器的選擇 本文在實(shí)驗(yàn)階段，采用 7只 CH4氣體傳感器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。其催化元件是采 用一種全新高活性的納米級(jí)過渡金屬合金低溫反應(yīng)催化劑作為新的敏感元件，取 代傳統(tǒng)的瓦斯燃燒催化劑。這種新的合金催化劑不僅對(duì)瓦斯催化反應(yīng)的活性極 高，臨界反席溫度 低，而且具有良好的催化選擇性，有利于提高報(bào)警器的靈敏性 和準(zhǔn)確性。同時(shí)岡反慮可在較低溫度進(jìn)行，催化劑性能穩(wěn)定，因而大大延長了催 化劑的使用壽命。 這種敏感元件的外觀圖見圖 2． 2． 1，其具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、 反麻速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長等特點(diǎn)。適用于煤礦 井下作業(yè)環(huán)境測(cè)量空氣中的甲烷氣體濃度。 田 2． z， l元件井觀圖 3 (單位： m) 1．元件使用環(huán)境條件： 溫度：一 20℃～ +70℃ 濕度： (95％ RH 風(fēng)速： (8m／ s 大氣壓力： 80116 KPa 2．零 點(diǎn)輸出 V。 OmV一 +20mY(V。：空氣中的輸出電壓 ) 3．靈敏度 M2mY (M：靈敏度 ) 4．傳感器對(duì)多種可燃?xì)怏w的敏感特性 圖 2． 2． 2表示 CH4氣體敏感元件對(duì)各種氣體的反應(yīng)關(guān)系，從圖上我們可以看出敏 7 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 感元件輸出電壓與對(duì)各種氣體濃度之間具有較好的線性關(guān)系。 氫 T烷 丙烷歷乏甲烷 歹／ 0 0． 59 I． 0％ 1．戰(zhàn) 2．嘣 2．嘣 圈 2． 2． 2輸出 vo在不同氣體及濃度下的變化曲線 5．溫濕度的影響 1)恒定濕熱試驗(yàn)： 40C， 95％ RH， 96小時(shí) (見圖 2． 2． 4)。 Y軸表示 vo的輸出電壓 值。 。薹 ．． 12 塞 1； ； ?！? 震 l f t 、 — ‘、● 9． _d— ●“ +Hp_。 20ain,80Mir,4h 24h 48h ∞ h 圈 2,2． 3恒定濕熱實(shí)驗(yàn)圖 B 5 4 3 2 1 0 管》 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 ※代表傳感器輸出山現(xiàn)振幅在 0— 2． 5V之刪的振蕩波型，見圖 2． 2． 5 0 04 ； l (， X’刪／ 用 2． 2． 440C傳感器震蕩曲線圖 6．高濃度甲烷實(shí)驗(yàn) 將 O一 7傳感器置于 10％的甲烷環(huán)境中 2小時(shí)，放氣前后的數(shù)據(jù)狀態(tài) 。 表 22 高濃甲烷實(shí)驗(yàn)放氣前后的數(shù)據(jù) O撐 1 2 3 4}} 5群甜體單位 空氣 9 10 9 7 3 8 8 5 mV 0． 6％ CH4 16 18 17 15 13 19 20 14 mV 10． 62％ CH4 5． 16 5． 18 5． 13 4． 98 4． 82 5． 13 5． 1l 5． 02 V 10％ CH4(5小時(shí)后 ) 5． 0l 5． 02 5． 00 5． 00 4． 78 5． 03 5． 02 4． 98 V 7．穩(wěn)定性 1)初始穩(wěn)定性 a．在空氣中的初始穩(wěn)定性： 貯存一周到一年的元件初始零點(diǎn)輸出可 能不為零，只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn) 定十分鐘后輸出零點(diǎn)將歸零； b．在氣體中的穩(wěn)定性： 貯存～周到一年的元件剛開始 T作時(shí)靈敏度可能達(dá)不到最佳點(diǎn)，只需在工作 9 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 點(diǎn)電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復(fù)原 2)長期穩(wěn)定性 25 20 奄 15 蚤 10 蔣： 5 0 2． 2． 2單片機(jī)型號(hào)的選擇 時(shí)問 (年 ) 圈 2 2． 5長期穩(wěn)定性 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低 等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電 器以及嘲絡(luò)技 術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用。從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度 大大提高。正岡為如此國內(nèi)外多家電子生產(chǎn)廠商把目光投向了單片機(jī)的生產(chǎn)，其 中最為著名的當(dāng)數(shù) INTEL公司生產(chǎn)的 MCS51系列單片機(jī)。 單片機(jī)型號(hào)的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠