【文章內(nèi)容簡介】 振動等外部狀態(tài)變化及電源電壓、頻率等工作條件變化對示值的影響統(tǒng)稱為環(huán)境影響，用影響系數(shù)表示。這是因為儀器在校準時都規(guī)定有一個標準工作條件，但在實際使用該儀器時又很難達到這個要求。影響系數(shù)是用示值變化值與影響量變化值之比來表示。例如某壓力表的溫度影響系數(shù)為 2Pa/℃即溫度每變化 1℃，就會引起壓力表示值變化 2Pa。說明儀器輸入輸出對應(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在整個量程內(nèi)不是常數(shù)。對特定的測量裝置來說，其靈敏度的定義方法往往是不同的。例如，在接收機中，靈敏度定義為產(chǎn)生具有指定信噪比的輸出信號所需的最小輸入信號。而在頻率計中，它與頻率計的輸出示值之間沒有直接的關(guān)系。 （2）分辯率如果輸入量從某個任意非零值慢慢地變化，我們將會發(fā)現(xiàn)，在輸入變化值沒有超過某一數(shù)值之前，儀器示值是不會變化的，這個使示值變化的最小輸入變化值叫做儀器的分辯率，也應(yīng)該對示值的變化從量上規(guī)定一個數(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）線性度線性度用來說明輸出量與輸入量的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度。無論是模擬式的儀表，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，其表達式為 B=XmaxXmix。通常儀表的 Xmin=0，這時B=Xmax。但在整個測量范圍內(nèi)儀表提供被測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)的相對誤差應(yīng)該不超過某個設(shè)定值。 可靠性是指儀器對規(guī)定的條件在規(guī)定時間內(nèi)完成所要求功能的能力。儀器的可靠性可用平均無故障工作時間 MTBF來表征。它是儀器連續(xù)運行時發(fā)生一次故障的時間間隔的平均值。假設(shè)某儀器在 90000小時的運行中發(fā)生了 12次故障，則該儀器的 MTBF為 7500小時。 任何工業(yè)產(chǎn)品都要講究經(jīng)濟性。對生產(chǎn)者來講，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)出的儀器價格太高，使用者無力購買，出就談不上發(fā)揮作用。對使用者來講總是希望有最少的錢買到一臺具有指定性能的儀器。所以,工程檢側(cè)儀器的經(jīng)濟性也是其重要的指標之一。在實際工作中，對給定的測量任務(wù)只需達到規(guī)定的精度就行了，決不是精度愈高愈好，盲目地提高測量精度的做法，往往會帶來相反的效果，浪費人力和財力,降低測量的可靠性。在工程檢測中,應(yīng)該根據(jù)測量的目的，全面考慮測量的可靠性、精度、經(jīng)濟性經(jīng)及操作的簡便性，而在科研工作中往往把測量精度放在首位。7第 2 章 研究內(nèi)容方法和原則 研究內(nèi)容方法 儀器的設(shè)計，本著簡明、科學、實用的原則，力求從整體出發(fā)，從實際使用出發(fā)，突出系統(tǒng)的可靠性、免維護、免培訓特點和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡明和完整性，把對操作人員的專業(yè)技術(shù)要求降到最低，發(fā)揮系統(tǒng)整體設(shè)計的優(yōu)勢，使系統(tǒng)整體性能達到最佳，功能強大而操作簡單，測量精確而維護方便。在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)充分應(yīng)用近年來發(fā)展起來的各種新技術(shù)、新器件、新方法，在保證各項性能指標能夠滿足系統(tǒng)各方面要求的前提下，力求簡化結(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)測要素的采集，轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換后電信號的處理，加工 信號的遠距離傳送信號的調(diào)制和解調(diào)8信號的采集 數(shù)據(jù)的處理 計時（1）產(chǎn)品的技術(shù)指標、生產(chǎn)工藝等要符合國家有關(guān)規(guī)定及煤炭部,地方管理部門的規(guī)定。（2）運行的可靠性和穩(wěn)定性一定要好,安裝、維護要方便,操作簡單。（3）各項功能要實用，既要滿足國家和地方的有關(guān)規(guī)定也要考慮用戶的要求。（4）設(shè)計、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）能使用軟件實現(xiàn)的功能,一般不使用硬件來實現(xiàn),以減小體積,將成本降至最低。 （6）設(shè)計要從整體出發(fā)，分步、分層實施,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，容易擴充。（3）軟件使用匯編語言 VB語言。 設(shè)計原則 在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，首先重點突出系統(tǒng)整體性能，價格最優(yōu)的原則，本著先進、簡明、實用的設(shè)計指導(dǎo)思想，從傳感器的信號采集、處理傳輸，到系統(tǒng)軟件的設(shè)計，在整體最優(yōu)原則的指導(dǎo)下，發(fā)揮各自的設(shè)計靈活性。其次，系9統(tǒng)整體設(shè)計上，著重考慮系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，監(jiān)測的快速和準確，安裝、維護的方便和經(jīng)濟性，操作使用的簡便，少維護，免培訓等。 總體設(shè)計的原則盡可能使用先進、成熟的技術(shù)，有明確理論支持的技術(shù)，對不確切，但非用不可的技術(shù)要通過必要的試驗和論證。密切結(jié)合現(xiàn)場實際工作的要求，盡量減少對操作使用人員的專業(yè)技術(shù)水平的依賴。通過優(yōu)化電路設(shè)計和應(yīng)用誤差理論分析,盡可能減小測量誤差，提高測量精度。從設(shè)計階段著手保證產(chǎn)品的可靠性，將可靠性貫穿于設(shè)計、工藝、加工等各個環(huán)節(jié)。嚴格執(zhí)行國家和煤炭部以及行業(yè)標準。 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。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，易于擴充新的用途。設(shè)計要從整體出發(fā)，分步、分層實施，方案要實際設(shè)計，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，認真分析其優(yōu)缺點，充分借鑒其它儀器的優(yōu)點揚長避短博采眾長。10 課題研究的總體思路加強監(jiān)控系統(tǒng)的實用性，將監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計制造同現(xiàn)場實際需要密切結(jié)合起來，整體結(jié)構(gòu)大為簡化，安裝使用簡便，希望使監(jiān)控系統(tǒng)真正成為礦井通風管理的得力助手。花大力氣提高產(chǎn)品的可靠性，從軟件到硬件，從元器件到整機，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、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)量上更上一個新的臺階。11第 3 章 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理 瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)原理分析 分類瓦斯?jié)舛葯z測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，引起干涉條紋移動來實現(xiàn)對不同甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是準確度高，堅固耐用，校正容易，高低濃度均可測量，還可測量二氧化碳濃度。其缺點是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴重，特別是空氣中氧氣不足或氮、氧的比例不正常時，要產(chǎn)生誤差。光學零件加工復(fù)雜，成本較高和實現(xiàn)自動檢測較困難。 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測定甲烷濃度。其優(yōu)點是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號大，對于 1%氣樣，電橋輸出可達 15mV以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實現(xiàn)自動檢測。其缺點是探測元件的壽命較短，不能測高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸氣會引起元件中毒而失效。目前國內(nèi)外檢測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)率之差來實現(xiàn)甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計制作比較簡單，成本低、量程大,可連續(xù)檢測,有利于實現(xiàn)自動遙測,被測氣體不發(fā)生物理化學變化,讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長。其缺點是測量低濃度甲烷時輸出信號小,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的紅外線來測定甲烷濃度。其優(yōu)點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，測量范圍寬，可連續(xù)檢測。其缺點是由于有光電轉(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，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢測甲烷濃度。其優(yōu)點是對微量甲烷比較敏感，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但當濃度大于 1%CH4時，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，而多用于可燃氣體的檢漏報警。 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定高濃度甲烷。其優(yōu)點是讀數(shù)不受氣壓影響。其缺點是不適合測量低濃度甲烷，一般只用來檢測礦井抽放甲烷管道中的甲烷濃度，對背景氣體、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)中的兩個電極度之間便有電流產(chǎn)生。測量空氣介質(zhì)和被測甲烷中的電流大小，便可測出甲烷濃度。其優(yōu)點是快速，可以連續(xù)自動檢測，靈敏度高，測量準確，可測二氧化碳濃度。其缺點是測量低濃度甲烷困難，空氣濕度對儀器讀數(shù)有影響，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 根據(jù)設(shè)計要求，本項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便于測量的探頭，探頭可以單獨設(shè)置，也可以作為一個獨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(補償元件)，兩個元件分別配置在電橋電路中，作為一組橋臂，另一組橋臂是兩個固定電阻，作為電橋的比率臂。與黑白元件相對應(yīng)，為使電橋在無甲烷狀態(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，當甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無焰燃燒時，電橋失去平衡，輸出一個電壓信號。白元件是補償元件，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，對非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補償作用，以提高儀器零點穩(wěn)定性和抗干擾能力。 使用時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。當含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無焰燃燒，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，輸出一個電壓信號△U，該電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測此電壓便可測量出甲烷濃度。 整機工作原理 熱催化原理又稱催化燃燒原理。利用該原理的甲烷測定器是當前國內(nèi)測量低濃度瓦斯的檢測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程中要釋放出熱量不同的特性，來達到測定瓦斯?jié)舛鹊哪康?。瓦斯?jié)舛葓缶O(jiān)測系統(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放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路顯示電路報警電路排風電路通信電路圖 21 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)框圖CPU通過 ，從而控制催化元件電源端，使催化元件開始工作，輸出與甲烷濃度相對應(yīng)的電壓信號，此電壓經(jīng)過放大電路放大后，分別送到 A/D轉(zhuǎn)換、報警電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入 CPU，CPU 對采樣值進行數(shù)值計算，處理后，驅(qū)動顯示器顯示出被測氣體中的甲烷濃度值，若被測氣體中甲烷濃度超過報警電路預(yù)定的數(shù)值時，報警電路即發(fā)出聲、光報警信號。當計算機控制系統(tǒng)需要查詢甲烷濃度時，只要發(fā)出相應(yīng)信息，報警儀即可將測量結(jié)果經(jīng)串行口及通信電路傳送出去，最長傳輸距離可達到 20km。15第 4 章 硬件電路設(shè)計為適應(yīng)安全生產(chǎn)的需要，同時滿足體積小、耗電少、精度高的要求，硬件電路設(shè)計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單片機是監(jiān)控報警儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能，選擇通用性強、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高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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廉的方案。與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000 寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10 年全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部 RAM32可編程 I/O線兩個 16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 16 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0 口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。