【正文】 的溫度條件下氧化燃燒，且在一定的濃度范圍內(nèi)，不同濃度的甲烷在燃燒過程中要釋放出熱量不同的特性，來(lái)達(dá)到測(cè)定甲烷濃度的目的在考慮上述問題之后我們選擇MQ5傳感器 圖 12 圖 MQ5氣敏元 結(jié)構(gòu) 形如圖 (結(jié)構(gòu) A或 B),由微型 AL2O3陶瓷管、 SnO2敏感層 ,測(cè)量電極 加熱器構(gòu)成 敏感元 固定 塑料或不銹鋼制成 腔體 ，加熱器氣敏元 提供 必 工作條 。 要進(jìn)行 — 個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種傳感器，而這需要分析多方面的因素之后才能確定。采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到％時(shí)，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理；電動(dòng)機(jī)或其開關(guān)地點(diǎn)附近20 米以內(nèi)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 ％ 時(shí)，必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理。 《煤礦安全規(guī)程》對(duì)井下各點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊囊?guī)定如下： 1）礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^ ％ ，礦總工程師必須立即查 明原因，進(jìn)行處理，并報(bào)告礦務(wù)局總工程師。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn) 是精度較高，輸出信號(hào)較大（ 1% CH4時(shí)，輸出電壓可達(dá) 20～25mv），且不受其它可燃?xì)夂突覊m存在的影響。 6） 紅外激光譜吸收原理傳感元件 紅外激光測(cè)試瓦斯含量選擇性能好，靈敏度高，其存在的技術(shù)問題是激光器電源電壓高，設(shè)備結(jié)構(gòu)和制造工藝比較復(fù)雜。但其敏感性不強(qiáng)，分辨率較差，只適用于高濃度瓦斯變化的檢測(cè)。其特點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，性能較穩(wěn)定及使用壽命長(zhǎng)，目前已成為國(guó)內(nèi)外檢測(cè)瓦斯的主要傳感元件，特別是我國(guó)和英、日、美諸國(guó)應(yīng)用尤為廣泛。 煤礦監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛茸兓膫鞲性饕幸韵聨追N類型： 1） 純鉑絲傳感元件 純鉑絲傳感元件具有對(duì)沼氣濃度變化反應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)外，還具有耐氧化、抗毒性能 9 好的優(yōu)點(diǎn)。比較這兩種速度就可測(cè)定高濃度瓦斯。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到 200℃時(shí)，其表面能夠吸附瓦斯而改變其電阻值來(lái)檢測(cè)瓦斯?jié)舛取Ｆ淙秉c(diǎn)是測(cè)量低濃度瓦斯時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫及背景氣體的影響較大。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度瓦斯，硫化氫及硅蒸氣會(huì)引起元件中毒而失效。 (1)光干涉式 光干涉式是利用光波對(duì)空氣和瓦斯折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定。該傳感器可以有效的監(jiān)測(cè)井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛。當(dāng)送給放大開關(guān)線路的電參量超過其動(dòng)作閥值時(shí)，則放大開關(guān)線路動(dòng)作驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通報(bào)警電路。因此，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定的參考價(jià)值。袖珍式儀器的采樣方法為擴(kuò)散式，用于在危險(xiǎn)環(huán)境中的工作人員隨身攜帶；便攜式儀器采樣方法為泵吸式，用于監(jiān)測(cè)人員定期安檢；固定式儀器用于煤礦井下固定地點(diǎn)氣體監(jiān)測(cè)。 綜上所述，開發(fā)研制適用于中小型煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)迫在眉睫，而根據(jù)我國(guó)煤礦生產(chǎn)和管理模式，依照我國(guó)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)的先進(jìn)性、產(chǎn)品的可靠性和實(shí)用性則是本項(xiàng)目的關(guān)鍵所在。山西省煤炭系統(tǒng) 2020 年底累計(jì)安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng) 3868 套。 國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)理論上講高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過高不適于國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術(shù)方面可供 借鑒外，其它僅具一定 參考價(jià)值。 關(guān)鍵字 瓦斯監(jiān)測(cè) 傳感 器 單片機(jī) 聲光報(bào)警 A/D 轉(zhuǎn)換電路 組態(tài)控制 3 本課題的研究背景和意義 從我國(guó)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍是支持我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源，煤炭生產(chǎn)，作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱，其地位將是長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的，但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂觀，中小型 煤礦的情況尤為嚴(yán)重，已經(jīng)直接威脅到整個(gè)煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，作為“萬(wàn)惡之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。 煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是目前為止實(shí)際通風(fēng)甲烷管理工作中最重要和最有效的自動(dòng)化手段，已經(jīng)裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的甲烷事故發(fā)生率大為下降，實(shí)踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)率，提高煤礦自動(dòng)化程度以及促進(jìn)煤礦管理現(xiàn)代化水平，都有著舉足輕重 的作用 在文章里，我針對(duì)瓦斯的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出同時(shí)監(jiān)測(cè)高低濃度的瓦斯系統(tǒng)，全天候不間斷的對(duì)井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了防止事故發(fā)生，保障礦工的健康和安全，促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)對(duì)井下的氣象進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)可能造成災(zāi)害事故的各種有的害氣體及礦塵進(jìn)行及時(shí)而準(zhǔn)確的檢測(cè)和嚴(yán)格控制，一旦發(fā) 生災(zāi)變，必須及時(shí)救護(hù)遇難人員和處理事故。 1 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 課題：煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng) 2 摘 要 能源工業(yè)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。 然而，中國(guó)煤炭行業(yè)的安全形勢(shì)卻不容樂觀，尤其是重、特大上網(wǎng)那個(gè)事故屢見報(bào)端。同時(shí)采用聲光報(bào)警系統(tǒng)，一旦瓦斯超標(biāo)，系統(tǒng)立即提醒正在井下作業(yè)的工人緊急撤離，避免人員傷亡，并且還運(yùn)用紅外遙控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在去年又接連發(fā)生了多起甲烷爆炸事故，事故的結(jié)果觸目 驚心，因此通過強(qiáng)化甲烷管理，提高通風(fēng)、甲烷檢測(cè)監(jiān)控水平，已成為中小型煤礦甲烷檢測(cè)監(jiān)控的最迫切的任務(wù)之一。 4 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。目前，該省國(guó)有重點(diǎn)煤礦 121 座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，并全部聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在線運(yùn)行率達(dá) 100%。 沼氣 (甲烷 CH4 的俗稱 )礦井在我國(guó)煤礦生產(chǎn)礦井中所占比重很大，隨著礦井開采強(qiáng)度和深度的增加，沼氣涌出量也在不斷增加，沼氣積聚可能引起沼氣事故，及時(shí)掌握煤礦井下沼氣動(dòng)態(tài)是一件十分重要的工作。 世界各國(guó)均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，如波蘭的 DAN6400、法國(guó)的 TF200、德國(guó)的MINOS和英國(guó)的 Senturion200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(guó)公司生產(chǎn)的 MSN系統(tǒng)，德國(guó) BEBRO公司的 PROMOS系統(tǒng)。 我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚， 8年代初，從波蘭、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和美國(guó)等引進(jìn) 5 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(guó)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(guó)內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所研制出KJ KJ KJ KJ KJ1 KJ1 KJ3 KJ6 KJ7 KJ80、 KJ9 KJ9 KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在我國(guó)煤礦己有大量使用，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，易受礦井下強(qiáng)電磁設(shè)備干擾，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。該方案有一定的靈活性和可執(zhí)性，但是電路比較復(fù)雜，智能性差。監(jiān)測(cè)到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)出指令，如果瓦斯超過規(guī)定值，該系統(tǒng)可以立即發(fā)出聲光報(bào)警并自動(dòng)發(fā)出執(zhí)行指令以降低瓦斯?jié)舛?。其?yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，堅(jiān)固耐用，校正容易，高低濃度均可測(cè)量，還可測(cè)量二氧化碳濃度；其缺點(diǎn)是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴(yán)重；光學(xué)零件加工復(fù)雜，成本較高和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)較困難。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)瓦斯的儀器廣泛采用這一原理。 (4)紅外線式 紅外線式是利 用瓦斯分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)測(cè)定瓦斯?jié)舛?。其?yōu)點(diǎn)是對(duì)微量瓦斯比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。其優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不受氣壓影響，對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感，其缺點(diǎn)是不適合測(cè)量低濃度瓦斯，一般只用來(lái)檢測(cè)礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛?。但是，鉑絲元件在還原性介質(zhì)中連續(xù)工作時(shí)，尤其在高溫條件下工作，很容易被還原出來(lái)的氣體所污染，使鉑絲變細(xì)和變脆，從而，影響元件電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，引起儀器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移和精度降低，同時(shí)，也會(huì)大大降低元件使用壽命。 3） 熱導(dǎo)式傳感元件 此類傳感元件不適于低濃度瓦斯的檢測(cè)。 5） 氣敏半導(dǎo)體傳感元件 氣敏半導(dǎo)體傳感元件由某些金屬氧化物制成。 我國(guó)目前的瓦斯檢測(cè)裝置幾乎全部采用熱催化原理檢測(cè)瓦斯。 由于在實(shí)際煤礦井下工作中，應(yīng)用比較普遍的是載體催化燃燒式檢測(cè)儀器。 2）采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^ 1%時(shí)，必須停止工作，撤出人員，并由礦總工程師負(fù)責(zé)采取措施，進(jìn)行處理。 5）采掘工作面內(nèi)，體積大于 立方米的空間，局部積聚瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 2%時(shí)，附近 20 米內(nèi)，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題： 1)量程的大??； 2)被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求； 3)測(cè)量方式為接觸 式還是非接觸式； 4)信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量； 5)傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，還是自行研制，價(jià)格能否承受。封裝好 氣敏元 有 6只針狀管腳，其 4個(gè) 于信號(hào) 出， 2 個(gè) 于提供加熱電流設(shè)計(jì) MQ5 接線如圖 所示， 實(shí)際 測(cè)量 ，以按照其等效電路 計(jì)算相應(yīng) 校 數(shù)值，其 Ro 表示 測(cè)量氣體 腔體 等效電阻， RL 接 載電阻， 調(diào)整輸出 模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù) A/D轉(zhuǎn)換器 輸入范圍 確定輸入范圍 0～ 5V， RL 調(diào)整至該范圍，保證測(cè)量 量程足夠 。當(dāng)傳感器所處的環(huán)境中存在可燃?xì)?體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。圖 是傳感器典型的靈敏度特性曲線。其中 VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。為更好利用傳感器的性能，所以需要選擇恰當(dāng)?shù)?RL 值。 2℃ Vc:177。因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。同時(shí)已具有三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密的性能。其將通用的微處理器和 Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 “ 1” 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P1 口管腳寫入 “ 1” 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口 (10 腳～ 17 腳 )： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) TTL 門電流。 RST（ 9 腳 ） ：復(fù)位輸入。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP） 。其擴(kuò)展方法為根據(jù)需要在串行口上外接 1 個(gè)或多個(gè)移位寄存器。再將下一位數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，在 CLK 端產(chǎn)生下一上升沿，則下一位數(shù)據(jù)移至次低位 QB,其余位順次從低位到高位移動(dòng)，這種時(shí)序符合串行器件特性，即把 164 當(dāng)成一典型串行外設(shè)，可以用普通 I/O 口模擬其時(shí)序?qū)?shù)據(jù)移入。 20 結(jié)構(gòu) 外形 圖 31 MQ5的結(jié)構(gòu)和外形 其中 部件 材料 1 氣體敏感層 二氧化錫 2 電極 金 （ Au） 3 測(cè)量電極引線 鉑（ Pt） 4 加熱器 鎳鉻合金（ Ni— Cr） 5 陶瓷管 三氧化二鋁 6 防爆網(wǎng) 100目雙層不銹鋼 (SUB316) 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ Ni— Cu） 8 基座 膠木 9 針狀管腳 鍍鎳銅材（ Ni— Cu） MQ5標(biāo)準(zhǔn)工作條件 MQ5的標(biāo)準(zhǔn)工作條件見表 31： 表 31 MQ4的標(biāo)準(zhǔn)工作條件 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。具體的靈敏 度特性見表 33及圖 33 表 33 MQ5的靈敏度特性 22 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。 預(yù)熱時(shí)間 不少于 24 小時(shí) 圖 33 MQ5型氣敏元件的靈敏度特性 其中： 溫度為 20℃ 、 相對(duì)濕度為 65%、 氧氣濃度為 21% RL=20kΩ Rs是指 元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。在這里我們 用 5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。我們調(diào)節(jié) RL使顯示的瓦斯?jié)舛戎当M可能與實(shí)際相符合。 24 2 腳： STATUS，工作狀態(tài)輸出端。 4 腳： OR，超量程輸出端。 18 腳： LBEN ，低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端，低電平有效。低電平時(shí)轉(zhuǎn)換器 為直接輸出方式，此時(shí)可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)；高電平脈沖時(shí)轉(zhuǎn)換器處于 UART 方式，并在輸出兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后返回到直接輸出方式。 25 腳： BUFOUT，時(shí)鐘緩沖器輸出端。 2 40 腳： V、 V+，電源負(fù)與電源正端。 25 32 腳： INT，積分器輸出端，接積分電容 INTC 。 A/D 轉(zhuǎn)換部分電路 A/D 轉(zhuǎn)換部分電