可燃气体检测仪研制：可燃性气体报警器的国内外现状；国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，；1963年5月，口本开发完成第一台接触燃烧式家用；燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性；(1}民用可燃气体报警器；民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般；(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器；工业用可燃性气体报警器及有毒有害气
可燃气体检测仪研制：可燃性气体报警器的国内外现状
国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高; 另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年一2002年气体传感器年均增长率为27%～30% o随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器口益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利十生产、运输及市场推广。 来源：东海仪表网
1963年5月，口本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。 我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。
燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器二大系列产品。
(1} 民用可燃气体报警器
民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外; 有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。
(2) 工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器
工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。
检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用十燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。
控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用十液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场所。
可燃气体检测仪研制：可燃性气体检测报警器检定--爆炸下限(LEL)概念介绍
本论文设计的可燃性气体检测报警器选用“%LEL”作为可燃性气体的测量单位及衡量标准，下面介绍关于LEL的相关概念。
“LEL”是指爆炸下限。可燃气体在空气中遇明火种爆炸的最低浓度，称为爆炸下限(Lower Explosion Limited)，简称LEL。可燃气体在空气中遇明火种爆炸的最高浓度，称为爆炸上限(Upper Explosion Limited),简称UEL。
可燃性气体的浓度过低或过高时是没有危险的，只有与空气混合形成混合气或更确切地说遇到氧气形成一定比例的混合气才会发生燃烧或爆炸。燃烧是伴有发光发热的激烈氧化反应，它必须具备三个要素：可燃物（燃气）；助燃物（氧气）；点火源（温度）。可燃气的燃烧可以分为两类，一类是扩散燃烧，即挥发的或从设备中喷出、泄漏的可燃气，遇到点火源
混合燃烧。另一类燃烧，是可燃气与空气混合着火燃烧，这种燃烧反应激烈而速度快，一般会产生巨大的压力和声响，又称之为爆炸。燃烧与爆炸没有严格的区分。
有关权威部门和专家已经对目前发现的可燃气作了燃烧爆炸分析，制定出了可燃性气体的爆炸极限，它分为爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合气中的可燃气的含量不足，
不能引起燃烧或爆炸，高于上限混合气中的氧气的含量不足，也不能引起燃烧或爆炸。另外，可燃气的燃烧与爆炸还与气体的压力、温度、点火能量等因素有关。爆炸极限一般用体积百分比浓度表示。
爆炸极限是爆炸下限、爆炸上限的总称，可燃气体在空气中的浓度只有在爆炸下限、爆炸上限之间才会发生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不会发生爆炸。因此，在进行爆炸测量时，报警浓度一般设定在爆炸下限的25%LEL以下。一般可燃气体检测仪的测量范围为0～100%LEL。
甲烷在空气浓度为9%-11%时遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆炸。假定甲烷的爆炸下限为5%体积比，那也就是说，把这个5%体积比，一百等分，让5%体积比对应100%LEL，也就是说，当检测仪数值到达10%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为0.5%体积比。当检测仪数值到达20%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为1%体积比。本设计中设定甲烷的爆炸下限为10%体积比，对应的报警限设在20%LEL，也就是甲烷含量为2%体积比时报警器报警。
可燃气体检测仪研制：可燃性气体检测报警器检定--实验误差分析
在测量仪器的实际使用中，造成误差的来源很多，通常是多种误差源综合作用的结果。就本仪器而言，误差来源主要有软件和硬件两个方面。
软件误差主要来自以下两个方面：
(1)A/D转换量化误差
STC12C5410AD单片机的内部A/D转换器为12 bit，输入单片机模拟电压信号0-3.7V，参考电压2.5V，A/D转换器对输入模拟信号的最大分辨率为2.5/(212-1)=0.00061V，因此可求得A/D转换误差为 0.=0.0%。
(2)数字滤波过程中的有限字长效应
在中位值平均滤波法数字滤波过程中，用到了乘法和除法运算，因此在运算过程中，由于字长有限而不能保留原有数据的有效位数会出现舍入误差，由于累计计算会造成计算误差。本仪器使用数据的计算全部是由STC12C5410AD完成的，可以直接执行16×16 bit定点乘法和32÷16 bit定点除法运算，所以有限字长造成的误差对于本系统而言，可以忽略不计。
硬件误差主要来自以下四个方面：
(1)非线性误差
本系统选用2M007型半导体陶瓷式气体传感器，气体浓度与输出电压存在一定的非线性，使用折线插值方法进行线性化处理，误差数据参见表5.1和图4.5。
(2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差
传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前置放大误差的主要原因，运放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。本设计选用高输入阻抗、低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去的，并经过仔细调试以获得最佳性能。
(3)电源造成的误差
虽然系统采用直流电源供电，但电源不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信号.它们对测控系统的正常运行危害很大。本系统选用ACDC电源模块，将220V市电转化为5V直流电压，分别给模拟电路和数字电路供电。为了尽量减小噪声，数字地和模拟地要一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。
(4)环境、外部噪声引起的误差
环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、湿度对传感器有一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统5%LEL的精度要求，可以忽略不计。另
外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。
因为家用煤气中主要成分为甲烷，所以本实验在气体标定时，选用甲烷气体。实际甲烷气体与进入到单片机输入端的电压值对应数据如表5.1所示。
可燃性气体浓度与单片机输入模拟电压值对应曲线如图4.5所示。从该曲线可以看出，电压值与气体浓度之间是非线性关系，为了实时显示气体浓度，需要对其进行线性化处理，使显示的可燃性气体浓度与实际误差在±5%范围内。可燃性气体浓度与测量电压值线性化示意图如图4.5所示。对曲线作线性化处理时，根据曲线的走势，将可燃性气体浓度分成7段。直线方程
f(x)?f(xi)?(x?xi)f(xi?1)?f(xi),i=1,2,3...,7
(5-1) xi?1?xi
其中，f (x)为实际气体检测LEL浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi?1是区间的上限浓度对应电压值，f(xi)为区间下限点气体LEL浓度值，f(xi?1)为区间上限点气体LEL浓度值，根据公式5-1计算出7个直线方程式，如下：
(1)0%~10%LEL
(2)10%~20%LEL
(3)20%~40%LEL
(4)40%~50%LEL
(5)50%~60%LEL
(6)60%~80%LEL
(7)80%~100%LELf(x)??0.50x?3.70 f(x)??0.50x?3.61 f(x)??0.50x?3.90 f(x)??3.2x?4.58 f(x)??3.7x?4.83 f(x)??4.05x?5.04 f(x)??9.00x?9.00
经实验的标定，实际气体浓度与显示浓度误差对比如表5.2所示：
1根据误差计算公式x?NNi?x，在本实验中N为20，计算本报警器显示气体浓度与实际
浓度之间的误差为2.55%，在所规定误差范围±5%之内。因此，本论文中的可燃性报警器满足检测要求。
可燃气体检测仪研制：本章小结
本章阐述了可燃性气体报警器的软件设计。首先介绍了软件编程的开发环境和工具的选择，这里选择的STC12系列单片机，应用KEIL C51编程器和STC单片机专用ISP下载软件开发完成。
然后按照软件实现的功能，详细地设计并叙述了几个主要部分软件流程，包括：主程序设计，主程序初始化设计，中位值平均滤波法数字滤波子程序设计，插值法线性化处理子程序设计，气体浓度显示子程序设计，报警子程序设计，按键处理子程序及串口通讯子程序设计，共八个部分。
可燃气体检测仪研制：串行通信子程序设计及流程图
由于单片机本身资源有限，在一些复杂过程或功能较多的控制中就难以满足要求，需要将单片机的数据送到上一级的微机进行处理。因此实现上位机(PC机)与下位机(单片机)之间的数据可靠通信可以通过串行口通信来实现。在数据传输量不大的情况下，按照RS-232标准进行串行通信可以应用于本报警系统。
串行方式是指数据的各位分时传送，只需要一根数据线，外加公共地线和若干条控制线。因为数据是一位一位分时传送到线路上的，所以对于一个字节数据，至少要分8次传送。串行传输比并行传输速度要低，但可以大大节省传输线路，且能进行远距离的信息数据传输。在进行串行通信时，需要计算机和外设之间共同遵守某种约定，即通信协议。EIA RS-232、RS-422及RS-485是串行通信的常用接口标准。RS-232是美国电子工业协会EIA(Electronic Industrial Association)和Bell公司一起开发，于1969年公布的通信协议。它适合传输速率在0～20kb/s范围内的通信，现已成为微机串行通信接口中广泛应用的一种标准。EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线的功能都作了如下规定：
在TXD和RXD上，逻辑1(MARK)=-5V～-15V逻辑0(SPACE)=+5～+15V也就是当传输电平的绝对值大于5V时，电路可以有效地检查出来，介于-5～+5V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±(5～15)V之间。
STC12C5410AD单片机的串行口工作在方式1，即8位异步串行通信方式，数据格式为10位(1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验)。波特率由定时器1的溢出率决定。
串行通信每秒传送的二进制数据位数(bit)称作波特率(b/s)。本设计中使用的晶振频率为11.0592MHz，波特率取为9600bps。本设计的串行通信子程序流程图如图4.9所示。
上位机程序采用Microsoft Visual C++6.0集成开发环境开发，功能包括串口波特率设定、从仪器中读取并处理浓度数据以及保存等。应用程序中采用了多线程技术，光谱数据的读取和处理工作在测量线程中完成，测量线程不会干扰用户对主程序的操作。工作界面如图4.10所示。
可燃气体检测仪研制：控制按键设计子程序及流程图
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气体检测仪三大分类
气体检测仪的关键部件是气体传感器。　　　　一、气体传感器从原理上可以分为三大类　　　　A）利用物理化学性质的气体传感器：如半导体式（表面控制型、体积控制型、表面电位型）、催化燃烧式、固体热导式等。　　　　B）利用物理性质的气体传感器：如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。　　　　C）利用电化学性质的气体传感器：如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。　　　　根据危害，我们将有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类。由于它们性质和危害不同，其检测手段也有所不同。　　　　可燃气体是石油化工等工业场合遇到最多的危险气体，它主要是烷烃等有机气体和某些无机气体：如一氧化碳等。　　　　可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件，那就是：一定浓度的可燃气体，一定量的氧气以及足够热量点燃它们的火源，这就是爆炸三要素（如上左图所示的爆炸三角形），缺一不可，也就是说，缺少其中任何一个条件都不会引起火灾和爆炸。当可燃气体（蒸汽、粉尘）和氧气混合并达到一定浓度时，遇具有一定温度的火源就会发生爆炸。我们把可燃气体遇火源发生爆炸的浓度称为爆炸浓度极限，简称爆炸极限，一般用%表示。　　　　实际上，这种混合物也不是在任何混合比例上都会发生爆炸而要有一个浓度范围。如上右图所示的阴影部分。当可燃气体浓度低于LEL（最低爆炸限度）时（可燃气体浓度不足）和其浓度高于UEL（最高爆炸限度）时（氧气不足）都不会发生爆炸。不同的可燃气体的LEL和UEL都各不相同，这一点在标定仪器时要十分注意。　　　　直接测量可燃气体的体积浓度的热导式VOL检测器也可以在市场上得到，同时，也已经有了LEL/VOL合二为一的检测器。VOL可燃检测器特别适合于在缺氧（氧气不足）的环境中测量可燃气体的体积（VOL）浓度。　　　　有毒气体既可以存在于生产原料中，如大多数的有机化学物质（VOC），也可能存在于生产过程的各个环节的副产品中，如氨、一氧化碳、硫化氢等等。它们是对工作人员造成危害最大的危险因素。这种危害不仅包括立即的伤害，如身体不适、发病、死亡等等，而且包括对于人体长期的危害，如致残、癌变等等。对于这些有毒有害气体的检测是我们发展中国家应当开始引起充分重视的问题。　　　　目前，对于特定的有毒气体的检测，我们使用最多的是专用气体传感器。它可以包括上面所列的所有气体传感器，也包括前两章所介绍的光离子化检测仪。其中，检测无机气体最为普遍、技术相对成熟、综合指标最好的方法是定电位电解式方法，也就是我们常说的电化学传感器。　　　　电化学传感器的构成是：将两个反应电极--工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中，然后在反应电极之间加上足够的电压，使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测　　　　气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体的浓度。　　　　目前，可以检测到特定气体的电化学传感器包括：一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、氯气、氰氢酸、环氧乙烷、氯化氢等等。　　　　氧气也是在工业环境中，尤其是密闭环境中需要十分注意因素。一般我们将氧气含量超过23.5%称为氧气过量（富氧），此时很容易发生爆炸的危险；而氧气含量低于19.5%为氧气不足（缺氧），此时很容易发生工人窒息、昏迷以至死亡的危险。正常的氧气含量应当在20.9%左右。氧气检测仪也是电化学传感器的一种。　　　　二、选择气体检测仪的问题：　　　　在我国，由于历史和认识上的原因，我们在选用各类检测仪时存在的问题还比较多，具体体现在：　　　　1）对可燃气体的检测重于对有毒气体的检测。　　　　2）对可能引起急性中毒气体的检测重于对可能引起慢性中毒的气体的检测。　　　　由于众多可燃气体泄漏所引起的爆炸事故的血的教训，使人们对于可燃气体检测十分重视，可以讲，任何一个石化、化工厂，绝大多数的危险气体检测仪都是LEL检测仪。但仅配备LEL检测仪对于真正保护工人的安全和健康还是远远不够的。　　　　另外，目前我们对于可以引起急性中毒的气体，比如硫化氢、氰氢酸等的检测较为重视，但对于可以引起慢性中毒的气体，比如芳香烃、醇类等的检测重视不够，其实后者对于工人健康和安全的危害丝毫不逊于可以引起急性中毒的气体！它们可能引起癌变和其它的隐形病症，影响工人的寿命和健康。这种现象的出现，除了认识上的原因以外，以前市场上缺乏合适的、可以检测较低浓度的有机气体检测仪也是一个重要的原因。
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什么是爆炸极限?是否所有的可燃性气体都可能发生爆炸?发生爆炸的条件是什么?是否所有可燃性气体都有爆炸极限?
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当可燃气体、可燃液体的蒸气（或可燃粉尘）与空气混合并达到一定浓度时,遇到火源就会发生爆炸.这个能够发生爆炸的浓度范围,叫做爆炸极限,通常用可燃气体、蒸气或粉尘在空气中的体积百分比来表示.在“发生爆炸的浓度范围”内,有一个最低的爆炸浓度叫爆炸下限；还有一个最高的爆炸浓度叫爆炸上限.只有在这两个浓度之间,才有爆炸的危险.如果可燃气体、蒸气或粉尘在空气中的浓度低于爆炸下限,遇到明火,既不会爆炸,也不会燃烧；高于爆炸极限,遇到明火,虽然不会爆炸,但接触空气却能燃烧.因为低于爆炸下限时,空气所占的比例很大,可燃物质的浓度不够；高于上限时,则含大量的可燃物质,而空气量却不足.了解各种可燃气体、蒸气或粉尘的爆炸极限,对于做好防火、防爆工作具有重要的意义.可燃物质危险性的大小,主要取决于爆炸极限幅度的宽窄.幅度越宽,其危险性就越大.例如：乙炔的爆炸极限是2.80%；乙烷的爆炸极限是3.22～12.45%.两者相比,乙炔的危险性比乙烷大8.4倍.因此,在生产和使用这类物质时,就要特别注意防止“跑、冒、滴、漏”,注意设备的密闭性,严防空气进入,同时还要注意安全操作.（参看爆炸）.
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