【文章內(nèi)容簡介】 元件的壽命較短，不能測高濃度瓦斯，硫化氫及硅蒸氣會引起元件中毒而失效。目前國內(nèi)外檢測瓦斯的儀器廣泛采用這一原理。1) 熱催化元件的結構 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，為使電橋在無瓦斯狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，橋路內(nèi)裝有調零電位器w。此外，傳感器電源應是經(jīng)過穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。 2)敏感元件工作原理 黑元件載體催化燃燒式元件，當瓦斯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，基本結構和技術參數(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，對非甲院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。當含有瓦斯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瓦斯燃燒，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瓦斯?jié)舛鹊母叩?，檢測此電壓便可測量出瓦斯?jié)舛取? 3)整機工作原理 熱催化原理又稱催化燃燒原理。利用該原理的瓦斯測定器是當前國內(nèi)測量低濃度瓦斯的檢測儀器中采用最廣泛的一種，而且還在不斷的高和發(fā)展。其基本原理是根據(jù)瓦斯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)控儀的工作原理是CPU通過Vo口輸出低電平經(jīng)反相器加在催化元件電源端，使催化元件開始工作，輸出與瓦斯?jié)舛认鄬碾妷盒盘?，此電壓?jīng)過放大電路放大后，分別送到A/D轉換、報警電路，A/D轉換電路將模擬信號轉換為數(shù)字信號送入CPU, CPU對采樣值進行數(shù)值計算，處理后，驅動顯示器顯示出被測氣體中的瓦斯?jié)舛戎担舯粶y氣體中瓦斯?jié)舛瘸^報警電路預定的數(shù)值時，報警電路即發(fā)出聲音報警信號。遙控發(fā)射裝置再將報警信號傳輸給遠方的接收裝置，最遠傳輸距離可達到10km。瓦斯?jié)舛刃盘柕牟杉娐?，放大電路輸入口連接瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯膬蓚€引腳。此傳感器采用的是氣敏元件是一種具有良好溫度特性的電壓輸入/電流輸出型氣敏元件?？梢栽?5℃~150℃溫度范圍內(nèi)正常工作。1)氣敏元件選擇及簡介1. 熱催化元件的特性在選擇敏感元件時，主要從以下幾個方面來衡量:(1)活性。元件活性是指元件對瓦斯氧化燃燒的速率。元件活性高，通過電橋測量瓦斯時，可以得到較高的電壓輸出。(2)穩(wěn)定性。元件的穩(wěn)定性是指元件在新鮮空氣與一定濃度的瓦斯中，在規(guī)定的連續(xù)工作時間里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工作性能越穩(wěn)定。(3)工作點與工作區(qū)間。元件工作點是指元件的標準工作電壓和電流值。實際使用中，為了便于組成電橋和選定電橋電流，通常是指一對元件(即一只黑元件和一只白元件)的標準工作電壓或電流值。在工作點上，元件具有較大的輸出，較好的穩(wěn)定性和最小的零點飄移。目前國內(nèi)元件的工作點有:, , , 。當元件的工作電壓或工作電流變動時，在同一瓦斯?jié)舛认螺敵龌钚源笮∈遣幌嗤?。只有當工作電壓或工作電流在某一范圍?nèi)變動時，輸出活性才接近直線。這個電壓或電流的變動范圍稱為元件的工作區(qū)間。區(qū)間越寬越好。目前元件的工作區(qū)間只能達到標準電壓的士10% o(4)輸出特性。元件輸出特性。是指在不同的瓦斯?jié)舛认?，元件的活性與瓦斯?jié)舛鹊年P系。在0S%CH4范圍內(nèi)，電橋輸出信號與瓦斯?jié)舛瘸示€性關系。%處時，曲線出現(xiàn)拐點，以后隨著瓦斯?jié)舛鹊脑龃?，電橋輸出信號不斷下降，出現(xiàn)了高濃度和低濃度輸出信號相同現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因是由于高濃度瓦斯氣體中缺氧使燃燒不完全所造成的。所以，這種原理的瓦斯檢測儀只能測量低濃度瓦斯。(5)元件的壽命。元件的壽命是指元件在使用過程中，其活性下降到某一規(guī)定值的時間。(6)元件的“中毒現(xiàn)象”。礦井空氣中的硫化氫、二氧化硫等氣體會使元件產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，使活性降低。其原因主要是由于這些毒性氣體元件活性下降。此外，井下電氣設備用的硅油、硅絕緣材料等揮發(fā)物，也會使元件中毒。這主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就會阻止瓦斯進入而影響元件氧化速率，致使活性下降。為防止元件中毒，可以加過濾器，例如用活性炭吸收管，1 cm厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒環(huán)境中的元件壽命延長數(shù)百倍。 經(jīng)過一段時間工作的元件，遇到較高濃度，工作數(shù)分鐘后，元件的活性將升高，高濃度消失后，元件在幾十小時內(nèi)活性才會逐步下降到原值附近，以后又保持穩(wěn)定的活性。這種現(xiàn)象稱為元件被濃瓦斯激活。元件的激活特性是一個缺點，因為被激活的元件在一段時間內(nèi)會造成不穩(wěn)，這是在使用中應該加以注意和調整的。載體催化元件與純鉑絲元件相比，其抗毒性能較弱，在有毒氣體的環(huán)境中，宜采用鉑絲元件。(7)反應速度。反應速度是工作元件的一個重要指標。特別是當元件應用到各種運動機械上時，就更為突出。 在井下空氣中，當瓦斯?jié)舛劝l(fā)生變化時，元件的反應速度由兩個因素決定，一是元件本身的時間常數(shù):，二是瓦斯向元件擴散的速度。元件的時間常數(shù)可由下式確定:式中：元件的時間常數(shù)。 E：元件的熱容量。 A：等效熱導系數(shù)。 S：元件的表面積。 0：常數(shù)。 T：元件的工作溫度。 I：工作電流。 R：元件電阻。 RQ：鉑絲電阻溫度系數(shù) 通過對上式的分析，可以合理地選擇元件參數(shù)，以提高工作元件的反應速度。本設計中選擇的敏感元件型號為:MQKT，其作用為將瓦斯氣體的體積分數(shù)轉化成對應的模擬電壓信號并輸出出來。參數(shù)為:測量介質:瓦斯工作電流:直流穩(wěn)壓 工作點:2. 8V/ 175MA測量范圍:04%CN穩(wěn)定性:靈敏度變化士0. 1%CH4響應時間:(20S)2)氣敏元件的組成及作用本設計選用的氣敏元件是由太原電子廠和哈爾濱通江晶體管廠生產(chǎn)的MQ—KT型號的半導體氣敏元件，太被用于做各種可燃氣體的檢測、檢漏、監(jiān)控設備的敏感元件。氣敏元件是準確檢測瓦斯氣體含量的核心元件之一，它由工作元件和補償元件組成，將這兩個元件分別接在惠斯登電橋上，在元件的電端加入高電平時元件開始工作，當環(huán)境中無瓦斯氣體時，調整電橋使之輸出為零，當有瓦斯氣體時，瓦斯氣體以擴散方式進入儀器原測量氣室，內(nèi)部接于橋臂的熱催化元件或熱導元件發(fā)生氧化一還原反應，引起元件溫度升高，阻值增大，使原來平衡的電橋失去平衡，輸出與瓦斯?jié)舛认鄬碾妷盒盘?，測量該電壓信號即可知瓦斯?jié)舛取?A/D轉換電路A/D轉換器（analog digital converter簡稱ADC）是將輸入的模擬電壓或電流轉換成數(shù)字量的器件或設備，即能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數(shù)字信息，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計算機之間的接口。 A/D轉換器的選型 A/D轉換器是測試系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，其芯片種類多，性能各異，功能引腳不盡相同，實際應用中應根據(jù)分辨率和轉換時間兩個重要參數(shù)選擇適當?shù)男酒?。其中分辨率就是指A/D轉換器可轉換成二進制數(shù)的位數(shù)或BCD碼的位數(shù)。與一般測量儀表的分辨率表達方式不同，A/D轉換器不采用可分辨的輸入模擬電壓相對值表示，例如A/D轉換器ADC0809的分辨率為8位，即該轉換器的輸出數(shù)據(jù)可以用個二進制數(shù)進行量化，其分辨率為1LSB。如果用百分數(shù)表示分辨率，則分辨率為 （41）BCD碼輸出的A/D轉換器一般用位數(shù)表示分辨率，例如5G14433雙積分A/D轉換器，分辨率為位，滿度字位為1999；用百分數(shù)表示分辨率時，分辨率為 （42）換而言之，分辨率就是A/D轉換器可以轉換成數(shù)字量的最小電壓。如8位ADC滿量程為5V，則它能分辨的最小電壓為5000mV/256≈20mV,既模擬電壓小于20mV，ADC就不能轉換了。同樣的5V電壓，若采用12位ADC，則它能分辨的最小電壓為5000Mv/4096≈1mV?？梢?，A/D轉換器的位數(shù)越多，其分辨率越高，但轉換速度就越慢。其中A/D轉換器的轉換時間是指完成一次轉換所需要的時間，即從輸入啟動轉換信號開始到轉換結束所用的時間。轉換速度是轉換時間的倒數(shù)。通常，轉換速度越快越好，特別是對動態(tài)信號采集。在選用A/D轉換之前，主要應根據(jù)使用的場合的具體要求，按照轉換速度，精度，價格，功能以及接口條件來決定選擇何種類型。根據(jù)其性能指標，考慮到系統(tǒng)的精度我們這次選用了ICL7109轉換器,它是一種高精度、低噪聲、低漂移和低價格的雙積分式A/D轉換器，其數(shù)據(jù)輸出為12位二進制數(shù)，配有較強的接口電路，能方便地與各種微處理機連接。其主要特性為：u 12位二進制形式輸出，并帶有極性和溢出位；u 與TTL兼容，具有三態(tài)控制輸出；u 具有通用控制信號端，能用來方便地監(jiān)視和控制轉換時間；u 片內(nèi)有振蕩器，只需外接晶體或RC器件；u 具有通用異步收發(fā)器(UART)數(shù)據(jù)交換制式，可通過簡單的并行或串行接口與微機相接；u 真正的差分輸入和差分基準電壓；u 最大運行速度為每秒轉換30次；u 所有輸入都具有防止靜電的保護措施；u 雙電源供電；u 輸入阻抗