摘要：在我国煤矿安全事故中,甲烷爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的50%以上,成为实现安全生产的最大障碍。及时准确地检测甲烷含量,在安全生产中具有非常重要的意义。由于矿井内工作人员比较分散,工作地点变动频繁,使用便携式智能甲烷检测报警仪,轻便、灵活、经济、使用方便、便于携带,在生产实践中非常实用。
关键词：矿井；甲烷浓度；检测仪
1甲烷气体检测报警器常见传感器类型
1.1催化燃烧型
如果没有达到引燃温度，可燃气体混合物不会燃烧。然而，如果出现某种化学介质，这种气体可以在较低温度下燃烧或引燃，这种现象称为催化燃烧。利用这种原理制作而成的传感器称之为催化燃烧传感器。催化燃烧型传感器特点：输出具有良好的线性，电路处理上方便，广谱性好，必须有氧气参与催化燃烧，遇到含硫、磷、氯、硅等化合物容易造成传感器中毒。
1.2红外线吸收型
利用不同气体具有自己独特的分子结构，对某一特定波段的红外光具有吸收能力，通过检测红外光的强度变化来测量可燃气体的浓度。红外线吸收型传感器特点：不会中毒、老化，响应速度快，使用寿命长，精度较高，广谱性差。
1.3热导型
依据不同可燃气体的导热系数与空气的差异来测定气体的浓度，通常利用电路将导热系数的差异转化为电阻的变化。利用传感器的温度随被测气体浓度的改变而发生相应的变化，实现对不同浓度气体的检测。热导型传感器特点：检测范围大，工作稳定性好，使用寿命长，精度低，灵敏度低，温度漂移大[1]。
2智能甲烷浓度检测仪工作原理
智能甲烷浓度检测仪采用具有语音播放功能的SPCE061A单片机和新型气体传感器相结合的方法对甲烷浓度进行检测。选用低功耗的非加热半导体气体传感器对甲烷浓度信号进行采集并转换为电信号,然后通过单片机进行相应的数据处理,并通过软件对仪器的灵敏度进行修正,克服了传统的甲烷检测仪功耗大、灵敏度随时间降低等缺点。最后进行液晶显示和语音播报,语音播报除播报浓度值以外,还要提醒现场浓度是否超标,因此,要事先生成语音资源。为生成语音资源,首先在PC机上通过麦克风输入语音信息,利用A dobe Audition软件生成＊.w av文件,再利用SACMv41dx语音函数库附带的SunAudior对＊.w av进行压缩编码,生成＊.s72文件,并存放于工程,供语音播放时使用。
3方案设计
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图1
3.1系统框图
便携式智能甲烷检测报警仪,主要由以上几个部分组成,惠斯顿电桥完成甲烷浓度到电信号的转换,由差分电路完成对小信号的放大,由AVR单片机完成A/D转换和数据处理,电源部分完成系统所需电源转换,键盘和显示电路完成人机对话,报警电话完成仪器声光报警。
3.2硬件电路
仪器硬件电路由前置测量电路和单片机及外围电路组成。前置测量电路由稳压电源、催化元件组成的惠斯顿电桥、差动前置放大电路构成。电源电路采用美国MAX公司最新超低差压线性稳压芯片,电位器采用进口高精度多圈电位器,黑白元件采用高质量的LXK-3低电流热催化元件,控制芯片采用ATmega8新型AVR高档单片机,低功耗贴片QFP封装,内部含有8路10位AD转换器,具有先进的RISC精简指令集结构,集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器,具有丰富强大的外部接口,可在丝编程,适合很宽的工作电压范围使用,器件优良、性能稳定、大大提高了可靠性、降低了故障率。显示电路由四个数码管及驱动电路构成。报警电路由蜂鸣器、高亮度发光管及驱动电路构成。
4软件设计
软件设计程序
软件采用功能模块化设计,由主程序和4个子模块组成。主程序完成初始化、系统自检和子模块调用;数据采集和A/D转换子模块自动完成对信号的采集并进入单片机A/D口；数据处理子模块对A/D口采集的数据进行处理(包括电压大小、频率参数的处理)；液晶显示子模块完成对液晶模块的软件驱动、浓度显示;中断子模块完成各种中断信号的处理,如按键等。软件程序采用汇编语言和C语言混合编写。SPCE061A型单片机汇编语言和C语言可以互相调用,且可读性好,可靠性高。系统的开发平台是凌阳IDE集成开发环境软件包,其开发通过在线调试器PROBE(既是一个编程器,又是一个实时在线调试器,代替了在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具———硬件在线实时仿真器和程序烧写器)实现。主程序流程如图2所示。
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图2主程序流程图
5催化燃烧式甲烷检测报警仪
煤矿常用的便携式甲烷检测报警仪目前绝大部分为催化燃烧原理的甲烷测定器,该仪器的原理是:利用甲烷在载体催化元件上发生氧化燃烧,产生热量并引起电阻值的变化,然后利用转换电路实现甲烷浓度值的测量。载体催化元件(俗称黑白元件)是甲烷便携仪的主要部件,其具有双值性,即在一定浓度范围内,元件输出的电信号与甲烷浓度成很好的正比例的线性关系,但是到了一定浓度时出现拐点,甲烷浓度和元件输出的电信号不再呈规则的线性关系,之后呈现反比例关系。常用的甲烷检测仪在0～4%范围内读值精度非常可靠。但该元件寿命较短,一般现在厂家承诺的寿命即元件活性下降到50%所需的时间不少于一年。同时元件活性受环境影响较大,矿井的硫化物会使元件出现中毒,环境湿度大也会降低元件的活性。另外当催化元件长期工作在低浓度(1%以下)下,突然遇到高浓度甲烷时(5%以上)、而后又恢复到低浓度工作,这时候元件的活性会提高,即所谓的元件的“激活”,会使仪器的测量结果偏高,需要及时进行调校。
6煤矿现场甲烷检测仪器的管理
(1)建立甲烷检测仪器管理制度。从仪器的购买、验收、检定、使用、维护、校准、发放等环节进行规范管理,制定仪器购买和周期检定计划,确保随时有完好仪器投入使用。(2)建立从购买、管理到发放、使用和维护等的各级人员的管理责任制,从人员上确保仪器管理无漏洞。(3)建立检测仪器强制报废制度。为了确保仪器的使用安全,对不符合要求或者虽然符合要求但是不能保证稳定性的仪器,可以实行强制报废。(4)把不能保证检测仪器的及时到位视为事故进行处理,以加大管理力度。[3](5)加强维护、使用仪器人员的培训,做到应知应会并熟练操作,并进行定期不定期的考核。(6)建立检测仪器的信息传递机制,确保先进、稳定的仪器及时投入现场使用。
结束语
便携式甲烷气体浓度检测仪应用非常广泛，传统便携式甲烷检测仪多采用设置报警门限的方法，浓度低于门限值时不报警，达到或高于门限时报警。但事实证明，当甲烷浓度暂处于较低危险浓度但正以较快速度逼近较高危险状态时，危险程度更应该被合理地归为较高危险状态。而传统甲烷检测仪无法解决这个问题，因而往往造成误报漏报；另外，传统检测仪的显示结果为浓度数据，往往难于直观地反映气体的危险情况（特别是对非专业人员）。
参考文献
[1]赵新权.智能便携式甲烷检测报警仪[J].矿业安全与环保,2003(S1):152-154.
[2]潘坤保.CGW智能甲烷传感器的特性与应用[J].南昌大学学报(工科版),1997(04):59-62.
论文作者:刘朋飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/17
标签：甲烷论文; 浓度论文; 元件论文; 电路论文; 气体论文; 传感器论文; 仪器论文; 《基层建设》2019年第31期论文;