基于单片机的智能瓦斯检测仪的设计(2)

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重要作用，但目前仍有许多装备存在适应性不强、可靠性差的问题。

由于现在井下常用瓦斯传感器有以下的缺点：

1. 触媒有寿命限界。不同的环境劣化程度不一样，寿命也不一定，但可推定其概略值。

2. 触媒种类中有因水分引起急速劣化的，各厂商的产品不一样，要根据预定使用场所做一番调查再决定。

3. 超过爆发上限(HEL)浓度的瓦斯无法燃烧而使输出减少。使用于此种地反易发生危险要特别注意。

给予目前现状考虑开发新型瓦斯传感器不仅有利于提高工作效率节约成本、更加有利于保障了矿井安全。

1.2系统简介

本设计是基于单片机的瓦斯检测仪的设计，该系统以单片机AT87C552为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，传感器可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。

该传感器可有效的降低瓦斯事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，AT87C552的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。

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2 系统原理介绍

瓦斯检测电路脉宽控制电路稳幅电路声光报警数据显示电压比较器信号适配通道单片机信号输出锯齿波发生器图2-1 原理框图

存储器红外遥控 2.1 变流瓦斯检测方法的原理

2.1.1 变流瓦斯检测方法的基本思想

为了解决上节所提到催化传感器存在的问题，就必须抛开连续电流供电的传统方法，以保证测量元件与参比元件温度永远相等，设计出真正的恒温检测桥路。

实现方法是通过一个硬件电路构成的闭环反馈系统，强迫检测元件与参比元件保持在平衡状态，使测量元件工作在恒温状态下。该检测环路使测量元件的温度与参比元件的温度进行比较，当环境中的CH4气体在测量元件表面燃烧时，测量元件的温度将很快上升使电桥失去平衡，硬件电路构成的闭环反馈系统监测到偏移信号后，输出控制脉冲信号，将已经偏移的桥路“矫正”回来，使回路周而复始地工作在偏移/校正的振荡之中。测量元件的温度是以微小的锯齿波形状的轨迹在恒温区波动，如图2-2所示：

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图2-2 传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性曲线

这个波动的温差很小，只有零点几度的差别，基本上可以认为参比元件和测量元件的温度是相等的。这种方法保证了在任何CH4浓度下，测量元件的温度不变，彻底有效地杜绝了高浓CH4的燃烧，大大延长了催化元件的使用寿命，也使仪器的零点稳定性、精度稳定性得到了的提高。

本研究所研制的脉冲供电检测桥路与传统的测量机理截然不同，检测元件工作于间歇脉冲供电状态，不随CH4温度变化，反馈环路中的脉冲频率与CH4浓度呈正比关系。从微观的角度上看，单片机检测的是测量元件上温度的上升速率，而传统方法则是检测元件上的绝对温度。测量桥路是恒温的，无论检测多高浓度的瓦斯，检测元件的温度都不变，所以它能够抗高浓冲击，能够拥有更长的寿命和极好的稳定性。

2.1.2 变流瓦斯检测方法的原理

变流检测方法是一种使载体催化传感元件在检测瓦斯气体时保持恒温状态的新型检测方法。它的基本原理是：在瓦斯浓度升高时，通过闭环反馈电路，使工作电流相应减少，以保持催化元件的温度不变，利用电流的减少量和瓦斯含量间的对应关系，实现瓦斯含量的检测。

载体催化元件的静态热平衡方程是：

4I2r???CH4??B(t1?t0)?A?B(t14?t0) （2-1）

式中 I—载体催化元件的工作电流； r—载体催化元件的电阻； ?—瓦斯氧化反应燃烧热系数； ?CH4—空气中瓦斯体积分数；

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t1—载体催化元件温度；

t0—环境温度；

?—热传导系数；

B—元件面积； A—辐射系数；

?—角系数。

方程式左边是单位时间内工作电流所产生的热量和瓦斯气体在载体催化传感元件表面发生氧化反应所产生的热量之和，后者与瓦斯体积分数成正比；方程式右边是催化传感元件在单位时间内热传导和热辐射损失的热量之和，其中传导热是催化传感元件通过导线和空气传递的热量之和，由于催化传感元件工作在一个半封闭的气罩内，其同空气的对流散热很小，可忽略不计。方程两边在催化传感元件达到热平衡时是相等的。

在变流瓦斯检测中，工作电流随着瓦斯浓度增加而减小，元件处于恒温状态，载体催化元件工作温度和阻值保持不变。故在环境温度一定的情况下，方程式右边为一常数，设

4K0??B(t1?t0)?A?B(t14?t0) （2-2）

2对于该种检测方法，因保持t1不变，即当无瓦斯(?CH4?0)时，I0r?K0；当有瓦

斯时

2 I2r???CH4?K0?I0r （2-3）

式中I、I0分别为有瓦斯、无瓦斯的工作电流，即

2I?I0??r?CH4 （2-4）

此式表明电流变化与瓦斯体积分数不是线性关系。因此，在设计检测电路时，为使电流大小能反映瓦斯体积分数，不能采用一般的可控直流电源，而需采用宽度可调的脉冲电流源，即脉冲电流的幅值恒定，但其宽度可由反馈信号调节。当瓦斯体积分数增加时，减少脉冲的宽度T以减少通过元件的平均电流。

由式（3-3）知，瓦斯体积分数为 ?CH4?r?2I0?r?I2 （2-5）

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与电流平方成线性关系，脉冲电流有效值为

T1T12112I?Im （2-6） I? Idt?IPmm?TT0TT式中T为脉冲电流周期，Im为脉冲电流幅值。在Im一定的条件下与占空比的平方根T1/T成线性关系，即其平方与占空比成线性关系。又脉冲电流平均值IP为，与占空比成线性关系，故脉冲电流的平均值可以线性地反映瓦斯体积分数，即瓦斯浓度。

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