【正文】 平，但應(yīng)用于國內(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，價格過高不適于國內(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值。 沼氣 (甲烷 CH4 的俗稱 )礦井在我國煤礦生產(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，及時掌握煤 3 礦井下沼氣動態(tài)是一件十分重要的工作。鑒于沼氣在礦井中存在的普遍性及其可能造成災(zāi)害的嚴(yán)重性，甲烷濃度傳感器在煤礦是數(shù)量最多，使用最普遍的安全傳感器，而且也是煤炭系統(tǒng)研制種類最多的儀器，需要說明的是，由于我國煤礦習(xí)慣把甲烷叫做瓦斯，因此檢測甲烷濃度的儀器，有的叫瓦斯檢定器，有的又叫沼氣檢定器，在這里，甲烷，沼氣和瓦斯是同義詞。煤礦礦難事故屢屢發(fā)生，造成的原因有很多，其中不少是因為瓦斯爆炸引起的。 煤礦瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體的總稱。瓦斯在空氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定的程度（ 5%～ 12%）時，在一定條件下可與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而形成瓦斯爆炸，對煤礦安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。 1815 年，英國發(fā)明的世界上第一種瓦斯監(jiān)測儀器 —— 瓦斯檢定燈。電子技術(shù)的進(jìn)展推動了瓦斯檢測控制裝置的進(jìn)一步發(fā)展，如 20世紀(jì) 70 年代后期法國研制的 CTT63/40U 礦井監(jiān)控系統(tǒng)、英國的 MINOS 系統(tǒng)、美國的 SCA— DA 系統(tǒng)等。從新中國成立初期到 20世紀(jì) 70 年代，煤礦下井人員主要使用光學(xué)瓦斯檢定儀、風(fēng)表等攜帶式儀器檢測井下環(huán)境參數(shù)。 20 世紀(jì) 70 年代瓦斯斷電儀問世，裝備在采掘工作面、回風(fēng)港道等井下固定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對瓦斯的自動連續(xù)檢測及超限自動切斷被控制設(shè)備的電源。 1983 年至 1985 年，從歐美國家先后引進(jìn)了數(shù)十套監(jiān)控系統(tǒng)及配套的 4 傳感器和便攜式儀器裝備煤礦礦井，并相應(yīng)地引進(jìn)了部分監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器和敏感元件制造技，由此推動了我國礦 井安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。近幾年，隨著計算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，特別是網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機(jī)遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)大體可以分為兩大部分：井下部分和井上部分。在井上，井下傳上來的數(shù)據(jù)通過專線與煤礦安全管理辦公室服務(wù)器和更高一級安全主管部門服務(wù)器連接。上面有井下每一個傳感器的標(biāo)簽，所顯示的數(shù)據(jù)通過上傳數(shù)據(jù)的改變而不斷刷新。并且監(jiān)控軟件具有超標(biāo)自動報警功能，用來提示工 作人員對設(shè)備的故障或現(xiàn)場瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時采取措施，避免重大事件的發(fā)生。以山西省為例，近幾年，特別是 2021 年以來，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級政府及安全部門的重視下，全省煤礦信息化工作有了新發(fā)展，取得了新成績。山西省煤炭系統(tǒng) 2021 年底累計安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng) 3868 套。地方煤礦現(xiàn)有 2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，已連網(wǎng)運(yùn)行 2671座。 由此可知，為了最大限度的降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生，除了對工作人員嚴(yán)格要求外，加緊建設(shè)煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，它對預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生具有舉足輕重的作用。什么是測量呢 ?測量是人們對自然界的客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認(rèn)識過程。測量的目的是為了在限定的時間內(nèi)盡可能正確地收集被測對象未知信息，以便掌握被測對象的參數(shù)及控制生產(chǎn)過程。它不僅可以連續(xù)監(jiān)測采煤機(jī)附近風(fēng)流的甲烷濃度，而且在甲烷濃度超限時還可發(fā)出聲、光報警信號，并自動切斷采煤機(jī)的工作電源以防發(fā)生瓦斯事故 , 確保生產(chǎn)安全。儀器的基本性能，主要是衡量儀器測量能力的一些指標(biāo)，如精確度、穩(wěn)定性、測量范 圍、動態(tài)范圍等。 ：是指在測量中所測數(shù)值重復(fù)一致的程度。不一致程度愈小，說明測量愈精密。它用精密度的數(shù)值和觀測時間長短一起來表示。 4. 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。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。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。 6 2 礦內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的基本介紹 礦內(nèi)污染物種類繁多，不可能逐一測量，研 究的思路是用一個典型的污染物來代表一類污染物，這種污染物稱為評價指標(biāo)。《煤礦安全規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）規(guī)定其最高容許濃度為 0． 0024％。《規(guī)程》容許其最高濃度為 0． 00066％。《規(guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為 ％?！兑?guī)程》容許其最高濃度為 0． 00025％。）：沼氣是煤礦常見的有害氣體 ,化學(xué)名稱叫甲烷，無色、無味、無臭、無毒；它比空氣輕常聚集在巷道上方，當(dāng)其在空氣中含量高時可降低氧含量，引起窒息；它具有爆炸性，爆炸 濃度一般為 5%～ 16％。 （ 6）氨氣（ NH?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為 0． 004%?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為 0． 5％。國家煤礦安全監(jiān)察局分別于 2021 年 2月 23 日對原部頒標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以煤安監(jiān)辦字【 2021】 24號文下發(fā)了《關(guān)于印發(fā) “ 煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核 7 評級辦法（試行） ” 的通知》?，F(xiàn)在執(zhí)行的是國家煤礦安全監(jiān)察局于 2021年 1月 17日以煤安監(jiān)行管 [2021]1號文件下發(fā)的《煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 化考核評級辦法（試行）》版本。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)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 。光學(xué)零件加工復(fù)雜，成本較高和實(shí)現(xiàn)自動檢測較困難。其優(yōu)點(diǎn)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(dá) 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(shí)現(xiàn)自動檢測。目前國內(nèi)外檢測甲烷的儀器廣泛采用這一原理。其優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)自動 遙測，被測氣體不發(fā)生物理化學(xué)變化，讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長。 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 8 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。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。但當(dāng)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?xì)怏w的檢漏報警。比較這兩種速度就可測定高濃度甲烷。其缺點(diǎn)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。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。其缺點(diǎn)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。鉑絲螺旋圈完成加熱 。催化劑由氯化鈀外加穩(wěn)定劑釷 (Tu)配制 而成，有降低起燃溫度、加強(qiáng)選擇性、提高穩(wěn)定性等功能。 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(dú)設(shè)置，也可以作為一個獨(dú)立單元裝配在儀器內(nèi)使用。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。根據(jù)設(shè)計要求，本項目采用熱催化式工作原理。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。 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。 熱催化原理又稱催化燃燒原理。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)，不同濃度的甲烷在燃燒過程中要釋放出熱量不同的特性，來達(dá)到測定甲烷濃度的目的。當(dāng)計算機(jī)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(dá)到 20km。根據(jù)上述幾方面及本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮 : 一：是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。 二：是要有較高的性價比。 AT89C51 單片機(jī)是 AT89C系列單片機(jī)中的一種，圖 32 是一般常用的雙列直插式，它是在現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域。與 MCS51 兼容 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 128*8 位內(nèi)部 RAM 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 可編程串行通道 片內(nèi)振蕩器和時鐘 圖 32 AT89C51芯片 12 (2)管腳說明： VCC：供電電壓。 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。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可 以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P1 口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。在 FLASH 編程和校驗時， P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當(dāng) P3 口寫入“ 1”后，它們被 內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 13 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外， 該引腳被略微拉高。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 XTAL1： 反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 （ 3）振蕩器說明 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在芯片擦操作 中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下，單片機(jī)停止工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。硬件連接圖如圖 33 所示，其中 AT89C51 的 P0口做擴(kuò)展用， PI 口做通道選擇 ,P2 口控制 LCD1602 顯示。 在選擇敏感元件時，主要從以下幾個方面來衡量 : (1)活性。元件活性高，通過電橋測量甲烷時，可以得到較高的電壓輸出。元件的穩(wěn)定性是指元件在新鮮空氣與一定濃度的甲烷中，在規(guī)定的連續(xù)工作時間里的活性下降率。 (3)工作點(diǎn)與工作區(qū)間。實(shí)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(biāo)準(zhǔn)工作電壓或電流值。目前國內(nèi)元件的工作點(diǎn)有 :直 , , , 及 320mA 等幾種。只有當(dāng)工作電壓或工作電流在某一范圍內(nèi)變動時，輸出活性才接近直 線。區(qū)間越寬越好。 10%。元件輸出特性，是指在不同的甲烷濃度下，元件的活性與甲烷濃度的關(guān)系。當(dāng)甲烷濃度在 %處時，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，以后隨著甲烷濃度的增大，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。所以，這種原理的甲烷檢測儀只能測量低濃度甲烷。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。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。此外，井下電氣設(shè)備用的硅油、硅絕緣材料等揮發(fā)物，也會使元件中毒。 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。這種現(xiàn)象稱為元件被濃甲烷激活。 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。反應(yīng)速度是工作元件的一個重要指標(biāo)。 在井下空氣中，當(dāng)甲烷濃度發(fā)生變化時，元件的反應(yīng)速度由兩個因素決定，一是元件本身的時間常數(shù) :，二是甲烷向元件擴(kuò)散的速度。本設(shè)計中選擇的敏感元件型號為 :FWC2。 %CH4 響應(yīng)時間 :≤ 20S 17 4 礦內(nèi)空氣傳感器的硬件 實(shí)時時鐘模塊 單片機(jī)工作時，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在 時鐘信號控制下才能有序地進(jìn)行，時鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時鐘的。 本課題采用內(nèi)部時鐘方式。晶振頻率 取 12 MHz。 易知：本單片機(jī)最小系統(tǒng)的 振蕩周期 =1/(12MHz)=1/12us，時鐘周期 =1/6us，機(jī)器周期 =1us。采用單片測量放大器芯片與用分立的運(yùn)算放大器相比具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)如下： 低偏置電壓最大 50μ V，低溫度漂移最大 V/℃，低輸入偏置電流最大 5nA，高共模抵制 CMR 最小 120DB，輸入保護(hù)至177。 至177。電路圖 如圖 42所示： 圖 41 時鐘電路原理圖 18 氣體傳感器出來的信號是模擬信號，而微處理器 AT89C51只能處理