【正文】 信號(hào)轉(zhuǎn)換(U/I、A/D)、顯示和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出等電路。只取兩種不同狀態(tài)的非線性變化的量稱為開關(guān)量；在確定的兩個(gè)極值范圍內(nèi)取值連續(xù)變化的量稱為模擬量；隨時(shí)間具有累加特性的量稱為累積量。（1）有源輸出輸出高電平情況下的拉出電流：I?！?3V輸出低電平情況下的灌入電流：Ii=2mA時(shí)，輸出電壓Ui≤+（2）無源輸出輸出接點(diǎn)斷開或截止時(shí)，兩輸出端之間的漏電阻不應(yīng)小于100千歐；輸出接點(diǎn)閉合或?qū)ǎ夜嗳腚娏鱅i=2mA時(shí)，輸出電壓U。無論有源輸出或無源輸出，短路電流和灌入電流均不得大于20mA，為此在供給電流一側(cè)裝置中，應(yīng)采取限流措施。（2）頻率模擬量信號(hào)200～1000Hz，優(yōu)先選用3. 累計(jì)量信號(hào)累積量宜采用脈沖計(jì)數(shù)的形式，對(duì)一種被測(cè)量而言，每個(gè)脈沖代表被測(cè)量的一定值，應(yīng)當(dāng)是一個(gè)常數(shù)。遵循上述規(guī)定，有助于推廣性能優(yōu)良的傳感器，擴(kuò)展監(jiān)控系統(tǒng)的功能。＞～ ≤177。（2）報(bào)警范圍及基本誤差(%CH4)0．50～ ≤177。斷點(diǎn)儀一般由主機(jī)、傳輸電纜和低濃度瓦斯傳感器等部分組成。瓦斯斷電儀的功能主要有：具有瓦斯?jié)舛?、電源、?bào)警、斷電、故障等顯示功能和開機(jī)延時(shí)1min功能；當(dāng)被監(jiān)視區(qū)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到報(bào)警點(diǎn)時(shí)，發(fā)生聲光報(bào)警信號(hào)；當(dāng)瓦斯?jié)舛冉档綀?bào)警點(diǎn)以下時(shí)，解除報(bào)警；當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到斷電點(diǎn)、傳感器發(fā)生電源或信號(hào)線開路、短路等故障及斷點(diǎn)儀失電時(shí)，能實(shí)現(xiàn)閉鎖，即切斷被控設(shè)備的電源并保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)；當(dāng)瓦斯?jié)舛冉抵两怄i點(diǎn)、故障排除后及送點(diǎn)1min后能自動(dòng)解.智能化已成為斷點(diǎn)儀的發(fā)展方向，如ADJ2型斷點(diǎn)儀的主機(jī)以單片機(jī)為核心，報(bào)警、斷電等功能均由軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，儀器的主機(jī)和傳感器均有數(shù)字顯示和聲光報(bào)警功能。在斷電儀基礎(chǔ)上增加信息傳輸電路，就構(gòu)成了瓦斯遙測(cè)儀。二、風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置由主機(jī)、瓦斯傳感器和風(fēng)筒開關(guān)等組成。裝置除了在局部通風(fēng)機(jī)正常供風(fēng)時(shí)具有瓦斯斷電儀的各項(xiàng)功能外，還增加了當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)且為恢復(fù)正常通風(fēng)之前、停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛瘸^3%時(shí)閉鎖局部通風(fēng)機(jī)電源等多項(xiàng)功能。當(dāng)瓦斯超過3%時(shí)，本質(zhì)安全型的高濃瓦斯傳感器自動(dòng)投入工作，從而延長了低濃瓦斯傳感器的使用壽命，并提高了安全可靠性。其中在瓦斯礦井建立煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)，從而改善了煤礦的安全隱患，減少了礦難的發(fā)生，確保了煤礦工業(yè)的安全生產(chǎn)。第二章 瓦斯傳感器原理瓦斯是煤礦井下以甲烷為主的混合氣體的總稱，簡稱為甲烷。因此，《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)井下工作面或巷道中甲烷含量有明確規(guī)定，經(jīng)常檢測(cè)礦井瓦斯?jié)舛龋乐雇咚贡?，?duì)保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。使用便攜式瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀，可隨時(shí)檢測(cè)作業(yè)場所的瓦斯?jié)舛龋部梢允褂猛咚箓鞲衅鬟B續(xù)實(shí)時(shí)地檢測(cè)瓦斯?jié)舛?。催化燃燒式氣體檢測(cè)原理:利用敏感元件對(duì)甲烷的催化作用，使甲烷在元件表面發(fā)生無焰燃燒，放出熱量，使元件溫度上升，檢測(cè)元件可隨自身溫度變化量測(cè)定氣體溫度。鉑絲催化元件一般用純度很高（%）的鉑絲制成的螺旋線圈，并對(duì)鉑絲進(jìn)行特殊處理，鉑絲既是催化劑又是加熱器。但鉑絲的催化活性低，必須在900度以上高溫才能使元件工作，不僅耗電量大，而且高溫會(huì)導(dǎo)致元件表面蒸發(fā)，使鉑絲變細(xì)、電阻增加、儀器零位漂移。（1）載體催化元件結(jié)構(gòu)載體催化元件一般由一個(gè)帶催化劑的敏感元件（俗稱黑元件）和一個(gè)不帶催化劑的補(bǔ)償元件（俗稱白元件）構(gòu)成。載體催化元件最里層是鉑絲線圈，外面是載體和催化劑形成的催化外殼。近年來，采用集成電路工藝制作的催化元件。這種元件的突出優(yōu)點(diǎn)是可以降低元件的功效，產(chǎn)品一致性好，成本也有所降低。多相催化反應(yīng)是在固體催化劑的表面進(jìn)行，并在催化劑表面上發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物也吸附在表面上。2. 載體催化元件技術(shù)性能要求及影響因素（1）靈敏度指某一濃度的甲烷在敏感元件反應(yīng)時(shí)，電橋輸出電壓值與甲烷濃度之比值。靈敏度是衡量催化元件穩(wěn)定性和使用壽命的重要指標(biāo)，在現(xiàn)場使用時(shí)，由于靈敏度不斷下降，要頻繁用標(biāo)準(zhǔn)氣樣校準(zhǔn)，給使用帶來不便。1）催化劑衰老 2）催化層形態(tài)構(gòu)造變化 3）載體表面積減少 4）催化劑中毒 5）某些元件在較低溫度下工作，由于井下的高溫度環(huán)境及催化反應(yīng)生成的水蒸氣，會(huì)使元件表面出現(xiàn)冷凝，破壞元件表面氣傳質(zhì)過程。（2）基本誤差指電橋輸出信號(hào)值與真實(shí)值的偏差程度，一般用最大相對(duì)誤差表示。相對(duì)誤差%177。7（3）穩(wěn)定性只要工作條件保持不變，在規(guī)定的一段時(shí)間內(nèi)元件輸出信號(hào)保持不變的能力。固定使用的瓦斯傳感器中的催化元件稱為連續(xù)式元件，連續(xù)功罪時(shí)間為7天；攜帶儀表中使用的元件為間斷式元件，工作時(shí)間為7*8h。影響元件穩(wěn)定性的因素很多，除了討論靈敏度中涉及的有關(guān)問題外，元件“激活”也會(huì)影響其穩(wěn)定性。井下瓦斯檢測(cè)要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短。影響催化元件響應(yīng)時(shí)間的因素主要有兩個(gè)方面，一是在瓦斯通過擴(kuò)散孔（燒結(jié)金屬孔）充滿氣室并到達(dá)元件表面的整個(gè)擴(kuò)散過程所占用的時(shí)間；二是瓦斯在敏感元件上的催化反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使溫度上升，并和周圍進(jìn)行熱交換，敏感元件最終達(dá)到平衡所需要的時(shí)間。3．使用載體催化元件應(yīng)注意的問題在討論載體催化元件性能的時(shí)，已認(rèn)識(shí)到元件存在的缺點(diǎn)和使用的局限性。（1）元件激活及校準(zhǔn)上面已經(jīng)介紹，經(jīng)常在高濃度瓦斯中工作會(huì)造成元件激活，是元件靈敏度、穩(wěn)定性變壞。在高濃度瓦斯涌出區(qū)域使用的傳感器，最好采用高、低濃度瓦斯傳感器，它在高濃度瓦斯條件下具有自動(dòng)保護(hù)低濃度測(cè)量催化元件的功能。當(dāng)空氣中甲烷濃度查過10%時(shí)，催化反應(yīng)熱將隨瓦斯?jié)舛壤^續(xù)增加而下降；當(dāng)甲烷濃度繼續(xù)增加而下降；當(dāng)甲烷濃度高達(dá)80%90%時(shí)，元件反應(yīng)的輸出信號(hào)值相當(dāng)于2%1%時(shí)信號(hào)值。有的瓦斯檢測(cè)儀還能同時(shí)測(cè)氧；有的儀器把檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件設(shè)計(jì)成非同步升溫，出現(xiàn)“雙值”現(xiàn)象時(shí)有所指示。（3）儀器校準(zhǔn)校準(zhǔn)是要選擇合適的流量。注入氣室的流量的大小要根據(jù)氣室結(jié)構(gòu)容積而定。需要指出的是，對(duì)于擴(kuò)散式儀器而言，這一流量應(yīng)與儀器在井下安放地點(diǎn)的風(fēng)速相吻合，否則將會(huì)帶來較大的測(cè)量誤差。利用光干涉檢測(cè)原理，可以檢測(cè)多種氣體濃度，在煤礦中主要是測(cè)定甲烷。光干涉式瓦斯傳感器主要用于監(jiān)測(cè)煤礦井下環(huán)境氣體中的甲烷濃可以連續(xù)自動(dòng)地將井下甲烷濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)備,并具有就地顯示甲烷濃度值,、風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置配套,適宜在煤礦的采掘工作面、回風(fēng)巷道等地點(diǎn)固定使用。具有性能穩(wěn)定、壽命長、測(cè)量精確、相應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易使用維護(hù)等特點(diǎn)，但它也存在一些缺點(diǎn)，如受缺氧影響，選擇性較差；受溫度與氣壓影響而產(chǎn)生誤差等，在使用中要根據(jù)其特點(diǎn)給予修正。3%刻度盤分辨率：%燈泡電壓/電流：防爆型式：ExibⅠ電池形式：2R20鋅錳電池外形尺寸：22513570 mm重量： kg利用被測(cè)氣體與純金氣體的熱導(dǎo)率差異及混合氣體熱導(dǎo)率與濃度的關(guān)系，把氣體濃度變化量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，可構(gòu)成熱導(dǎo)式傳感器。在煤礦中，惹到是瓦斯監(jiān)測(cè)儀器主要用于測(cè)定高濃度瓦斯。風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置中，把熱導(dǎo)元件和載體催化元件合用，構(gòu)成高低濃度瓦斯傳感器，并可保護(hù)催化元件免受高濃度瓦斯沖擊。在檢測(cè)器內(nèi)部有兩個(gè)測(cè)量元件：一個(gè)參比室和一個(gè)測(cè)量室，兩個(gè)元件的內(nèi)部張緊著細(xì)鉑絲，在參比室內(nèi)密封著參比氣體，而測(cè)量時(shí)可以進(jìn)入待測(cè)的可燃性氣體。在不存在可燃?xì)怏w的時(shí)候，這個(gè)回路是平衡的，因此產(chǎn)生零數(shù)值，一旦測(cè)量室中的待測(cè)組分中發(fā)生濃度變化，則測(cè)量室中的熱導(dǎo)率會(huì)隨之變動(dòng)，從而使測(cè)量室鉑絲的溫度發(fā)生變化。熱導(dǎo)式瓦斯監(jiān)測(cè)儀器具有測(cè)量范圍寬、功率小的優(yōu)點(diǎn)，也不存在載體催化元件受高濃度瓦斯沖擊產(chǎn)生激活及中毒問題，使用壽命長。（1） 選擇性差由檢測(cè)原理知，多元混合氣體的熱導(dǎo)率是各種氣體成分熱導(dǎo)率之和。其中，受二氧化碳影響，使示值降低；受水蒸氣影響，使示值增加。（2） 環(huán)境溫度變化的影響環(huán)境溫度會(huì)影響儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和靈敏度。為保證測(cè)量精度，必須保持其實(shí)溫度恒定。當(dāng)熱絲溫度不高時(shí)，主要與前二項(xiàng)有關(guān)，對(duì)流影響隨氣室尺寸增加而增加。.半導(dǎo)體期敏元件種類較多，可按表面型及體型分類。因?yàn)榘雽?dǎo)體與氣體之間的相互作用局限于半導(dǎo)體表面，稱為表面型半導(dǎo)體氣敏元件。因?yàn)槭拱雽?dǎo)體體內(nèi)性能發(fā)生變化，故稱為體型半導(dǎo)體氣敏元件。在高溫時(shí)，表面型半導(dǎo)體將發(fā)生體內(nèi)晶格缺陷變化，例如以二氧化銻為主要材料的燒結(jié)氣敏元件，工作溫度為700度時(shí)，可以檢測(cè)可燃性氣體。當(dāng)氣體接觸到半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體發(fā)生變化，利用這種現(xiàn)象的元件稱為電阻式；否則，為非電阻式。利用這種現(xiàn)象構(gòu)成檢測(cè)氣體濃度的敏感元件即為非電阻式。表面電阻型半導(dǎo)體的材料最具代表性的是氧化鋅，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件通常都需要加熱，鉑絲通電可加熱元件，使元件維持在300度左右。吸附分子奪取電子而變成負(fù)離子吸附，氧化鋅是N型半導(dǎo)體，負(fù)離子吸附使半導(dǎo)體表面自由電子濃度降低，電導(dǎo)率下降，電阻上升。在沒有瓦斯時(shí)，元件表面吸附氧為負(fù)離子吸附，電阻上升；在有瓦斯時(shí)，出現(xiàn)正離子吸附，元件表面自由電子增加，電阻下降。甲烷不具備電子供給特性，必須發(fā)生離解化學(xué)吸附反應(yīng)，才能放出電子。半導(dǎo)體氣敏元件具有靈敏度高、能耗少、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，不存在載體催化元件中毒影響等問題。由于存在上述問題，目前在煤礦使用較少。光纖傳感器易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的要求，采用多路復(fù)用技術(shù)，可降低系統(tǒng)成本。信號(hào)采集與處理部分是將模擬信號(hào)不失真地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用檢測(cè)器在數(shù)字域進(jìn)一步對(duì)信號(hào)加工處理和計(jì)算，在顯示屏上顯示氣體的濃度。壓電材料有多晶材料和單晶材料。吸附氣體時(shí)，壓電振子振蕩頻率減少，其頻率變化量與吸附氣體質(zhì)量（即氣體濃度）成正比。利用壓電晶體檢測(cè)氣體濃度還處于探索階段，關(guān)鍵技術(shù)是選擇吸附待測(cè)氣體的膜。由于這類傳感器具有檢測(cè)靈敏度高、堅(jiān)固耐用、易采用微電子制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗等特點(diǎn)，隨著選擇性吸附材料的開發(fā)，將來可能在煤礦氣體檢測(cè)中得到應(yīng)用。為傳送正確的氣體分子量，需要選擇正確的薄膜及毛管的孔徑尺寸。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。這些反應(yīng)由針對(duì)被測(cè)氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。 在實(shí)際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化發(fā)應(yīng)，傳感電極電勢(shì)并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長時(shí)間后，它會(huì)導(dǎo)致傳感器性能退化。參考電極安裝在電解質(zhì)中，與傳感電極鄰近。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)測(cè)量反電極，測(cè)量結(jié)果通常與氣體濃度直接相關(guān)。(二)組成電化學(xué)傳感器包含以下主要元件：；B. 電極；C. 電解質(zhì)；D. 過濾器。如果在儲(chǔ)存過程中將其移除， 則傳感器需要很長時(shí)間來保持穩(wěn)定并準(zhǔn)備使用。傳感器穩(wěn)定需要30分鐘至24小時(shí)，并需要三周時(shí)間來繼續(xù)保持穩(wěn)定。傳感器背面有一個(gè)通氣孔以達(dá)到該目的。3．傳感器內(nèi)電池的電解質(zhì)是一種水溶劑，用憎水屏障予以隔離，憎水屏障具有防止水溶劑泄漏的作用。在大濕度條件下，長時(shí)間暴露可能導(dǎo)致過量水分蓄積并導(dǎo)致泄漏。設(shè)計(jì)用于監(jiān)控高濃度氣體的傳感器具有較低孔率屏障以限制通過的氣體分子量，因此它不受濕度影響。采用單片機(jī)AT89S52構(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)氣體傳感器及測(cè)量的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4的成分識(shí)別和濃度測(cè)量。采用ATMEL公司的DataFlash存儲(chǔ)器AT24CO2存儲(chǔ)設(shè)定的參數(shù)及大量的測(cè)量數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)硬件原理框圖一. 系統(tǒng)特點(diǎn)，監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)及新版的煤礦安全規(guī)程。4．經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)采用差分平衡式無地線傳輸方式，保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，符合歐洲工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。1． 系統(tǒng)可采集瓦斯、風(fēng)速、負(fù)壓、一氧化碳、溫度等模擬量以及開停、風(fēng)門、饋電等開關(guān)量。3． 系統(tǒng)同時(shí)具有自動(dòng)控制功能和手動(dòng)控制功能。5． 停電后系統(tǒng)可工作2小時(shí)以上。7． 網(wǎng)絡(luò)功能。，Vin是外部輸入電源，采用的是12V/3A的直流電源。Dl、D2起保護(hù)作用，當(dāng)有意外情況使得LM317的Vin電壓比Vout電壓還低的時(shí)候，防止從C3，C4上有電流倒灌入 LM317引起其損壞。VCC是單片機(jī)等集成芯片需要5V的下作電壓。LM317是美國國家半公司的三端一可調(diào)整流穩(wěn)壓器集成電路。內(nèi)置過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。因此，只需要用極小的電流來調(diào)整A川端的電壓，便可在Vout端得到比較大的輸出電流。通過調(diào)整接入ADJ端和Vout端電阻的比值，來改變輸出電壓。依據(jù) LM317的輸出電壓計(jì)算公式，: HVCC=Vref（1+R1\R2)其中：Vref= R1=1000∏,R2=10∏. 數(shù)據(jù)代入上式得：HVCC=。數(shù)據(jù)代入公式得到：VCC=. 系統(tǒng)電源電路圖 AD7810是美國模擬器件公司 (AnalogDeviCeS)生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。它的外圍接線極其簡單，AD781O的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2us，采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步串行接口輸出和單一電源 ()供電。1. AD7810引腳功能 AD7810引腳排列如圖所示，各引腳的功能如下: 1腳CONVST:轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入信號(hào) 2腳VlN+:模擬信號(hào)同相輸入端 3腳VIN—:模擬信號(hào)反相輸入端