设计瓦斯浓度测量装置

A. 光学瓦斯检测仪使用步骤

瓦斯仪器操作
进入检查区域后，按巡回图表所拟定路线及时间依次达到各检查点。
1.瓦斯测定
一手将连接瓦斯入口的胶管按二氧化碳吸收剂管用探仗伸向测点（距离巷道顶200板mm以下处）手压气球10次以上，待测气体入气室，然后收回探仗，打开目镜护盖。观察光谱黑线在分划板上的移动位置，同时调整测微手轮，使光谱黑线在分划板上移到靠近的整数位置上。再观测测微刻度盘上指示的读数，将分划板上指示的整数与测微盘上指示的小数相加即为该点的瓦斯浓度。
2.二氧化碳测定
在测定点距巷道底板200mm以上处，首先测出该点的瓦斯浓度，然后拔开二氧化碳吸收剂管，将仪器吸气嘴伸向同一地点。同测瓦斯浓度方法一样。吸取二氧化碳和瓦斯的混合气体，读出混合气体浓度数值减去已测出的同点的瓦斯浓度再乘以0.925所得数即为该点的二氧化碳浓度。
瓦斯检测程序及操作
（一） 入井前的准备工作
1. 佩戴好瓦斯检查工特种作业人员操作证。
2、对携带的光学瓦斯检测仪的药品、气路及气密性、条纹进行检查，确认其性能良好。
⑴对药品效能进行检查。吸收管内的干燥剂用氯化钙或变色硅胶。变色硅胶为蓝色颗粒状，直径2～3mm为宜，极易吸收水分而逐渐变为粉红色。吸湿变色后就应更换。但吸湿变色后的硅胶经过干燥处理后可以复用。
吸收二氧化碳的是钠石灰又名碱石灰，仪器使用的是含有变色指示剂的粉红色颗粒，吸收后变为淡黄色。药品颗粒粒度以3～5mm为宜。
⑵对一起进行气密性检查。先检查吸气球是否漏气。检查方法是：一只手捏扁吸气球压出球内气体，另一只手压住球上的橡皮管，如球不膨胀还原，就证明不漏气，否则可以从气球是否损坏、活塞芯子是否清洁等方面来找原因。然后对仪器的气样通道进行检查。其检查方法与检查吸气球一样，只是把压住吸气球上的橡皮管改为堵住仪器的进气口，如漏气应对各连接部分分别检查，找出原因进行检修。
⑶检查干涉条纹是否清晰。按下按钮由目镜观察，旋转保护玻璃座调整视度直到数字最清晰，再看干涉条纹是否清晰。如不清晰，可将光源灯泡盖打开，用调整灯泡的位置来改善。
⑷用新鲜空气清洗气室。仪器在使用前必须在测定地区气温相差不超过10℃的新鲜空气中清洗气室，这是因为：第一，不同温度的气体的折射率是不同的，因此当对零和测定地点的温度差别太大时，会引起测量误差，第二，这种仪器对温度的变化是比较敏感的，温度变化会引起对好零的条纹移动（现场称为“跑正”或“跑负”）。清洗气室一般在井底车场进行。清洗的方法是挤压五六次吸气球，让新鲜空气流经吸收管后进入气室。
⑸干涉条纹的“0”位调定。清洗气室后在同一地点随即进行“0”位调定。其方法是：先按下微调按钮（上按钮），转动测微手轮，使刻度盘的“0”位与指标线重合，然后按下粗调按钮（下按钮），转动粗动手轮，从目镜中观察，把干涉条纹的两条黑线中的任意一条对准分划板上的零线，并记住所对的这条黑线，旋上护盖。此后护盖不得再旋动，以免“0”位变动。另外在旋护盖时不要拧的过紧，容易压迫仪器本体，使本体组件变形而造成“0”位移动。
上好护盖后要再看一下干涉条纹中对零的黑线是否移动，若移动需要重新调零。

B. 瓦斯传感器工作原理及分类介绍

瓦斯传感器工作原理及分类介绍：

瓦斯烟雾可燃气体传感器的使用可分为瓦斯泄漏的检出及浓度的测定，瓦斯取样分析。一般瓦斯传感器可分为接触燃烧式、半导体式、热传导式热阻体式三种传感器。现将其特性简述于后：

1. 接触燃烧式瓦斯传感器

此传感器近年来在炭坑内的沼气检出，都市管路瓦斯、筒装瓦斯、液化天然瓦斯、各种化学工厂等公共安全的需要，能确实安定检出并具有急速响应特性。

接触燃烧式瓦斯传感器对瓦斯的输出感度不大，所以将瓦斯检知组件RD和密闭于纯空气中或做对瓦斯不感测的补偿组件RC，如图1 所示构成的桥式电路，调整R1，R2使当RD组件周围空气中无瓦斯时，RD•R2 = RC•R1则输出端＋、－间输出为0，瓦斯浓度为0%。

C. 我国现在流行使用的瓦斯监测系统及其原理

设计的智能瓦斯检测仪顾名思义是对井下的甲烷浓度进行测定，以便掌握第一手数据，对保证井下的正常生产起着很重要的作用。这个智能瓦斯检测仪采用集成电路的新型瓦斯检测和报警装置，并具有一定的显示功能。它以蓄电池为电源，具有数码管数字显示及声、光报警功能。具有操作简单、读数明显、测量准确、稳定性好等优点，同时还具有防震、防尘、防潮湿、便于携带等优点。

智能瓦斯检测仪仅由传感器、比例放大器、比较器、报警电路、A/D转换器、LED显示器、直流电压变换器、欠压指示电路及高性能稳压器等部分组成

D. 瓦斯监测装置优先选用什么电气设备

本质安全型。瓦斯气体探测器就是一款对瓦斯气体浓度进行监控的固定式安全仪器，采用进口气体传感器、催化燃烧式检测原理、自然扩散式检测方式，24小时实时监控瓦斯的现场浓度值，保证工人作业的安全性，其优先选用本质安全型电气设备。

E. 基于87c552的瓦斯传感器

安徽理工大学 来回答
图2-1 原理框图
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：

图2-2 传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性曲线
Fig2-2 contrasting curve between two methods
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[47]：
（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；
—空气中瓦斯体积分数；
—载体催化元件温度；
—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
（2-2）
对于该种检测方法，因保持 不变，即当无瓦斯( )时， ；当有瓦斯时
（2-3）
式中I、 分别为有瓦斯、无瓦斯的工作电流，即
（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
（2-5）
与电流平方成线性关系，脉冲电流有效值为
（2-6）
式中T为脉冲电流周期， 为脉冲电流幅值。在 一定的条件下与占空比的平方根 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 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。

2.2 变流瓦斯检测电路简介
根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图2-3所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。

图2-3 变流检测电路
Fig2-3 methane detecting circuit on variable current
A部分为电桥不平衡信号取样电路，用此信号去调节C部分电压比较器输出的脉冲电压宽度；B部分为锯齿波发生电路，由555构成的时基电路工作在自激状态，振荡频率为1kHz，即周期为T=1ms，输出的锯齿波电压送到电压比较器的正端；C部分电压比较器的负端接受来自A部分的输出电压Uo2，当锯齿波电压超过控制电压Uo2时，比较器输出电压为高电平，锯齿波回扫时，当其电压值低于Uo2时，比较器输出为低电平，这样将形成一个矩形脉冲电压。在一系列锯齿波作用下，比较器就输出一矩形脉冲电压系列；D部分由高准确度可控稳压管TL431构成的脉冲稳幅电路，当通过TL431的电流在(1～100)mA范围内时，只要分压电阻的温度系数相同，则输出电压有很高的稳定性，从而保证了在输入脉冲幅值变化时，输出脉冲的幅值恒定。为保证有足够的电流通过载体催化元件，设置了由三极管组成的脉冲电流放大环节。下面将详细讨论这四部分电路。
2.2.1 恒温控制信号取样电路
图2-4为恒温控制信号取样电路：这里没有采用传统的惠斯通电桥来获取瓦斯

图2-4 恒温控制信号取样电路
Fig2-4 constant temperature controlling signal sampling circuit
与催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接与锯齿波信号进行比较，在Uo1的后面加入了同相比例运算电路，对前面输出的电压进行放大，以使其能与锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出：
（2-7）
式中 、 为无瓦斯时的阻值， 、 为电流流经元件时温度上升产生的阻值， 为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此 、 、 的值都是非常小的，故ΔU也很小，需要经过放大才能与锯齿波进行比较。
在图2-4中有
（2-8）
则 （2-9）
（2-10）
适当选取电阻值，使m=1，n=2，这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压。
这里在实验室用QJ23单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定，当环境温度为16℃～19℃时，测得的黑白元件的阻值分别为8.236Ω和8.227Ω（实际上这时黑白元件的温度已经大于400℃，达到了工作状态）。在检测瓦斯时需要将催化元件加热到500℃左右，给黑白元件提供3V的恒定电压，发生催化燃烧时，假设温度上升10℃，这时候黑元件阻值变为10Ω左右，电流大概是150mA，则黑元件上产生的电压大概为0.265V。在图8中有：
（2-11）
取 为14左右，则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值与锯齿波电压进行比较。
2.2.2 锯齿波发生电路
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该芯片使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。图2-5为NE555和R2，R3，C1组成的无稳态多谐振荡器：

图2-5 锯齿波发生电路
Fig2-5 toothed wave generating circuit
振荡器的输出频率为：
（2-12）
由此可算得输出频率为1kHz，C2起正反馈作用，即在Q1射级跟随器输出锯齿波的同时，正反馈至R2的上端，故在C1充电期间，R2上的压降保持不变，即C1的充电速率不变，因而极大地保证了锯齿波的线性。其非线性可控制在1%以下，且温度稳定性好。图中在555的电压控制端5脚外接了一个可调的控制电压，用以改变555内部比较器的基准电压值，即比较电平，由此可改变锯齿波的振幅，这里通过调节Rp1使输出锯齿波的最大值为4V。
重要芯片555定时器简介：
各脚主要功能：
•地 GND
•触发
•输出
•复位
•控制电压
•门限(阈值）
•放电
•电源电压Vcc
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。
555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。
555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。
词名：555 timer 中文解释：555定时器
2.2.3 电压比较电路
电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。因此可用电压比较器来产生脉冲方波电压信号。电路如图2-7所示：

图2-7 电压比较器电路
Fig2-7 voltage comparing circuit
这里选用的电压比较器的型号为AD790，它有同相和反相两个输入端，同相端接锯齿波电压信号，反相端接瓦斯检测电路的输出电压，也就是脉冲电压宽度的控制信号。比较器采用单电源供电，引脚8接逻辑电平，其取值决定于负载所需高电平，这里接+5V，此时比较器输出高电平为4.3V。引脚5为锁存控制端，当它为低电平时，锁存输出信号。图2-7中C4、C5均为去耦电容，用于滤去比较器输出产生变化时电源电压的波动，R8是输出高电平时的上拉电阻。
2.2.4 脉冲电压稳幅电路
电路中选用TL431芯片对比较器输出的脉冲电压进行稳幅。电路如图2-8所示：

图2-8 脉冲稳压电路
Fig2-8 range of pulse stabilitating circuit
TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源, 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V的任何值，工作电流范围为1mA～100mA，K、A脚两端输出电压为：
（2-13）
改变Rp2的阻值，就可以改变输出基准电压大小，这里通过调节Rp2使输出的脉冲电压的幅值稳定在3V。

3 整体硬件介绍
3.1 87c552简介
本设计瓦斯传感器是以单片机为核心，所以对于单片机的选型决定了硬件的复杂和简单。要想把变流瓦斯检测电路、声光报警电路、红外遥控电路和电源电路都融合到单片机控制中，则要对相应的电路分配相应的单片机端口即I/O口。如果使用51系列单片机则由于此类单片机的I/O口只有三个，所以要满足设计要求则必须对单片机的I/O口进行扩展，使其达到设计所需要的口数，而这样就要用到芯片8155进行扩展这样不仅在硬件上显得繁琐，而且从性价比方面考虑成本也是比较高的，同时51系列单片机内部不包括A/D转换器，那么在硬件中还要加入此转换器才能把外部信号转换成单片机能识别的数字信号。
由于87c552单片机有5个外部双向8位输入/输出（I/O）口，这样对于我们的设计就在I/O口数量方面满足了我们的要求，而且它内部还集成了A/D转换装置，同时还满足模数转换的需要，所以综合进行考虑我们首选87c552单片机。
3.1.1 87c552概述
87C552单片机系统
87C552具有如下特点：68个引脚，8k字节的片内程序存储器，可外部扩展64k字节。256字节的随机存取数据存储器（RAM），5个外部双向8位输入/输出（I/O）口，4个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，87C552设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式 下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件 复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。