設計瓦斯濃度測量裝置

A. 光學瓦斯檢測儀使用步驟

瓦斯儀器操作
進入檢查區域後，按巡迴圖表所擬定路線及時間依次達到各檢查點。
1.瓦斯測定
一手將連接瓦斯入口的膠管按二氧化碳吸收劑管用探仗伸向測點（距離巷道頂200板mm以下處）手壓氣球10次以上，待測氣體入氣室，然後收回探仗，打開目鏡護蓋。觀察光譜黑線在分劃板上的移動位置，同時調整測微手輪，使光譜黑線在分劃板上移到靠近的整數位置上。再觀測測微刻度盤上指示的讀數，將分劃板上指示的整數與測微盤上指示的小數相加即為該點的瓦斯濃度。
2.二氧化碳測定
在測定點距巷道底板200mm以上處，首先測出該點的瓦斯濃度，然後拔開二氧化碳吸收劑管，將儀器吸氣嘴伸向同一地點。同測瓦斯濃度方法一樣。吸取二氧化碳和瓦斯的混合氣體，讀出混合氣體濃度數值減去已測出的同點的瓦斯濃度再乘以0.925所得數即為該點的二氧化碳濃度。
瓦斯檢測程序及操作
（一） 入井前的准備工作
1. 佩戴好瓦斯檢查工特種作業人員操作證。
2、對攜帶的光學瓦斯檢測儀的葯品、氣路及氣密性、條紋進行檢查，確認其性能良好。
⑴對葯品效能進行檢查。吸收管內的乾燥劑用氯化鈣或變色硅膠。變色硅膠為藍色顆粒狀，直徑2～3mm為宜，極易吸收水分而逐漸變為粉紅色。吸濕變色後就應更換。但吸濕變色後的硅膠經過乾燥處理後可以復用。
吸收二氧化碳的是鈉石灰又名鹼石灰，儀器使用的是含有變色指示劑的粉紅色顆粒，吸收後變為淡黃色。葯品顆粒粒度以3～5mm為宜。
⑵對一起進行氣密性檢查。先檢查吸氣球是否漏氣。檢查方法是：一隻手捏扁吸氣球壓出球內氣體，另一隻手壓住球上的橡皮管，如球不膨脹還原，就證明不漏氣，否則可以從氣球是否損壞、活塞芯子是否清潔等方面來找原因。然後對儀器的氣樣通道進行檢查。其檢查方法與檢查吸氣球一樣，只是把壓住吸氣球上的橡皮管改為堵住儀器的進氣口，如漏氣應對各連接部分分別檢查，找出原因進行檢修。
⑶檢查干涉條紋是否清晰。按下按鈕由目鏡觀察，旋轉保護玻璃座調整視度直到數字最清晰，再看干涉條紋是否清晰。如不清晰，可將光源燈泡蓋打開，用調整燈泡的位置來改善。
⑷用新鮮空氣清洗氣室。儀器在使用前必須在測定地區氣溫相差不超過10℃的新鮮空氣中清洗氣室，這是因為：第一，不同溫度的氣體的折射率是不同的，因此當對零和測定地點的溫度差別太大時，會引起測量誤差，第二，這種儀器對溫度的變化是比較敏感的，溫度變化會引起對好零的條紋移動（現場稱為「跑正」或「跑負」）。清洗氣室一般在井底車場進行。清洗的方法是擠壓五六次吸氣球，讓新鮮空氣流經吸收管後進入氣室。
⑸干涉條紋的「0」位調定。清洗氣室後在同一地點隨即進行「0」位調定。其方法是：先按下微調按鈕（上按鈕），轉動測微手輪，使刻度盤的「0」位與指標線重合，然後按下粗調按鈕（下按鈕），轉動粗動手輪，從目鏡中觀察，把干涉條紋的兩條黑線中的任意一條對准分劃板上的零線，並記住所對的這條黑線，旋上護蓋。此後護蓋不得再旋動，以免「0」位變動。另外在旋護蓋時不要擰的過緊，容易壓迫儀器本體，使本體組件變形而造成「0」位移動。
上好護蓋後要再看一下干涉條紋中對零的黑線是否移動，若移動需要重新調零。

B. 瓦斯感測器工作原理及分類介紹

瓦斯感測器工作原理及分類介紹：

瓦斯煙霧可燃氣體感測器的使用可分為瓦斯泄漏的檢出及濃度的測定，瓦斯取樣分析。一般瓦斯感測器可分為接觸燃燒式、半導體式、熱傳導式熱阻體式三種感測器。現將其特性簡述於後：

1. 接觸燃燒式瓦斯感測器

此感測器近年來在炭坑內的沼氣檢出，都市管路瓦斯、筒裝瓦斯、液化天然瓦斯、各種化學工廠等公共安全的需要，能確實安定檢出並具有急速響應特性。

接觸燃燒式瓦斯感測器對瓦斯的輸出感度不大，所以將瓦斯檢知組件RD和密閉於純空氣中或做對瓦斯不感測的補償組件RC，如圖1 所示構成的橋式電路，調整R1，R2使當RD組件周圍空氣中無瓦斯時，RD•R2 = RC•R1則輸出端＋、－間輸出為0，瓦斯濃度為0%。

C. 我國現在流行使用的瓦斯監測系統及其原理

設計的智能瓦斯檢測儀顧名思義是對井下的甲烷濃度進行測定，以便掌握第一手數據，對保證井下的正常生產起著很重要的作用。這個智能瓦斯檢測儀採用集成電路的新型瓦斯檢測和報警裝置，並具有一定的顯示功能。它以蓄電池為電源，具有數碼管數字顯示及聲、光報警功能。具有操作簡單、讀數明顯、測量准確、穩定性好等優點，同時還具有防震、防塵、防潮濕、便於攜帶等優點。

智能瓦斯檢測儀僅由感測器、比例放大器、比較器、報警電路、A/D轉換器、LED顯示器、直流電壓變換器、欠壓指示電路及高性能穩壓器等部分組成

D. 瓦斯監測裝置優先選用什麼電氣設備

本質安全型。瓦斯氣體探測器就是一款對瓦斯氣體濃度進行監控的固定式安全儀器，採用進口氣體感測器、催化燃燒式檢測原理、自然擴散式檢測方式，24小時實時監控瓦斯的現場濃度值，保證工人作業的安全性，其優先選用本質安全型電氣設備。

E. 基於87c552的瓦斯感測器

安徽理工大學 來回答
圖2-1 原理框圖
2.1 變流瓦斯檢測方法的原理
2.1.1 變流瓦斯檢測方法的基本思想
為了解決上節所提到催化感測器存在的問題，就必須拋開連續電流供電的傳統方法，以保證測量元件與參比元件溫度永遠相等，設計出真正的恆溫檢測橋路。
實現方法是通過一個硬體電路構成的閉環反饋系統，強迫檢測元件與參比元件保持在平衡狀態，使測量元件工作在恆溫狀態下。該檢測環路使測量元件的溫度與參比元件的溫度進行比較，當環境中的CH4氣體在測量元件表面燃燒時，測量元件的溫度將很快上升使電橋失去平衡，硬體電路構成的閉環反饋系統監測到偏移信號後，輸出控制脈沖信號，將已經偏移的橋路「矯正」回來，使迴路周而復始地工作在偏移/校正的振盪之中。測量元件的溫度是以微小的鋸齒波形狀的軌跡在恆溫區波動，如圖2-2所示：

圖2-2 傳統的檢測橋路與恆溫橋路的濃度溫度特性曲線
Fig2-2 contrasting curve between two methods
這個波動的溫差很小，只有零點幾度的差別，基本上可以認為參比元件和測量元件的溫度是相等的。這種方法保證了在任何CH4濃度下，測量元件的溫度不變，徹底有效地杜絕了高濃CH4的燃燒，大大延長了催化元件的使用壽命，也使儀器的零點穩定性、精度穩定性得到了的提高。
本研究所研製的脈沖供電檢測橋路與傳統的測量機理截然不同，檢測元件工作於間歇脈沖供電狀態，不隨CH4溫度變化，反饋環路中的脈沖頻率與CH4濃度呈正比關系。從微觀的角度上看，單片機檢測的是測量元件上溫度的上升速率，而傳統方法則是檢測元件上的絕對溫度。測量橋路是恆溫的，無論檢測多高濃度的瓦斯，檢測元件的溫度都不變，所以它能夠抗高濃沖擊，能夠擁有更長的壽命和極好的穩定性。
2.1.2 變流瓦斯檢測方法的原理
變流檢測方法是一種使載體催化感測元件在檢測瓦斯氣體時保持恆溫狀態的新型檢測方法。它的基本原理是：在瓦斯濃度升高時，通過閉環反饋電路，使工作電流相應減少，以保持催化元件的溫度不變，利用電流的減少量和瓦斯含量間的對應關系，實現瓦斯含量的檢測。
載體催化元件的靜態熱平衡方程是[47]：
（2-1）
式中 I—載體催化元件的工作電流；
r—載體催化元件的電阻；
—瓦斯氧化反應燃燒熱系數；
—空氣中瓦斯體積分數；
—載體催化元件溫度；
—環境溫度；
—熱傳導系數；
B—元件面積；
A—輻射系數；
—角系數。
方程式左邊是單位時間內工作電流所產生的熱量和瓦斯氣體在載體催化感測元件表面發生氧化反應所產生的熱量之和，後者與瓦斯體積分數成正比；方程式右邊是催化感測元件在單位時間內熱傳導和熱輻射損失的熱量之和，其中傳導熱是催化感測元件通過導線和空氣傳遞的熱量之和，由於催化感測元件工作在一個半封閉的氣罩內，其同空氣的對流散熱很小，可忽略不計。方程兩邊在催化感測元件達到熱平衡時是相等的。
在變流瓦斯檢測中，工作電流隨著瓦斯濃度增加而減小，元件處於恆溫狀態，載體催化元件工作溫度和阻值保持不變。故在環境溫度一定的情況下，方程式右邊為一常數，設
（2-2）
對於該種檢測方法，因保持 不變，即當無瓦斯( )時， ；當有瓦斯時
（2-3）
式中I、 分別為有瓦斯、無瓦斯的工作電流，即
（2-4）
此式表明電流變化與瓦斯體積分數不是線性關系。因此，在設計檢測電路時，為使電流大小能反映瓦斯體積分數，不能採用一般的可控直流電源，而需採用寬度可調的脈沖電流源，即脈沖電流的幅值恆定，但其寬度可由反饋信號調節。當瓦斯體積分數增加時，減少脈沖的寬度T以減少通過元件的平均電流。
由式（3-3）知，瓦斯體積分數為
（2-5）
與電流平方成線性關系，脈沖電流有效值為
（2-6）
式中T為脈沖電流周期， 為脈沖電流幅值。在 一定的條件下與占空比的平方根 成線性關系，即其平方與占空比成線性關系。又脈沖電流平均值 為，與占空比成線性關系，故脈沖電流的平均值可以線性地反映瓦斯體積分數，即瓦斯濃度。

2.2 變流瓦斯檢測電路簡介
根據上節所述的變流瓦斯檢測原理，設計了如圖2-3所示的變流瓦斯檢測電路，該電路主要由電橋不平衡信號取樣電路、鋸齒波發生電路、電壓比較器和脈沖穩幅電路四個部分組成。

圖2-3 變流檢測電路
Fig2-3 methane detecting circuit on variable current
A部分為電橋不平衡信號取樣電路，用此信號去調節C部分電壓比較器輸出的脈沖電壓寬度；B部分為鋸齒波發生電路，由555構成的時基電路工作在自激狀態，振盪頻率為1kHz，即周期為T=1ms，輸出的鋸齒波電壓送到電壓比較器的正端；C部分電壓比較器的負端接受來自A部分的輸出電壓Uo2，當鋸齒波電壓超過控制電壓Uo2時，比較器輸出電壓為高電平，鋸齒波回掃時，當其電壓值低於Uo2時，比較器輸出為低電平，這樣將形成一個矩形脈沖電壓。在一系列鋸齒波作用下，比較器就輸出一矩形脈沖電壓系列；D部分由高准確度可控穩壓管TL431構成的脈沖穩幅電路，當通過TL431的電流在(1～100)mA范圍內時，只要分壓電阻的溫度系數相同，則輸出電壓有很高的穩定性，從而保證了在輸入脈沖幅值變化時，輸出脈沖的幅值恆定。為保證有足夠的電流通過載體催化元件，設置了由三極體組成的脈沖電流放大環節。下面將詳細討論這四部分電路。
2.2.1 恆溫控制信號取樣電路
圖2-4為恆溫控制信號取樣電路：這里沒有採用傳統的惠斯通電橋來獲取瓦斯

圖2-4 恆溫控制信號取樣電路
Fig2-4 constant temperature controlling signal sampling circuit
與催化元件反應時產生的不平衡電壓，而是用運放集成塊組成運算電路，對電壓信號進行處理，這樣做的好處是抑制共模信號的能力增強了，同時由於黑元件上催化燃燒產生的電壓只有毫伏級，不能直接與鋸齒波信號進行比較，在Uo1的後面加入了同相比例運算電路，對前面輸出的電壓進行放大，以使其能與鋸齒波電壓進行比較從而輸出所需的脈沖電壓。當有瓦斯氣體時，在黑元件上發生催化燃燒，黑元件溫度上升，其阻值也隨之上升，它上面的電壓升高，不難推出：
（2-7）
式中 、 為無瓦斯時的阻值， 、 為電流流經元件時溫度上升產生的阻值， 為瓦斯氣體在元件上燃燒時溫度上升產生的阻值，前面已經提及，所謂的恆溫是指溫度在一個很小的范圍內波動近似看成的，因此 、 、 的值都是非常小的，故ΔU也很小，需要經過放大才能與鋸齒波進行比較。
在圖2-4中有
（2-8）
則 （2-9）
（2-10）
適當選取電阻值，使m=1，n=2，這樣便可獲得瓦斯在黑元件上燃燒產生的電壓。
這里在實驗室用QJ23單臂直流電橋對鉑絲繞制的黑白元件的阻值進行了測定，當環境溫度為16℃～19℃時，測得的黑白元件的阻值分別為8.236Ω和8.227Ω（實際上這時黑白元件的溫度已經大於400℃，達到了工作狀態）。在檢測瓦斯時需要將催化元件加熱到500℃左右，給黑白元件提供3V的恆定電壓，發生催化燃燒時，假設溫度上升10℃，這時候黑元件阻值變為10Ω左右，電流大概是150mA，則黑元件上產生的電壓大概為0.265V。在圖8中有：
（2-11）
取 為14左右，則可將瓦斯催化燃燒產生的電壓放大到合適的幅值與鋸齒波電壓進行比較。
2.2.2 鋸齒波發生電路
555定時器是一種應用極為廣泛的中規模集成電路。該晶元使用靈活方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩、多諧和施密特觸發器，因而廣泛用於信號的產生、變換、控制與檢測。圖2-5為NE555和R2，R3，C1組成的無穩態多諧振盪器：

圖2-5 鋸齒波發生電路
Fig2-5 toothed wave generating circuit
振盪器的輸出頻率為：
（2-12）
由此可算得輸出頻率為1kHz，C2起正反饋作用，即在Q1射級跟隨器輸出鋸齒波的同時，正反饋至R2的上端，故在C1充電期間，R2上的壓降保持不變，即C1的充電速率不變，因而極大地保證了鋸齒波的線性。其非線性可控制在1%以下，且溫度穩定性好。圖中在555的電壓控制端5腳外接了一個可調的控制電壓，用以改變555內部比較器的基準電壓值，即比較電平，由此可改變鋸齒波的振幅，這里通過調節Rp1使輸出鋸齒波的最大值為4V。
重要晶元555定時器簡介：
各腳主要功能：
•地 GND
•觸發
•輸出
•復位
•控制電壓
•門限(閾值）
•放電
•電源電壓Vcc
555 定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規模集成器件。一般用雙極性工藝製作的稱為 555，用 CMOS 工藝製作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，輸出驅動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。
555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振盪器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用於儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻，一個 RS 觸發器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3 。
555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發輸入端 TR 的電壓小於VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大於 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大於VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發器置 0，使輸出為 0 電平。
詞名：555 timer 中文解釋：555定時器
2.2.3 電壓比較電路
電壓比較器可將模擬信號轉換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態的離散信號。因此可用電壓比較器來產生脈沖方波電壓信號。電路如圖2-7所示：

圖2-7 電壓比較器電路
Fig2-7 voltage comparing circuit
這里選用的電壓比較器的型號為AD790，它有同相和反相兩個輸入端，同相端接鋸齒波電壓信號，反相端接瓦斯檢測電路的輸出電壓，也就是脈沖電壓寬度的控制信號。比較器採用單電源供電，引腳8接邏輯電平，其取值決定於負載所需高電平，這里接+5V，此時比較器輸出高電平為4.3V。引腳5為鎖存控制端，當它為低電平時，鎖存輸出信號。圖2-7中C4、C5均為去耦電容，用於濾去比較器輸出產生變化時電源電壓的波動，R8是輸出高電平時的上拉電阻。
2.2.4 脈沖電壓穩幅電路
電路中選用TL431晶元對比較器輸出的脈沖電壓進行穩幅。電路如圖2-8所示：

圖2-8 脈沖穩壓電路
Fig2-8 range of pulse stabilitating circuit
TL431是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源, 它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V的任何值，工作電流范圍為1mA～100mA，K、A腳兩端輸出電壓為：
（2-13）
改變Rp2的阻值，就可以改變輸出基準電壓大小，這里通過調節Rp2使輸出的脈沖電壓的幅值穩定在3V。

3 整體硬體介紹
3.1 87c552簡介
本設計瓦斯感測器是以單片機為核心，所以對於單片機的選型決定了硬體的復雜和簡單。要想把變流瓦斯檢測電路、聲光報警電路、紅外遙控電路和電源電路都融合到單片機控制中，則要對相應的電路分配相應的單片機埠即I/O口。如果使用51系列單片機則由於此類單片機的I/O口只有三個，所以要滿足設計要求則必須對單片機的I/O口進行擴展，使其達到設計所需要的口數，而這樣就要用到晶元8155進行擴展這樣不僅在硬體上顯得繁瑣，而且從性價比方面考慮成本也是比較高的，同時51系列單片機內部不包括A/D轉換器，那麼在硬體中還要加入此轉換器才能把外部信號轉換成單片機能識別的數字信號。
由於87c552單片機有5個外部雙向8位輸入/輸出（I/O）口，這樣對於我們的設計就在I/O口數量方面滿足了我們的要求，而且它內部還集成了A/D轉換裝置，同時還滿足模數轉換的需要，所以綜合進行考慮我們首選87c552單片機。
3.1.1 87c552概述
87C552單片機系統
87C552具有如下特點：68個引腳，8k位元組的片內程序存儲器，可外部擴展64k位元組。256位元組的隨機存取數據存儲器（RAM），5個外部雙向8位輸入/輸出（I/O）口，4個中斷優先順序2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個 全雙工串列通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鍾振盪器。
此外，87C552設計和配置了振盪頻率可為0Hz並可通過軟體設置省電模式。空閑模式 下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串列口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振盪器而保存RAM的數據，停止晶元其它功能直至外中斷激活或硬體 復位。同時該晶元還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。