【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 振動(dòng)等外部狀態(tài)變化及電源電壓、頻率等工作條件變化對(duì)示值的影響統(tǒng)稱為環(huán)境影響，用影響系數(shù)表示。這是因?yàn)閮x器在校準(zhǔn)時(shí)都規(guī)定有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作條件，但在實(shí)際使用該儀器時(shí)又很難達(dá)到這個(gè)要求。影響系數(shù)是用示值變化值與影響量變化值之比來(lái)表示。例如某壓力表的溫度影響系數(shù)為 2Pa/℃即溫度每變化 1℃，就會(huì)引起壓力表示值變化 2Pa。說(shuō)明儀器輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系的主要性能有:（1） 靈敏度靈敏度是指儀器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對(duì)輸入變化的比值，用 S表示，即S=dy/dx。它是儀器在穩(wěn)態(tài)下輸入輸出關(guān)系的靜特性曲線上各點(diǎn)的斜率。在線性特性的儀器中靈敏度 S是常數(shù)。在非線性特性的儀器中靈敏 S在整個(gè)量程內(nèi)不是常數(shù)。對(duì)特定的測(cè)量裝置來(lái)說(shuō)，其靈敏度的定義方法往往是不同的。例如，在接收機(jī)中，靈敏度定義為產(chǎn)生具有指定信噪比的輸出信號(hào)所需的最小輸入信號(hào)。而在頻率計(jì)中，它與頻率計(jì)的輸出示值之間沒(méi)有直接的關(guān)系。 （2）分辯率如果輸入量從某個(gè)任意非零值慢慢地變化，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)，在輸入變化值沒(méi)有超過(guò)某一數(shù)值之前，儀器示值是不會(huì)變化的，這個(gè)使示值變化的最小輸入變化值叫做儀器的分辯率，也應(yīng)該對(duì)示值的變化從量上規(guī)定一個(gè)數(shù)值。一般模擬式儀表的分辯率規(guī)定為最小刻度分格值的一半，數(shù)字式儀表的分辯率是最后一位數(shù)的數(shù)值。（3）線性度線性度用來(lái)說(shuō)明輸出量與輸入量的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度。無(wú)論是模擬式的儀表，還是數(shù)字式的儀表，都希望它們的特性是線性關(guān)系。這樣模擬式儀表的刻度就可以做成均勻的刻度，而數(shù)字式儀表就可以不必采用線性化環(huán)6節(jié)。（4）滯環(huán)滯環(huán)是指儀器正向特性和反向特性不一致的程度。這種現(xiàn)象是由于儀器元件吸收能量所引起的。例如機(jī)械儀表中有內(nèi)摩擦，電磁儀表中有磁滯損耗。 量程 B是指測(cè)量上限值與下限值之差，即儀表刻度盤上的上限值 Xmax減去下限值 Xmin，其表達(dá)式為 B=XmaxXmix。通常儀表的 Xmin=0，這時(shí)B=Xmax。但在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)儀表提供被測(cè)量信息的可靠程度并不相同，一般在儀表的上、下限值附近的測(cè)量誤差較大，故不宜在該區(qū)使用。這樣，更確切的量程概念應(yīng)定為:在工作量程內(nèi)的相對(duì)誤差應(yīng)該不超過(guò)某個(gè)設(shè)定值。 可靠性是指儀器對(duì)規(guī)定的條件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所要求功能的能力。儀器的可靠性可用平均無(wú)故障工作時(shí)間 MTBF來(lái)表征。它是儀器連續(xù)運(yùn)行時(shí)發(fā)生一次故障的時(shí)間間隔的平均值。假設(shè)某儀器在 90000小時(shí)的運(yùn)行中發(fā)生了 12次故障，則該儀器的 MTBF為 7500小時(shí)。 任何工業(yè)產(chǎn)品都要講究經(jīng)濟(jì)性。對(duì)生產(chǎn)者來(lái)講，以重金制造高質(zhì)量的產(chǎn)品是比較容易的。但是,如果生產(chǎn)出的儀器價(jià)格太高，使用者無(wú)力購(gòu)買，出就談不上發(fā)揮作用。對(duì)使用者來(lái)講總是希望有最少的錢買到一臺(tái)具有指定性能的儀器。所以,工程檢側(cè)儀器的經(jīng)濟(jì)性也是其重要的指標(biāo)之一。在實(shí)際工作中，對(duì)給定的測(cè)量任務(wù)只需達(dá)到規(guī)定的精度就行了，決不是精度愈高愈好，盲目地提高測(cè)量精度的做法，往往會(huì)帶來(lái)相反的效果，浪費(fèi)人力和財(cái)力,降低測(cè)量的可靠性。在工程檢測(cè)中,應(yīng)該根據(jù)測(cè)量的目的，全面考慮測(cè)量的可靠性、精度、經(jīng)濟(jì)性經(jīng)及操作的簡(jiǎn)便性，而在科研工作中往往把測(cè)量精度放在首位。7第 2 章 研究?jī)?nèi)容方法和原則 研究?jī)?nèi)容方法 儀器的設(shè)計(jì)，本著簡(jiǎn)明、科學(xué)、實(shí)用的原則，力求從整體出發(fā)，從實(shí)際使用出發(fā)，突出系統(tǒng)的可靠性、免維護(hù)、免培訓(xùn)特點(diǎn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)明和完整性，把對(duì)操作人員的專業(yè)技術(shù)要求降到最低，發(fā)揮系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)整體性能達(dá)到最佳，功能強(qiáng)大而操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精確而維護(hù)方便。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分應(yīng)用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的各種新技術(shù)、新器件、新方法，在保證各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足系統(tǒng)各方面要求的前提下，力求簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高可靠性和穩(wěn)定性。 設(shè)備和功能作為一種完整的煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，它至少應(yīng)具備以下設(shè)備和功能。 監(jiān)測(cè)要素的采集，轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換后電信號(hào)的處理，加工 信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)8信號(hào)的采集 數(shù)據(jù)的處理 計(jì)時(shí)（1）產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)工藝等要符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定及煤炭部,地方管理部門的規(guī)定。（2）運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性一定要好,安裝、維護(hù)要方便,操作簡(jiǎn)單。（3）各項(xiàng)功能要實(shí)用，既要滿足國(guó)家和地方的有關(guān)規(guī)定也要考慮用戶的要求。（4）設(shè)計(jì)、制造盡可能使用通用的有替代產(chǎn)品的元件,器件和設(shè)備。（5）能使用軟件實(shí)現(xiàn)的功能,一般不使用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn),以減小體積,將成本降至最低。 （6）設(shè)計(jì)要從整體出發(fā)，分步、分層實(shí)施,突出系統(tǒng)的整體性能，力求系統(tǒng)整體性能最優(yōu)化。 主要實(shí)現(xiàn)方法 （1）發(fā)送采用調(diào)制解調(diào)方式通訊。 （2）數(shù)據(jù)處理功能盡可能完善，容易擴(kuò)充。（3）軟件使用匯編語(yǔ)言 VB語(yǔ)言。 設(shè)計(jì)原則 在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，首先重點(diǎn)突出系統(tǒng)整體性能，價(jià)格最優(yōu)的原則，本著先進(jìn)、簡(jiǎn)明、實(shí)用的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，從傳感器的信號(hào)采集、處理傳輸，到系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，在整體最優(yōu)原則的指導(dǎo)下，發(fā)揮各自的設(shè)計(jì)靈活性。其次，系9統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上，著重考慮系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)的快速和準(zhǔn)確，安裝、維護(hù)的方便和經(jīng)濟(jì)性，操作使用的簡(jiǎn)便，少維護(hù)，免培訓(xùn)等。 總體設(shè)計(jì)的原則盡可能使用先進(jìn)、成熟的技術(shù)，有明確理論支持的技術(shù)，對(duì)不確切，但非用不可的技術(shù)要通過(guò)必要的試驗(yàn)和論證。密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作的要求，盡量減少對(duì)操作使用人員的專業(yè)技術(shù)水平的依賴。通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用誤差理論分析,盡可能減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。從設(shè)計(jì)階段著手保證產(chǎn)品的可靠性，將可靠性貫穿于設(shè)計(jì)、工藝、加工等各個(gè)環(huán)節(jié)。嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家和煤炭部以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 在保證儀器功能的前提下，盡可能降低成本,以軟代硬,化繁為簡(jiǎn)。在完成自身系統(tǒng)配套的基礎(chǔ)上，盡可能使產(chǎn)品具有良好的通用性，使之能與其它產(chǎn)品配套，易于擴(kuò)充新的用途。設(shè)計(jì)要從整體出發(fā)，分步、分層實(shí)施，方案要實(shí)際設(shè)計(jì)，制造中盡量采用通用的、有替代產(chǎn)品的元器件及附件。廣泛調(diào)查研究，認(rèn)真分析其優(yōu)缺點(diǎn)，充分借鑒其它儀器的優(yōu)點(diǎn)揚(yáng)長(zhǎng)避短博采眾長(zhǎng)。10 課題研究的總體思路加強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性，將監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要密切結(jié)合起來(lái)，整體結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，安裝使用簡(jiǎn)便，希望使監(jiān)控系統(tǒng)真正成為礦井通風(fēng)管理的得力助手?；ù罅馓岣弋a(chǎn)品的可靠性，從軟件到硬件，從元器件到整機(jī)，都盡最大努力提高整體系統(tǒng)的可靠性。提高產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用水平和整體質(zhì)量檔次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料適用、工藝安排等方面都努力使產(chǎn)品在技術(shù)上，質(zhì)量上更上一個(gè)新的臺(tái)階。11第 3 章 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)原理分析 分類瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀器按其工作原理不同，有下列幾種: 光干涉式是利用光波對(duì)空氣和甲烷折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同甲烷濃度的測(cè)定。其優(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，特別是空氣中氧氣不足或氮、氧的比例不正常時(shí)，要產(chǎn)生誤差。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。 熱催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來(lái)測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，對(duì)于 1%氣樣，電橋輸出可達(dá) 15mV以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸氣會(huì)引起元件中毒而失效。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)甲烷的儀器廣泛采用這一原理。 熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡(jiǎn)單，成本低、量程大,可連續(xù)檢測(cè),有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遙測(cè),被測(cè)氣體不發(fā)生物理化學(xué)變化,讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度甲烷時(shí)輸出信號(hào)小,受氣溫及背景氣體的影響較大。 紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，測(cè)量范圍寬，可連續(xù)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是由于有光電轉(zhuǎn)換精密結(jié)構(gòu)，使制造和保養(yǎng)產(chǎn)生困難，而且體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制。12 氣敏半導(dǎo)體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結(jié)型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到 200℃時(shí)，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來(lái)檢測(cè)甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微量甲烷比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但當(dāng)濃度大于 1%CH4時(shí)，其反應(yīng)遲鈍，選擇性和線性均較差，所以很少用于煤礦井下甲烷濃度的檢測(cè)，而多用于可燃?xì)怏w的檢漏報(bào)警。 在溫度為 22℃、氣壓為 101325Pa條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s，而在清潔空氣中為 332m/s。比較這兩種速度就可測(cè)定高濃度甲烷。其優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不受氣壓影響。其缺點(diǎn)是不適合測(cè)量低濃度甲烷，一般只用來(lái)檢測(cè)礦井抽放甲烷管道中的甲烷濃度，對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感。 氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離，在氣體介質(zhì)中的兩個(gè)電極度之間便有電流產(chǎn)生。測(cè)量空氣介質(zhì)和被測(cè)甲烷中的電流大小，便可測(cè)出甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是快速，可以連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，可測(cè)二氧化碳濃度。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度甲烷困難，空氣濕度對(duì)儀器讀數(shù)有影響，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目采用熱催化式工作原理。 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 熱催化元件的結(jié)構(gòu) 載體催化燃燒式傳感器一般被制成一個(gè)便于測(cè)量的探頭，探頭可以單獨(dú)設(shè)置，也可以作為一個(gè)獨(dú)立單元裝配在儀器內(nèi)使用。探頭內(nèi)部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(補(bǔ)償元件)，兩個(gè)元件分別配置在電橋電路中，作為一組橋臂，另一組橋臂是兩個(gè)固定電阻，作為電橋的比率臂。與黑白元件相對(duì)應(yīng)，為使電橋在無(wú)甲烷狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，橋路內(nèi)裝有調(diào)零電位器 W。此外，傳感器電源應(yīng)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。13 敏感元件工作原理 黑元件載體催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無(wú)焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)。白元件是補(bǔ)償元件，基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，所以，它不參加低溫燃燒。但由于它處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對(duì)非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力。 使用時(shí)一般將黑白元件串聯(lián)，作為電橋的一臂，用普通電阻構(gòu)成電橋的另一臂，電橋的兩端加上穩(wěn)定的工作電壓 U。當(dāng)含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無(wú)焰燃燒，而在白元件上則不致使甲烷燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度高，黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應(yīng)溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫度升高時(shí)電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)△U，該電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測(cè)此電壓便可測(cè)量出甲烷濃度。 整機(jī)工作原理 熱催化原理又稱催化燃燒原理。利用該原理的甲烷測(cè)定器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)測(cè)量低濃度瓦斯的檢測(cè)儀器中采用最廣泛的一種，而且還在不斷的提高和發(fā)展。其基本原理是根據(jù)甲烷在一定的溫度條件下氧化燃燒，且在一定的濃度范圍內(nèi)，不同濃度的瓦斯在燃燒過(guò)程中要釋放出熱量不同的特性，來(lái)達(dá)到測(cè)定瓦斯?jié)舛鹊哪康摹Ｍ咚節(jié)舛葓?bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理如圖 21所示。14AT89C51看門狗監(jiān)控電路傳感元件小信號(hào)放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路顯示電路報(bào)警電路排風(fēng)電路通信電路圖 21 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)框圖CPU通過(guò) ，從而控制催化元件電源端，使催化元件開(kāi)始工作，輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓經(jīng)過(guò)放大電路放大后，分別送到 A/D轉(zhuǎn)換、報(bào)警電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入 CPU，CPU 對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，處理后，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出被測(cè)氣體中的甲烷濃度值，若被測(cè)氣體中甲烷濃度超過(guò)報(bào)警電路預(yù)定的數(shù)值時(shí)，報(bào)警電路即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要查詢甲烷濃度時(shí)，只要發(fā)出相應(yīng)信息，報(bào)警儀即可將測(cè)量結(jié)果經(jīng)串行口及通信電路傳送出去，最長(zhǎng)傳輸距離可達(dá)到 20km。15第 4 章 硬件電路設(shè)計(jì)為適應(yīng)安全生產(chǎn)的需要，同時(shí)滿足體積小、耗電少、精度高的要求，硬件電路設(shè)計(jì)中盡可能選用功耗小，性能穩(wěn)定的集成電路芯片。 微控制器 CPU AT89C51單片機(jī)是監(jiān)控報(bào)警儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能，選擇通用性強(qiáng)、功耗小、性能穩(wěn)定良好的 8位 CMOS微處理器芯片 AT89C51， ，該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000 寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10 年全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部 RAM32可編程 I/O線兩個(gè) 16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 16 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0 口為一個(gè) 8位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。