甲烷气体检测原理与设计

甲烷气体检测原理与设计

目录

概述 (3)

第一章国内外研究现状 (4)

一、甲烷检测简介 (4)

1.1半导体式气体传感器 (4)

1.2催化燃烧式气体传感器 (5)

1.3热传导式气体传感器 (6)

1.4基于相干光干涉的气体传感器 (6)

1.5光声气体检测 (7)

1.6基于红外吸收的甲烷气体传感器 (7)

二、检测仪表 (8)

1.7便携式瓦斯检测仪表 (8)

1.8瓦斯自动监测监控系统 (10)

1.9光干涉甲烷检测仪 (11)

1.10传统光干涉甲烷检测器的不足 (12)

第二章瓦斯检测仪的研究与设计 (14)

2.1研究的意义和主要工作 (14)

2.1.1研究的意义 (14)

2.1.2主要工作 (14)

2.2瓦斯检测的原理 (18)

2.2.1载体催化元件 (18)

2.2.2传统的检测原理 (23)

2.2.3传统检测原理存在的问题 (24)

2.2.4开关式恒温瓦斯检测技术 (26)

2.2.5杨氏干涉原理 (29)

2.2.6薄膜干涉原理 (31)

2.2.7嵌入式光干涉甲烷检测仪光学原理 (34)

2.2.8嵌入式光干涉甲烷检测仪智能读数原理 (35)

第三章瓦斯检测仪的硬件选型与设计 (38)

3.1瓦斯检测仪的基本组成 (38)

3.2本安仪表的基本设计要求 (39)

3.3本系统采用的防爆措施 (39)

3.4单片机的选型 (40)

3.5元器件选型 (42)

3.5.1A/D转换器.......................................................................................42 3.5.2通信芯片选型 (43)

3.5.3蜂鸣器选型和遥控接收头选型 (44)

3.6加热采样电路的设计 (45)

3.7电源模块的设计 (49)

3.8单机片辅助电路的设计 (51)

3.9红外接收电路的设计 (52)

3.10声光报警电路 (53)

3.11显示电路 (53)

3.12电流/频率输出电路 (54)

3.13通信电路的设计 (56)

3.14开关量输出电路 (56)

第四章瓦斯检测仪软件设计 (59)

5.1软件设计概述 (59)

5.2红外遥控解码 (62)

概述

煤矿井下开采过程中，从煤岩体内油出的所有气体统称为矿井瓦斯。瓦斯的主要成分是甲烷和其他烃类，以及二氧化碳和稀有气体。瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的灾害之一，不仅造成人员大量伤亡，而且还会摧毁井下生产和安全设施，中断生产，甚至引起煤尘爆炸、矿井火灾、冒顶等二次灾害，从而加重了灾害后果，造成生产难以在短时间内恢复；•还有些煤层开采到一定深度后，在生产过程中还能发生煤与瓦斯突出，产生很大的破坏作用。

瓦斯是我国煤矿的主要灾害因素之一，瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等灾害严重威胁着我国煤矿的安全生产。由于灾害因素多、治理难度大，矿井瓦斯一直是我国煤矿安全工作的重点和难点。当前我国煤矿安全生产的现状是:煤矿瓦斯大，煤与瓦斯突出越来越严重，危险性增加。我国的所有煤矿均为瓦斯煤矿，瓦斯灾害己成为制约煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素。为此，国家煤矿安全监察局实施了“科技兴安”战略，并提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”的瓦斯治理“十二字方针”，与此同时，我国的各类科技计划也逐步加强了瓦斯灾害治理技术研究开发的支持力度。

甲烷是瓦斯气体的主要成分，规避煤矿事故的发生，必须加强对井下甲烷气体浓度的监测。因此根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，研制技术先进、实用、可靠的产品是关键所在。

第一章国内外研究现状

一、甲烷检测简介

煤层瓦斯的主要成分一般是甲烷和其它有害气体等,这些气体统称为瓦斯。由于瓦斯的危害主要是甲烷,所以从狭义上讲矿井瓦斯就专指甲烷而言。对于瓦斯的检测，主要是对于甲烷的检测。

甲烷是无色、无味、无臭可以燃烧和爆炸的气体,不能供人呼吸,能造成人员窒息,它易于扩散,扩散速度是空气的1.34倍,瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍,甲烷对空气的比重为0.544,因此容易积存在巷道顶板冒落的顶板空峒内。瓦斯的化学性质极不活泼,几乎不与其它物质化合,难溶于水。瓦斯与空气适量混合后具有燃烧爆炸性。这是瓦斯所以成为矿内主要灾害的原因所在。在标准状况下瓦斯按体积百分比浓度为5～16%时遇到高温火源后就会发生瓦斯爆炸。浓度在9.1～9.5%时爆炸威力最大。

甲烷检测主要是时时了解煤矿环境中甲烷的浓度，以为煤矿安全生产提供可靠有效的保障。按照所采用的气体浓度传感器的工作原理分类，目前国内外用于甲烷浓度检测的方法主要有以下几种：

1.1半导体式气体传感器。

半导体式气体传感器利用半导体材料表面吸附、脱附气体分子会引起半导体电导率的变化来检测气体。在所有可燃气体传感器中，应用最广的是电学类气体传感器。其中的半导体气敏元件自1962年Seiyama应用于气体探测以来，以其灵敏度高、响应时间快、经济可靠等优点而得到迅猛发展，目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。这类传感器主要有SnO2、ZnO、Fe2O3三大类，此外还开发了许多新材料。如单一金属氧化物材料有WO3,

In2O3，TiO2、BaO2、CdO、V2O5、Al2O3、ZrO2等；还有混合金属氧化物材料如ZnSnO3、NiCuO、A1VO4、CdSnO3；另外还有混合金属氧化物材料如Na2SO4-In2O3、ZnO-CuO、CdO-SnO2、SnO2-TiO2-In2O3等。上述半导体气体传感器可按检测方式不同分为电阻式和非电阻式两类。电阻式半导体气体传感器依据其电阻随气体含量的不同而变化的特征来检测气体。非电阻式半导体气敏元件则利用其电流或电压随气体含量的变化来检测气体，主要有MOS 二极管式和结型二极管式及场效应管式。

半导体甲烷传感器响应幅度大、探测范围广、制作工艺简单且基本实现了国产化，从而得到广泛使用。其缺点是稳定性差，受环境影响较大；尤其是选择性不强，易受甲烷中含有的其他气体的影响，使输出参数不能精确确定，此外，这类传感器如果长时间没有遇到探测气体，将会因氧化而进入休眠状态从而对气体泄漏不再做出反应。另外这类传感器的输出信号是非线性的，这使得定标有一定困难，不宜应用于计量要求准确的场所，现主要应用于家庭气体(如天然气)泄漏报警中。

1.2催化燃烧式气体传感器。

催化燃烧式气体传感器（又叫载体催化元件）利用可燃性气体在气敏元件表面上发生氧化反应，产生热量从而引起元件电阻值的改变，据此来检验不同浓度的气体；其结构是在铂丝线圈上包以氧化铝和粘合剂，经烧结而形成球状，外表涂敷铂、钯等稀有金属的催化层。工作时加热至300～400℃，当环境中有可燃性气体时，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，从而引起铂丝线圈温度上升、阻值增大，通过测量这一电阻的变化可测定环境中可燃气体的浓度。

接触燃烧式气体传感器使易燃气体在传感器表面接触燃烧从而引起传感器的电阻改变，将电阻的变化量转换为百分LEL(最低爆炸下限Lower Explosive Limit)显示或报警。其主要特点是计量准确、响应快速、寿命较长，