CO气体分析仪（精选8篇）
CO气体分析仪 篇1
1 采区概况
71煤底板抽放巷位于祁东煤矿三采区, 巷底距82煤法距约16.0 m, 巷顶距71煤法距11.3 m, 71煤厚约2.8 m, 瓦斯含量9.14 m3/t, 2010年鉴定为II类自燃煤层, 与巷道之间岩性为砂岩, 浅灰色, 成分主要为石英长石, 分选中等, 钙硅质胶结。61煤距71煤法距约67 m, 三采区71煤底板抽放巷上部61煤层的6135工作面正在回采。三采区71煤底板抽放巷内有规格分别为直径200 mm、300 mm两路抽放管路抽放71煤层瓦斯, 其中1、2、3、4、5、8号钻场由两路合抽, 71煤底板抽放巷巷帮、顶的7～42组钻孔和迎头钻孔由直径300 mm管路独抽。
为实时监控抽放管内气体成分, 提前预知灾害异常情况, 特对抽放管内所抽气体的CO浓度进行监测, 2011年6月23日两路管路配套安装了CO气体浓度监测传感器, 发现所测数据周期性异常。
CO气体浓度监测传感器安装位置如图1所示。
2 CO异常情况分析
三采区71煤底板抽放巷内CO气体浓度监测传感器刚投入使用时, 所传数据周期性陡然增大, 维持时间由几十秒到几分钟不等, 其它时间段为零, 监测CO气体浓度及其爆破时间表如表1所示。
2.1 分析
因为异常数据出现在Ⅱ类自燃煤层区域, 并具有周期性, 为保证矿井安全生产, 彻底查清异常根源, 预先将安全隐患消灭于萌芽状态。祁东煤矿通防科紧急召开会议, 并对异常情况进行分析, 分析思路主要从两方面入手。
(1) 监测系统的故障。CO气体浓度监测传感器失灵;监测线路故障。
(2) 所测气体本身具有浓度变化异常性的原因。 (1) 环境气体浓度变化异常:因为抽放管路漏气, 爆破施工钻场后环境中炮烟所含的CO气体被抽到管路中, 从而引起监测数据异常。 (2) 所抽抽放孔孔内CO气体浓度变化异常:6135采空区经爆破震动, 所含CO气体经岩石裂隙渗透到三采区71煤底板抽放巷抽放孔内;71煤本身的CO气体经爆破震动突然释放;钻场爆破产生的CO气体经岩石裂隙渗透到抽放孔。
2.2 排查
针对以上讨论, 通防科各部门有针对性地采取了排查。
针对仪器的原因, 监测工区对三采区71煤底板抽放巷的两路监测系统先进行校正、线路检查, 后又对该处系统重新更换, 数据依旧周期性异常。
针对所测气体本身具有异常性的原因, 抽排工区对抽放管路漏气进行了种种排查后, 确保了抽放管路气密性完好, 抽放管路无漏气;爆破后连续30 min, 技术室人员对各钻场所抽气样进行分析, 结果未发现CO气体, 故钻场爆破产生的CO气体经岩石裂隙渗透到抽放孔和71煤本身含有CO气体的可能性排除;技术室、通风工区又分别对6135工作面、三采区71煤底板抽放巷爆破时间与CO气体浓度传感器上传数据在时间上进行对比, 发现三采区71煤底板抽放巷爆破与其异常存在紧密联系, 三采区71煤底板抽放巷爆破时间, 如表2所示。
由表2知, 两路管路中CO气体浓度增大均出现在三采区71煤底板抽放巷爆破时间后数分钟内, 在三采区71煤底板抽放巷2011年9月19日到9月21日停止爆破期间, 管路中CO气体浓度无异常, 在三采区71煤底板抽放巷9月17日到9月18日放卧底炮和9月22日到9月23日拨门频繁放小炮期间, 直径200 mm管路均对应出现小幅度异常。根据现场观察, 爆破后炮烟经过传感器约20 s后传感器示数急剧上升, 由此进一步猜想传感器测定的是爆破后炮烟中的CO气体浓度。
为证实上述猜想, 随后通防科工作人员又做了如下工作:
9月27日上午12:08, 停抽三采区71煤底板抽放巷直径300 mm管路, 将薄膜塑料袋封闭直径200 mm管路CO传感器外露部分, 12:10 9#钻场爆破, 爆破后, 直径300 mm管路CO传感器示数为0.005‰, 直径200 mm管路CO传感器示数为0.003‰, 与前3次爆破对比, 数据如表2, 抽放负压没改变的直径200 mm管路中CO气体最高浓度, 比前3次爆破后CO气体最高浓度小幅度减小, 停止负压抽放的直径300 mm管路中CO气体最高浓度, 与前3次爆破后CO气体最高浓度基本相近。
由以上所测数据可知:管路CO传感器所测数据与所抽管内气体无关。因为停止直径300 mm管路的气体抽放, 直径300 mm管路上的CO气体浓度传感器示数仍陡然异常。
9月28日上午12:22, 将薄膜塑料袋封闭直径200 mm管路上CO气体浓度传感器外露部分, 管路正常抽放, CO气体浓度传感器所测CO气体最高浓度基本为零。同时, 停止抽放的直径300 mm管路CO气体浓度传感器所测CO气体最高浓度仍有陡增异常, 判定CO气体浓度传感器所测数据异常与管内所抽71煤层气体无关, 而与环境中炮烟气体有关。
由此证明CO气体浓度传感器所测数据是环境中所含CO气体浓度。
环境中所含CO气体浓度可能是爆破震动71煤层, 煤层内涌出CO气体涌到环境中, 也可能是爆破炸药产生的CO气体涌到环境中的。
为进一步证实停抽的直径300 mm管路中CO气体浓度异常并非爆破震动71煤层涌出CO气体涌到环境中被抽放管上的CO气体浓度传感器捕捉, 通防科监测工区将CO气体浓度传感器移挪至8#钻场与9#钻场之间, 位于爆破点的上风侧, 自此之后直径300 mm管路中CO气体浓度传感器监测数据没有出现异常情况。
2.3 分析结果
由以上分析、排查确定:三采区71煤底板抽放巷抽放管路中CO气体浓度监测数据异常, 源自爆破炸药产生的散发在环境中的炮烟所含CO气体。
3 结论
祁东煤矿抽放管路中配套安装CO气体浓度传感器的地点除三采区71煤底板抽放巷外, 还有7131工作面等地点, 这些地点在工作面放炮后CO气体浓度传感器示数均短时间内急剧增加。由以上分析可知, 这些地点CO气体浓度传感器测量到的数据, 不一定是爆破震动煤体渗出的CO气体浓度, 或是炮烟经岩石 (煤体) 裂隙进入高位孔抽进抽放管路中的CO气体浓度, 而更可能是爆破后炮烟中的CO气体浓度。
此次CO气体浓度异常分析, 解决了三采区71煤底板抽放巷CO气体来源不明的难题、避免了CO气体浓度异常来自71煤层的误解, 为正确处理CO气体浓度异常提供了依据, 减少了盲目的投资。
据调查, 使用此类产品的矿井均有此种情况, 而当事人赋予的解释多数是误解的猜测, 没有科学明确的答案, 此次CO气体浓度异常分析对于此种情况给予了明确的解释, 也为今后传感器的升级、管路的合理设计提供了正确的反馈信息, 为更精确的测量管道中的气体参数提供了思路。
CO气体分析仪 篇2
关键词自动化;智能化;柔性化
中图分类号TG434.5文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)072-0131-01
1概述
CO2焊是上世纪50年代初期发展起来的一种高效焊接技术,它是目前应用最广、发展速度最快的一种焊接方法。与其它电弧焊相比,具备高效、低成本、抗氢气孔能力强,适于薄板焊接、易于全位置焊等优点,广泛用于低碳钢和低合金钢等黑色金属材料的焊接。
2CO2焊存在的问题
我国经济的不平衡性决定了焊接技术发展的多样性。虽然我国在CO2焊设备、焊接材料和焊接工艺上取得了较大成就,而且在很多行业得以应用,但目前仍存在一些问题和不足:在焊接过程中产生的金属飞溅较多,焊缝成形质量不好,特别是焊接规范参数不匹配时,飞溅更严重,飞溅不但增加焊接成本,而且易造成送丝不畅,影响电弧稳定性,使劳动条件恶化,不利于实现自动化;不能焊一些易氧化的金属材料;因为是靠气体保护,所以对周围环境要求较高;弧光辐射较强,易对人体造成伤害。而这些最终还是由于设备和焊接材料所决定。
2.1焊接设备
盡管国内焊接生产机械化、自动化程度已达20%,个别大、中型企业可达40～45%,但这个比例与工业发达国家相比仍存在很大差距。国产自动和半自动CO2焊机性能、品种和质量不能满足用户的需要,制造水平还停留在国外70年代的水平;机械化、自动化专用成套焊接设备和弧焊机器人的设计及制造技术落后、生产能力低;焊接自动化水平低,目前应用数量也比较少,一是行业不均,二是地区差异大;设备复杂,需要专业人员维修。
2.2焊接材料
我国焊接材料的生产和使用有以下特点:一是90%以上为焊条,实心、管状焊丝比例低,二是应用行业的焊接技术发展不平衡。CO2焊的焊接材料主要有CO2气体和焊丝。而目前国内还没有专业生产焊接用CO2气体,市售多为酿造厂、化工厂的副产品,水分含量高,影响焊缝的塑性,甚至造成气孔产生。国产焊丝质量不高、规格单一,不能满足不同用户的要求。尤其是生产效率高、工艺性能好、焊接质量优良、生产成本低、开发品种方便的管状焊丝的品种和质量不能满足生产需要,自动焊生产线所需的管状焊丝目前大部分还是依赖进口。
3CO2焊的发展趋势
随着科学技术的发展及工业的进步,对焊接技术和焊接质量不断提出新要求,市场希望研究出能满足各种金属材料、不同结构形式、不同使用性能的焊接方法,同时还要求更好地实现焊接过程自动化,提高焊接生产率、降低焊接成本。另外,社会需求的个性化越来越突出,这就要求产品更新换代快,相应要求生产设备、工装柔性化。现代焊接自动化的主要标志是焊接过程控制系统的智能化、焊接生产系统的柔性化以及焊接生产系统的集成化。
3.1设备
CO2焊机将向结构简单、操作及维修方便、适应性强、焊接性能稳定优良、自动化水平高、通用化方向发展。
目前一个重要发展方向是CO2焊机控制的智能化和自寻优,智能控制与有关控制技术的有机结合,将使短路过渡电弧与熔滴过渡控制的性能进一步提高,也是目前研究和发展的热点。随着电子化和计算机技术的发展,弧焊电源的微机控制、智能化将不断发展。普通CO2焊机在调节焊接规范参数时,先调焊接电流,再微调电弧电压,调节程序较繁琐且不易控制,因此一元化控制将是CO2焊机实现智能化的发展目标,通过大量的焊接工艺试验来确定电弧电压与焊接电流的匹配关系,在焊接电源上采用一个旋钮,实现两个参数的最优匹配。在焊接自动化方面,通过对焊接过程信息实时采集、处理、分析和决策,实现对焊缝的跟踪控制。
逆变技术具有高效节能、重量轻、体积小、良好动特性、设备维修费用低等特点,因此将是CO2焊焊接电源的最新发展方向。
对传统焊机实施再制造利用也是目前改进的一个方向:通过控制短路过渡时的电流、电压波形,达到减少飞溅、改善焊缝成形质量的目的;通过改变电路结构,降低空载损耗,达到节能目的;通过材质强化手段,达到延长使用寿命目的。改造利用的成本相当于新生产产品的40～60%,因此对传统焊机实施再制造利用尤其适用于目前中国国情。
总之,在新产品设计时采用绿色设计,达到优质、高效、节能、节材、安全、环保的目的。
3.2焊丝
CO2焊的主要焊接材料——焊丝包括实心焊丝和管状焊丝。实心焊丝也正在向低成本、改善焊缝成形、减少飞溅方向发展,国外已经研制出焊丝外表面涂一层防锈降飞溅涂层代替表面镀铜工艺。而管状焊丝作为高科技材料科学的结晶,它的出现和发展适应了焊接生产向高效率、低成本、高质量、自动化和智能化方向发展的趋势,而且还方便调节配方,达到减少焊接有害气体、发尘量的产生。
无缝管状焊丝的制造工艺虽然较有缝管状焊丝复杂,但由于其表面可以镀铜、熔敷金属中氢含量少,药芯在管内不受潮,兼有管状焊丝良好的焊接工艺性能和实心焊丝的使用性能,是进行自动焊或半自动焊的理想材料,并可进行全位置焊接,是很有发展前途的一种焊接材料。
金属芯管状焊丝是近年来国际发展的新趋势,目前日本和美国已把少渣型金属芯管状焊丝作为研究和发展的重点之一。它既有渣量少的实心焊的长处,又兼备高熔敷速度、低飞溅型管状焊丝的优点,而且氢含量很容易限制在很低的水平,使抗裂性能得到提高,金属芯管状焊丝与实心焊丝或普通的管状焊丝相比,生产效率高、焊缝质量好、填充金属的费用低,减少了清理费用。
纳米技术作为近年来科学上的重大发现之一,已成为许多学科研究的热点,它打破了微观与宏观世界之间难以逾越的严格界限,使科技人员从新角度和高度重新认识客观世界。将特定的纳米材料加入到焊丝中,利用纳米材料的体积效应和表面效应,提高电弧稳定性和焊接电流密度,清除氢、氧等有害元素对焊缝质量的影响。另外,选择特定的金属纳米晶粒作为合金元素过渡到熔池中,可提高焊缝中有益元素的含量,改善焊缝的化学成分,达到调节焊缝力学性能的目的。由于纳米材料的体积效应,在相同条件下,可加快熔滴过渡频率,使焊缝熔敷金属增加,从而有效提高焊接效率。金属纳米材料具有高导电率和高扩散性,加入到焊接材料中可以改善熔池内熔敷金属的扩散、浸润情况,对于流动性差的母材,可以有效改善焊缝成形,防止局部过热引起的缺陷。
随着新型制造工艺的出现,管状焊丝的开发和推广必然会有较大的突破,以适应焊接自动化的发展。
4结论
随着能源的发展,加强产、学、研结合,充分运用新型科技成果,实施绿色产品设计,提高CO2焊技术的发展,改善焊缝成形、减少飞溅,促进其智能化、自动化水平,进一步扩大其应用范围。
参考文献
[1]俞建荣,张卫义,蒋力培.CO2气保护焊机的发展现状[J].焊接技术,2001,(1):29-30.
[2]方长生.无缝药芯焊丝用钢管的发展前景及研制[J].焊接技术,2001,(1):32-33.
CO气体分析仪 篇3
1 CO2气体保护焊简介
1.1 概述
CO2气体保护焊是利用CO2气体作为保护气体的一种保护电弧焊, 这种焊接方法具有焊接效率高、节能环保的特点。其基本原理是将焊件和焊丝作为焊接电极, 以电弧热量致使焊件金属熔化进行焊接, CO2的作用在于通过对电弧的保护来提高焊接质量。在CO2气体保护焊中使用的CO2气体纯度必须要达到99.5%以上。
1.2 CO2气体保护焊的优点
(1) 焊接效率高;
(2) 操作方便;
(3) 焊接质量高;
(4) 焊接成本低;
(5) 焊接方式灵活。
2 电梯焊接的基本特点
电梯作为机电类特种设备是机械与电气紧密结合的大型复杂产品, 在电梯制造过程中最主要的焊接结构是轿厢, 轿厢主要由轿厢体和轿厢架构成, 同时还包括一些附属构件。其中轿厢架作为轿厢的主要力学承载结构, 必须要具有足够的强度。轿厢架的主要结构有上梁、立柱、底梁以及拉链。其中底梁一般用于安装轿厢的厢底, 是轿厢载荷的主要承受体, 目前轿厢架在焊接过程中常用框式焊接结构, 也就是采用H型钢或T型钢焊成框架, 在中间设置有横梁与立柱连接, 起到加强作用, 在焊接时主要采用焊条电弧焊或CO2气体保护焊。目前轿厢体主要是由中厚板材组装焊接而成。
自动扶梯焊接主要是其金属结构的焊接, 金属结构的主要作用是安装并支撑电梯自动扶梯的组成部件、承受电梯运行中的各种载荷以及连接作用, 金属结构的刚性及载荷承受能力会对扶梯的性能产生直接的影响。对于提升高度较高的扶梯, 一般会采用多段结合结构的金属骨架。对于提升高度较小的金属骨架, 在条件允许的情况下, 可以在车间进行拼装和焊接。自动扶梯的金属骨架都采用焊接方法进行拼装, 其焊接方法一般采用焊条电弧焊、CO2气体保护焊或埋弧焊, 焊接变形和焊接质量至关重要, 国内有些公司采用振动时效方法消除焊接后的残余应力, 效果很好。
3 CO2气体保护焊在电梯制造中的适用性
3.1 用二氧化碳保护焊提高焊接效率
焊接速度是焊接工作追求的重要指标, 工作效率是现代制造业的生命线, 电梯制造也不例外。CO2气体保护焊的焊接速度快是其主要优势之一, 首先, CO2气体保护焊一般采用小截面坡口形式, 使焊缝熔敷金属量比传统焊接方式明显减少, 这也就意味着焊接速度的提升。其次, 由于CO2气体的保护, 这种焊接属于无渣焊接, 可以省去清渣打磨、清坡口和换焊条等一系列工序, 焊接工作可以连续进行, 这无形中就提高了焊接速度。最后二氧化碳保护焊的辅助时间为普通焊条焊接的50%。因此, 使用CO2气体保护焊可以极大提升电梯制造过程中的焊接速度、缩短工期, 进而提高企业的经济效益。
3.2 提高焊接质量
质量是企业生命力的核心和源泉, 电梯属于机械电力结合的特种设备, 尤其是住宅电梯, 事关群众的生命安全, 因此对焊接的质量要求特别高。电梯轿厢使用的板材属于中薄板材, 最薄的仅为3mm, 因此使用CO2气体保护焊, 可以很好地控制板材焊接过程中的变形, 提高焊接质量。其次, CO2气体保护焊属于一种低氢焊法, 因此采用这种焊接方法可以减少焊缝中的氢含量, 提高焊缝的抗裂性。
3.3 成本低且安全
经济性是企业生产的另一项重要原则, 在电梯制造过程中采用CO2气体保护焊, 焊接的成本低较低, 其中CO2气体是工厂的副产品, 因此原料来源广、成本低, 在相同的焊接条件下CO2气体保护焊的成本只有传统焊接方式的一半左右。同时这种焊接方法采用的小截面破口, 可以使焊缝截面积可减少35~40倍左右。
4 焊接过程中的工艺参数选择
4.1 焊接电流
焊接电流也称为一次电流, 是CO2气体保护焊中的重要参数。由于焊接电流决定着熔滴过渡形式, 因此不仅对飞溅程度, 同时对电弧的稳定性也有较大影响。此外焊接电流对熔深也有决定性的影响, 但是电流增大时, 熔深和熔宽增加但是也容易产生飞溅现象, 反之, 有利于控制飞溅, 但是容易造成未焊透, 降低焊接质量, 因此需要根据实际情况尤其是焊丝的直径选择合适的电流强度, 具体选择范围见表1。
4.2 电弧电压
电弧电压也称为一次给定电压, 其是决定电弧长度和溶滴过渡方式的重要因素。一般来说电压过高容易造成焊接不稳定, 而过低则容易出现顶丝现象, 因此电弧电压也是CO2气体保护焊中的重要参数, 应该根据实际情况进行选择, 电弧电压和焊接电流的匹配范围可以参考表2。
4.3 电弧力
电弧力与电流的输出电感有密切关系, 电弧力太大则在焊接过程中容易造成飞溅, 反之则容易出现顶丝现象。因此在实际焊接过程中应该根据焊丝的直径、焊接电流以及电弧电压来合理选择电感, 提高焊接质量。具体的参数可以根据表3选择。
4.4 焊丝直径
焊丝直径的选择主要根据焊件的厚度以及焊缝的不同位置特征来确定, 此外生产率也是确定焊丝直径的重要影响因素。一般中、薄板焊接时主要采用直径在1.6mm以下的细丝。具体的选择标准见表4。
5 焊接质量控制
(1) 首先要保正焊工能够持证上岗, 并且在具体工作中保证其在证书认可的范围内工作。
(2) 焊接工艺对焊接质量的影响很大, 在焊接开始前必须要进行焊接工艺评定, 然后根据相关报告确定具体工艺。
(3) 根据电梯焊接的具体特点, 应该先焊接收缩率较大的节点, 按照先单独、后整体的焊接顺序进行焊接, 以利于应力散失, 减少焊接变形量, 提高焊接质量。
(4) 为了美观和减少应力集中, 要尽量将焊缝余高控制在0.3mm~1.5mm以内。
结语
CO2气体保护焊是一种高效的焊接方法, 其在国民经济建设领域得到了日益广泛的应用, 并充分显示出其相对与焊条焊接的优异性能。电梯制造业中对焊接质量的要求极高, 因此该焊接技术具有重要的推广价值。
参考文献
[1]马淑秋.半自动CO2气体保护焊在生产中的应用研究[J].沈阳工程学院学报 (自然科学版) , 2011 (01) :83-86.
[2]兰希园.CO2气体保护焊在轨道窄缝焊接中的应用[J].焊接技术, 2014 (01) :66-69.
[3]盛国林, 门义平, 黄平.药芯焊丝CO2气体保护焊技术在溪洛渡水电站钢闸门制作中的应用[J].焊接技术, 2014 (02) :62-66.
[4]席廷宣, 尉世凯.CO2气体保护焊接技术的推广应用[J].山西电力, 2010 (01) :47-49+67.
光纤CO气体传感器的研究 篇4
关键词：气体传感器,CO,谐波检测
引言
甲烷、一氧化碳等气体的实时检测在煤矿安全、环境检测、工业控制等领域都非常重要,人们对发展快速、灵敏和有效的气体检测手段的需求十分迫切。
传统用于检测气体的传感器大多通过其探头的电阻或电容变化来测定气体浓度,其灵敏度低,抗干扰能力差。在工业生产自动控制中则主要采用气相色谱仪来检测气体,由于现场环境恶劣,其检测效果普遍不好,且该设备十分昂贵,增加了生产成本。由于光纤气体传感器具有灵敏度高,响应速度快,动态范围大,防电磁干扰,防燃防爆,不易中毒等特点,能实现远距离数据采集及监控,因此,它的研究和发展前景广阔,对于社会和现代经济的发展具有十分重要的意义。
1 基本原理
当一束光强为I0的输入平行光通过待测气体时,如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱线,则光通过气体时发生衰减。根据比尔-朗伯特(B e e rLambert)定律,出射光强I与入射光强I0和气体的体积分数之间的关系为
式中,-α(v)为气体吸收系数,即气体在一定频率v处的吸收线型;L为吸收路径的长度;C为气体的浓度;I和I0的单位是坎德拉。
如果光源谱分布带宽远远小于气体吸收线带宽,通过对光源的注入电流进行交流调制(本实验采用三角波调制),光源频率和输出光强也将受到相应调制
式中,v0为光源未经调制时的中心频率;vm为频率调制幅度;η为光强调制系数;(t)为一个三角函数,在一个周期该函数的表达式为
将式(2)、(3)代入式(1),则
在近红外波段,气体的吸收系数很小,满足α(v)CL<<1,光强的调制幅度也很小,即η<<1,这样就可以运用近似公式
这时I(t)可近似为
气体压力接近一个标准大气压时,红外光谱的碰撞加宽起主要作用。用Lorentz曲线描述CO分子的吸收谱线型
α0表示纯气体在吸收线中心的吸收系数,vg和δv分别为对应吸收峰的中心频率和吸收线半宽,则式(7)变为
当光源输出中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上时,v0=vg,则
定义x=xm/δv,将式(10)展开为傅里叶级数序列,它的一次谐波和二次谐波的系数分别为
式(12)中,k为x的函数,x可被调节到二次谐波的最大值。
而二次谐波和一次谐波的比值不再含有I0项,这样用其作为系统的输出可以消除光强波动等因素带来的干扰,其比值为
可见一次谐波分量主要由强度调制引起,幅度正比于光源的平均功率,和气体浓度无关,而检测二次谐波可以获得气体的浓度信息。用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出,可以消除各种有效系统噪声和各种干扰,具有更高的灵敏度。
2 系统设计
2.1 光源选择
选择光源时应满足以下条件:输出中心波长同气体的吸收谱特性相吻合;与光纤的低损耗窗口相适应;温度特性良好。
图1为CO在波长2.0-15.00μm内的红外吸收光谱图。
图1表明,C O的最强吸收峰是在4700nm附近,该区域被用作主要光谱分析波长,但这个波长范围对光源要求高,不仅寿命短,还需要设置冷却系统,且价格非常高,增加了成本。CO的另一个吸收峰在2300nm附近,半导体激光器可以满足此波长要求,但是这个范围和水蒸气的吸收谱有重合,增加了测量的不准确性。本实验采用峰值波长为1567nm的DFB LD作为光源,该波长范围不和二氧化碳或水蒸气重叠,激光器所需成本降低,有利于工业上的广泛应用。
分布反馈式半导体激光器(D F B L D)是一种内含介质光栅结构和具有优良选频特性的单纵模激光器,具有谱线窄,功率大,单纵模运行等特点,并且可以通过调整温度和注入电流来粗调和精调其输出光谱的中心波长和光谱宽度。DFB LD作为光源的气体传感技术在灵敏度、选择性、动态范围、信噪比和响应时间等方面比传统方法具有诸多优点,因此是光纤气体传感器的首选光源。
2.2 系统的实现
基于DFB LD光源的吸收式光纤气体传感系统由三部分组成:光源部分,传感部分,光电转换和信号处理部分,如图2所示,加粗箭头表示光纤传播路径。
光源部分由L D光源及其驱动电路、温控电路组成。信号发生电路产生三角波电流,调制电路精确调制三角波电流的交流分量和直流分量,用来驱动光源发光。LD光源的温度漂移比较严重,故必须对LD光源进行温度控制,使其工作在恒温状态。
传感部分是指气室,光通过气室时由于CO气体的存在而发生强度衰减。对气室的基本要求是光以尽可能小的衰减通过气室,且光的波长无漂移。气室的长度对测量精度有一定的影响:增加吸收路径的长度,有利于提高传感器测量的灵敏度,但随着吸收路径长度的增加,光纤准直器的制造工艺变得复杂而难以实现,光功率衰减也会变得比较严重,所以不能无限制增加气室的长度。选择气室的长度要综合这两个因素来考虑。
光电转换和信号处理部分由光电二极管、前置放大电路、谐波检测电路、数据采集卡以及计算机组成。从气室出来的光包含了气体的浓度信息,经过转换精度较高、接受能力较强的光电二极管转换成电信号。光电转换后的电信号经过前置放大,检出一次和二次谐波分量,用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出,再经过低通滤波电路,最后通过数据采集卡进入计算机,在计算机中进行信号处理与结果显示。
3 实验及结果
本实验采用气室长度为39cm,光纤为单模光纤,在1.3～1.5μm波长范围内的传输损耗低于1dB/km。选择低噪声、高灵敏度的InGaASPIN光电二极管作为光电探测器,三角波调制信号频率为1 K H z。
用不同浓度的CO气体分别注入气室中,测得二次谐波值电压值,绘出CO气体浓度与二次谐波值的关系图,如图3所示。
实验结果表明,C O气体与光能作用后产生了谐波信号,当气室中无待测气体时,二次频输出信号为零,基频输出一个固定不变的电压值,此时除法器的输出为零;当有气体逐渐流入气室时,气体浓度和二次谐波信号近似成线性关系。经多次实验可得,系统的线性度即相对误差最大约为5%,其重复性、选择性良好,灵敏度较高。
4 结论
采用低噪声、高灵敏度、宽波长范围的InGaASPIN进行实验,其温度特性良好,可以实现CO气体浓度的高精度信号检测,DFB LD调制技术利用二次谐波与一次谐波的比值消除了由光源的不稳定和变化所引起的检测误差。
该方法通过可调谐激光器将工作波长选定在1.57μm附近,降低了测量成本。利用光纤作为传光通道,不受电磁干扰的影响,实现了传感头与检测电路及信号处理电路的完全隔离,可广泛应用于煤矿、天然气站等领域进行现场实时监测。基于DFB LD光源的光纤气体传感器具有良好的通用性,对不同种类气体的浓度也可以进行检测。
参考文献
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[3]关中辉,贺玉凯,刘中奇.煤矿井下一氧化碳气体检测发展与研究[J].矿山机械,2006,(05).
[4]王玉田,王莉田,郑龙江.光纤气体传感器的研究[J].燕山大学学报,2000,24(4).
CO气体分析仪 篇5
CO是一种无色、无味、有毒且易燃易爆的气体, 常见于煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井等, CO中毒主要体现在CO进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合, 进而使血红蛋白不能与氧气结合, 从而引起机体组织出现缺氧, 导致人体窒息死亡。CO2是一种无色无味无臭的气体, 常见于化石燃料燃烧以及矿井等, CO2中毒主要表现为头痛、恶心、心跳加速等, 严重时可能导致缺氧, 造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。CO2含量猛增会导致温室效应、全球气候变暖、冰川融化、海平面升高等, 为了遏制CO2过量排放造成的温室效应制定了《京都议定书》。SO2是一种无色具有强烈刺激性气味的气体, 常见于煤矿、石油等行业以及火山爆发, SO2中毒主要表现为头痛、头昏、流泪、畏光、咳嗽, 咽、喉灼痛等, 严重时可在数小时内发生肺水肿, 吸入极高浓度可引起反射性声门痉挛而致窒息, 同时SO2还是造成酸雨的主要原因之一。
GBZ 2.1《工作场所有害因素职业接触限值第1部分:化学有害因素》中提到CO的时间加权平均容许浓度 (PC-TWA) 为20 mg/m3, 短时间接触容许浓度 (PC-STEL) 为30mg/m3;CO2的PC-TWA为9000 mg/m3, PC-STEL为18000 mg/m3;SO2的PC-TWA为5 mg/m3, PC-STEL为10 mg/m3。因此, 当CO、CO2、SO2气体浓度超出一定限值时, 不仅会对环境造成严重影响, 还会对人民的生命财产安全造成严重威胁。
目前, 市面上已有多种从国外进口和国产的气体传感器, 如催化燃烧式、半导体式、电化学式和光学式等, 包含了单一气体传感器和多组分气体传感器, 其中基于红外技术的多组分气体传感器由于其具有使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线分析等等一系列优点而被广泛应用。
随着科技的发展, 为满足各种复杂环境对气体传感器的发展要求, 在提高检测的准确性和及时性的同时, 红外气体传感器正朝着智能化、集成化、低功耗、低成本的方向发展。因此, 随着国家对环境污染监测和治理力度的加大, 研发体积小、重量轻、稳定性好的CO、CO2、SO2三组分红外集成气体传感器是防止事故、保护环境、保障人民生命财产安全的主要手段, 对于认真落实国务院颁布的《节能减排“十二五”规划》并及时准确监测和检测生态环境、居住环境、工作场所等环境质量和污染源等具有重要意义。
1 原理
非分散红外吸收光谱对CO、CO2、SO2具有较高的灵敏度。GB 9801-88《空气质量一氧化碳的测定非分散红外法》和HJ/T 44-1999《固体污染源排气中一氧化碳的测定非色散红外吸收法》中提到CO对4.67μm和4.72μm波长处的红外辐射具有选择性吸收;GB/T 18204.24-2000《公共场所空气中二氧化碳测定方法》和GBZ/T 160.28-2004《工作场所空气有毒物质测定无机含碳化合物》中提到CO2对4.26μm波长处的红外辐射具有选择性吸收;HJ 629-2011《固定污染源废气二氧化硫的测定非分散红外吸收法》中提到SO2对7.3μm波长处的红外辐射具有选择性吸收。因此, CO、CO2、SO2气体的基频吸收带出现在中红外波段 (2.5~25μm) , 由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动, 所以, 中红外波段最适于进行红外光谱的定性和定量分析, 并且CO、CO2、SO2气体的特征吸收峰出现在不同的波长范围内, 因此互不干扰。
在一定波长范围内, 气体对特定波长红外光线的吸收呈线性关系, 遵守朗伯-比尔 (Lambert-Beer) 定律, 待测组分是按照指数规律对红外辐射能量进行吸收的, 其表达式为:
式中:I0为红外光线被气体吸收前的光强度;I为红外光线被气体吸收后的光强度;k为待测组分对红外光线的吸收系数;c为待测组分的物质的量百分比浓度;l为红外光线经过的待测气体层的长度。
由式 (1) 可知, 待测气体浓度c满足以下关系:
由式 (1) 可以得出:
由式 (3) 可知, 在k和l确定的情况下, 吸光度A与待测气体浓度c成正比。事实上, 当吸光度A很小时, 吸光度才与待测气体浓度有较好的线性关系, 当吸光度A较大时, 吸光度不再随待测气体浓度线性增加, 而呈饱和趋势, 因此需要对其进行非线性校正。
2 系统设计
2.1 结构设计
CO、CO2、SO2红外集成气体传感器的基本结构如图1所示, 主要包括:外壳、红外光源、进气口、出气口、气室、CO2集成探测器、CO集成探测器, SO2集成探测器, 信号放大处理器、温度传感器、单片机系统、声光报警系统。
2.2 器件选择
红外光源为内部配有抛物面反射镜的宽带脉冲红外光源, 具有安全性能好、发射率高、体积小、光电转换效率高、耗电省、寿命长、温度低等优点, 其封装窗口材料为氟化钙 (Ca F2) , 可通过波长范围为2~9.5μm的红外光, CO、CO2、SO2三种气体的特征吸收带都处于此波长范围内, 抛物面反射镜的配置可使红外光源发出平行红外光, 防止反射光、折射光等造成的光强度和光程改变的影响。
传感器的进气口和出气口上配置有疏水型防尘防潮过滤膜, 可防止空气中的粉尘、水汽等的影响, 具有较好的防潮防尘特性, 能提高传感器的抗干扰性和延长产品使用寿命。
CO2集成探测器为一组带通带中心波长为4.26μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的;CO集成探测器为一组带通带中心波长为4.67μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的, SO2集成探测为一组带通带中心波长为7.30μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的。红外探测器和相应的滤光片封装在一起, 可避免其他气体光信号对红外探测器的干扰。测量红外探测器和参比红外探测器与相应的滤光片是集成在一起的集成元件, 有利于传感器的小型化和稳定性的提高。测量红外探测器和参比红外探测器与相应滤光片的配置, 采用了双波长单光路的差分光学结构, 能消除气室光学元器件、其他干扰气体以及环境变化等因素的影响, 并且产生一个只与待测气体相关的信号, 提高了抗干扰能力和测量精度。
因光源波长的稳定性易受到温度的影响, 因此配置的温度传感器采集环境温度, 再利用单机片对其进行修正。
声光报警系统的配置, 能对危险环境做出及时和准确的报警。当检测到测量气体浓度超出限值时, 单机片输出信号, 此时LED闪烁, 并发出报警声, 以便工作人员采取相应的预防措施, 防止发生严重事故。
2.3 系统软件设计
单片机采用了C500系列, 在保持与80C51兼容的前提下, 增强了各项性能, 尤其是增强了电磁兼容性能, 增加了CAN总线接口。单机片系统准确读取接收到的信号, 通过初始化操作, 协调硬件电路的正常工作, 并对气室长度、温度、气体交叉干扰等影响测量精度和准度的因素进行自动校准, 并对数据进行处理和储存。
3 工作流程
图2为CO、CO2、SO2红外集成气体传感器的工作流程图。气体经进气口进入气室, 红外光源发出平行脉冲波, 经由气室后平行照射到集成探测器上, 经滤光后, 波长为4.26μm的红外光照射到CO2集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 波长为4.67μm的红外光照射到CO集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 波长为7.30μm的红外光照射到SO2集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 以上三组信号和温度传感器的数据被传至信号放大处理器处理后传至单片机系统, 单片机系统对接收到的数据进行处理和储存并在显示屏上显示, 经处理过的数据经由声光报警系统后, 若气体测量浓度超过一定限值则指示灯变亮且发出报警声。
4 结论
本文介绍了一种基于红外差分吸收光谱检测原理的CO、CO2、SO2红外集成气体传感器。该传感器为单光源多组分红外检测器, 采用了配有抛物面反射镜且封装窗口材料为氟化钙的宽带脉冲红外光源、含有疏水型防尘防潮膜的进出气口、集成红外探测器和高性能的C500系列单机片系统, 在实现传感器集成化、小型化的同时, 能够稳定、准确、及时的完成自动在线测量CO、CO2、SO2三组分气体。能够很好地满足工业和环境等领域的迫切需要。
摘要：基于红外光谱吸收原理, 设计了一种可以同时监测一氧化碳 (CO) 、二氧化碳 (CO2) 、二氧化硫 (SO2) 三种气体的集成气体传感器。该传感器采用了单光源六探测器差分光学结构, 消除了光源、其他干扰气体等干扰因素所带来的影响。该仪器具有较好的灵敏度、稳定性、选择性和抗腐蚀性, 可准确、稳定的在线测量CO、CO2、SO2三种气体。同时, 通过更换带有特定波长滤光片的参比红外探测器和测量红外探测器, 可对不同气体进行在线检测。
CO气体分析仪 篇6
丹河煤矿位于山西晋城市北, 为瓦斯矿井, 现所采煤层为15#煤, 该煤层鉴定为Ⅱ类自燃煤层, 自然发火周期为92 d。二盘区南部是丹河煤矿15#煤层最早开采的盘区, 2007年盘区首采工作面2305东工作面开始回采, 并于当年结束回采。2306、2304工作面于2008年回采结束, 2301、2302、2303工作面于2013年回采结束。2214柱式工作面于2013年初开始施工, 回收部分煤柱后停止施工并封闭, 如图1所示。
2 CO参数分析
2.1 CO参数检测统计
2014-12-24, 该矿检查发现644探巷及五盘区部分密闭墙处CO气体浓度超过24×10-6。经地面化验检测2107巷口闭墙前还监测出C2H4, 其浓度为13.2×10-6, 此结果说明煤体氧化温度已达130℃以上。
对照图1中分布地点, 检测结果统计如表1所示。
2.2 CO超标因素分析
经过对CO超标密闭墙的位置、CO浓度大小、附近工作面生产情况等进行综合分析, 初步确定CO产生主要源头为2214柱式工作面 (位置如图1所示) 漏风所致。
(1) 2214柱式工作面采用条带式开采方式, 所遗留煤柱、密闭墙受顶板压力受损漏风至644探巷。2214巷 (封闭点以东) 因充填矸石而保持通风, 风流经该巷封闭密闭墙漏至2214柱式工作面, 后经2214斜横川至644探巷。2306工作面 (东) 和2305工作面 (东) 采空区顶板裂隙漏风经通风横川流至2214柱式工作面, 后至644探巷, 致使残留煤体缓慢氧化。
(2) 该煤矿曾开启2208巷、2108巷及2107巷实施设备回收, 并再次实施封闭, 另外由于五盘区首采工作面煤层瓦斯含量较高, 采煤时工作面需风量大, 风量一度增加至4 300 m3/min, 导致封闭区漏入空气致使残留煤体缓慢氧化。
3 CO超标治理措施
在发现CO浓度超标后, 每天对封闭区相关密闭墙进行采气样分析;同时制定方案, 采取了均压调风、隔绝封闭及封闭区注氮等综合治理措施, 从统计结果来看, 治理效果显著[1,2,3,4,5]。
3.1 调风与加强密闭
对该矿644探巷和五盘区回风巷完成了五盘区通风系统, 实施了调风均压, 将原五盘区的风量由4 160 m3/min调整为1 510 m3/min, 同时对原五盘区回风实施了完全封闭, 实现了调风均压。
二盘区南封闭区相关密闭墙实施了重建或注浆加固处理。另外对部分松软煤柱实施了喷浆处理, 并对仍然漏风的密闭墙实施再次加固处理, 达到密闭墙外CO浓度不超过6×10-6的要求。
3.2 注氮气隔绝
在644探巷向2214柱式工作面空巷和二盘区其他已采空巷施工注氮孔注氮。根据计算, 需要注氮气120万m3左右, 本次选用DM-1000/8 (A) 型注氮系统, 注氮量1 000 m3/h左右, 2014-12-27—2015-02-28累计注氮1 210 927 m3。
4 措施效果分析
截止2015-02-28, 初步完成调风均压措施后, 封闭区进、回风侧压差明显减小, 减少了封闭区漏风。
2014-12-27—2015-02-28封闭区累计注氮1 210 927 m3, 有效地控制了封闭区内煤体氧化速率, 经采样检测分析得最大点CO浓度为6×10-6, 最大点O2浓度为2.1%, 均降到临界值以下。
根据5102防火墙前、23012巷防火墙等地点CO浓度检测统计结果, 绘成6个取样点CO浓度变化显著, 截止2015-02-28, 除23012巷1#闭墙前CO浓度为6×10-6外, 其余地点检测浓度均为0, 如图2所示。
5 结论与建议
通过对丹河煤矿二盘区南部15#煤采空区采取均压调风、密闭堵漏和注氮气等措施, 有效地解决了该盘区煤体氧化造成有毒有害气体CO积聚的问题, 同时也为该公司的矿井防灭火工作积累了经验, 丰富了公司的防灭火工作体系。
同时建议该煤矿对CO监测系统, 进一步升级完善, 实现对CO气体24 h连续不间断监测, 并使用SF6气体跟踪检测, 对出现的漏风点进行加强封闭处理, 进一步增强封闭区的密封性。
摘要：为防止采空区漏风导致煤体氧化自燃产生火灾或其他灾害的发生, 通过现场检测与地面化验得到王台铺煤矿15#煤二盘区采空区CO气体参数变化情况, 结合采空区煤体自燃理论, 现场实施了均压调风、堵漏、注氮气等防治煤体进一步氧化措施, 最终使CO、O2气体浓度降到临界值以下, 阻止了次生灾害的发生。
关键词：均压调风,堵漏,注氮,煤体氧化
参考文献
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CO2气体保护焊机的管理与维护 篇7
1 二氧化碳气体保护焊机的优点
1.1 生产率较高
二氧化碳气体保护焊的方法具有生产率较高的优点。二氧化碳气体保护焊机的焊接电流密度较大, 具有较高的熔敷系数, 进而在一定程度上提高生产率。
1.2 焊接质量较好
二氧化碳气体保护焊的方法所得到的焊缝外形较为美观, 焊缝的机械性能较好, 具有很强的抗锈能力, 飞溅程度较小, 造成的焊接变形量较小, 影响焊接热的范围较小等等。
1.3 成本较低, 适应性强
二氧化碳气体保护焊的方法较为经济实用, 采用二氧化碳气体保护焊机可以进行空间全位置焊接, 尤其是对于立焊、仰焊更能起到保证质量的作用, 明弧焊接, 操作起来更加的简便, 掌握起来更加的容易。
2 CO2气体保护焊机的管理
2.1 使用前的检查
二氧化碳气体保护焊机在使用前应进行检验, 检查它的各个电气开关、指示灯是否灵活、好用。送丝机构是否送丝连续、均匀, 并根据要焊的零部件选择适当的焊接电流及电压。
2.2 焊接方法的选择
二氧化碳气体保护焊机的焊接方法必须根据被焊材料的焊接性、接头形式、焊接厚度、焊缝空间位置、焊接结构特点以及工作等多个方面的因素, 经过详细的考虑后再选择和确定。二氧化碳气体保护焊机的焊接方法选择原则是在保证产品质量条件下, 优先选择常用的焊接方法。
3 CO2气体保护焊机的维护
3.1 保险丝熔断现象的维护
二氧化碳气体保护焊的焊丝金属消耗量约为手工焊的三分之一, 耗电量为手工焊的五分之一, 效率却能提高两到三倍, 因此, 二氧化碳气体保护焊机在工业领域被广泛使用。由于操作、维护等原因, 在二氧化碳气体保护焊机的使用过程中会经常出现保险管、保险丝熔断的不良现象。当保险管、保险丝熔断故障发生之后, 先打开焊机前面板, 更换保险管, 再用螺丝刀拧上面板, 费时又费工, 并且操作人员在进行施工的过程中要配戴焊工手套, 手经常处于潮湿状态, 存在一定的不安全因素。经常开启面板, 容易污染电路板, 应将保险管座焊线引到面板处, 面板上配做与熔断器座螺纹合适的小孔, 若是可以从防护罩内取出号码座和内外转动轴, 用四方扳手插入丝堵内, 卸下丝堵。
3.2 二保焊飞溅问题的防御措施
飞溅是二保焊的主要缺点, 一般金属飞溅损失约占焊丝熔化金属的百分之十左右, 严重的会达到百分之三十至百分之四十。因此, 会降低焊接生产率, 增加焊接成本;飞溅粘在导电嘴和喷嘴内, 影响电弧稳定, 降低气体保护作用, 使焊缝产生气孔, 影响焊缝质量。所以, 必须加以预防:采用含猛、硅脱氧元素的焊丝, 并降低焊丝中的含碳量;焊机要选用直流反接;必须选用正确的焊接工艺参数。
3.3 焊接质量控制
使用二氧化碳气体保护焊机的焊工必须经过考试, 合格并取得合格证书, 必须在其考试合格项目及其认可范围内施焊。在焊接之前应进行焊接工艺评定, 并根据工艺评定报告确定焊接工艺。针对本工程焊接节点的特点, 通过先焊收缩量较大节点, 后焊收缩量较小节点, 先单独后整体的合理焊接顺序, 使焊接应力得以有效的散失。应控制焊缝表面的余高, 将所有焊缝余高控制在0.5~3毫米之内。
3.4 焊接注意事项
二氧化碳气体保护焊机的焊接顺序应根据具体结构条件合理确定;定位焊缝应有足够的强度;如发现定位焊缝有夹渣、气孔和裂纹等缺陷, 应将缺陷部分除尽后再补焊;保护气体应有足够的流量并保持层流, 应及时清除附在导电嘴和喷嘴上的飞溅物, 确保良好的保护效果;应经常清理送丝软管内的污物;焊接电流与电弧电压是关键的工艺参数, 为了使焊缝成形良好、飞溅减少、减少焊接缺陷, 电弧电压和焊接电流要相互匹配, 通过改变送丝速度来调节焊接电流;重要焊缝应在焊缝两端设置尺寸合适的引弧板和引出板, 在不能使用引弧板和引出板时, 注意防止在引弧处和收弧处产生焊接缺陷。
4 二氧化碳气体保护焊机使用过程中的管理和维护
4.1 使用前的管理维护
在进行作业之前, 应先对二氧化碳气体进行十五分钟的预热, 检查并确认焊丝的进给机构、电线的连接部分、二氧化碳气体的供应系统及冷却水循环系统是否合乎要求。应将二氧化碳气体瓶放在阴凉处, 最高温度不能超过四十度, 不可靠近热源。二氧化碳气体预热器端的电压不能大过36V, 作业完成后切断电源。
4.2 安装管理维护
应将二氧化碳气体保护焊机安装在温度不超过四十摄氏度、相对湿度低于百分之九十、没有腐蚀性气体、蒸汽、水分、化学性沉积、尘垢、霉菌及其它爆炸性介质的环境中, 且保证焊机不受到严重的振动与撞击。在使用新安装或长时间不用的焊机之前必须要对焊机的绝缘电阻进行详细的检查。二氧化碳气体保护焊机在安装时应可靠接地;焊机的输入接线端、进气管接头及预热机器电源插座位于焊机后面防护罩内;输出接线端, 焊枪控制电缆插座及出气管接头位于焊机前面。
4.3 及时改善、维护焊机
对二氧化碳气体保护焊机的使用必须按照相应的负载持续率来进行。要做到:经常保持焊机的清洁;经常注意导电嘴的磨损情况, 若是发现有严重磨损应及时进行更换;定期检查送丝机构、减速器的润滑情况, 在必要情况下应加添或更换新的润滑油脂;不能磕碰焊机, 严格禁止在使用之后将焊机放在工作台上。不能用力拉扯焊把连线, 也不可以对其进行压、砸。
5 结语
CO气体分析仪 篇8
CO是煤气的主要成分, 正常情况下, 它是无色、无味、无臭、无刺激性的有毒气体。人们在日常生活中有可能会遇到因为热水器使用不当或产品本身存在质量问题而造成CO中毒的情况, 或引发煤气中毒事件。目前, 我国北方许多地区冬季取暖仍使用煤炉。在使用过程中, 稍有不慎就会发生煤气中毒或死亡事故, 还可能会因为煤气泄漏而导致煤气爆炸等。如何防止煤气中毒和爆炸已经成为了广大居民在使用煤气时需着重考虑的问题之一。该课题设计的CO报警器的核心部件是低功耗单片机MSP430F149和气敏传感器MQ-7等。
2 系统结构和设计
该系统是以单片机MSP430F149为控制核心, 与CO气敏传感器、显示电路和报警器共同组成气体检测仪。它可实时采集、显示空气中CO的浓度, 设置报警阈值, 并在CO浓度超标时报警等。报警过程是通过驱动一个蜂鸣器来实现的。
设计模块是由传感器采集模块、键盘输入模块、电源及复位模块、报警模块、显示模块和CPU处理模块等组成的, 整个系统的结构如图1所示。
由图1可知, 整个结构设计得很简单。单片机的A/D通道与传感器采集模块连接, 不仅可以简化模拟采集设计, 降低设计的复杂性, 还能增强系统的可靠性。键盘输入模块是通过单片机的P1口完成工作的。因为P1口具有中断功能, 所以, 操作起来非常容易, 也非常适合软件编程。电源模块主要能为系统设计提供可靠的电源。复位功能主要考虑了系统的工作需要, 并为系统提供复位信号。报警模块主要是在检测到报警信息后, 通过单片机发出一个报警信号, 从而驱动蜂鸣器实现报警。显示模块可以将获取到的数据全部显示出来, 以便于实时观察工作情况。
3 硬件系统设计
3.1 单片机系统电路设计
系统控制电路使用的是MSP430F149单片机, 它采用的是低功耗模式, 适用于低功耗场合。将单片机电路应用于系统的核心控制部分, 它的主要任务是完成与其他电路的对接, 处理得到的数据, 并将数据处理结果用其他方式表现出来。单片机的接口电路非常简单, 为了实现与其他电路的对接, 分别了采用单片机的一般I/O口。单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5和P1.6作为通用I/O口接键盘, P4.0和P2.1、P2.2、P2.3、P2.4分别作为数码管电路数据、小数点与控制端口连接, P6.0作为模拟信号的输入端, P2.5则作为连接报警电路的一端。单片机电路图如2所示。
3.2 电源电路
电源电路是将5 V的电压转变为3.3 V电压, 从而为单片机系统和键盘电路提供电源。这样做, 可以满足大多数低功耗应用场合的要求, 如图3所示。
3.3 复位电路
检测仪设计采用的复位电路如图4所示。电路中使用了一个按键复位电路, 同时, 它还可以进行人为控制。
3.4 键盘输入电路
该设计是通过系统键盘电路输入的数据进行人机交互的, 并采用扫描的方式获得相关数据, 以此实现矩阵键盘。
3.5 显示电路
显示电路一般包括液晶显示和数码管显示。在设计中, 只需要显示数字, 所以, 数码管显示要满足较多的要求。系统的显示电路采用的是数码管显示, 电路简单, 而且成本也比较低。
3.6 报警电路
报警电路简单、实用, 它的主要任务是驱动一个蜂鸣器。图5为报警电路。
3.7 信号采集电路
信号采集电路如图6所示。在采集硬件电路的过程中, 要考虑MQ-7的实际技术参数。负载电阻要根据MQ-7的实际技术参数来选择合适的电阻值, 即调节负载电阻, 以获取相对应的某一个CO浓度所需要的信号值的电阻。在这项设计中, A/D转换模拟通道的电压为0~3.3 V, 那么, 这个信号值就取接近3.3 V的值。
4 软件设计与调试
系统的软件主要包括信号采集模块、输入模块、显示模块、报警模块和主处理模块。
此次设计用到的软件是IAR systems。IAR Systems带有C/C++编译器和调试工具的集成开发环境——IAR Embedded Workbench for ARM。
IAR systems的使用步骤是:①进入编程环境。②新建项目, 单击“Project/Creat New Project”。③在新建项目对话框中选择C/main, 然后单击“OK”按钮, 在接下来的对话框中选择要存储的目录和项目名称。④设置项目。在项目名称上单击鼠标右键, 在下拉菜单中单击“Option”。⑤在General Option-Target-Device项中选择CPU的型号, 即MSP430F149, 然后单击“OK”。⑥单击“Make”图标按钮, 编译和连接项目。图7为IAR systems的菜单栏。
在调试过程中, 分别调试了每个模块。为了方便调试, 每个模块中都加了头文件和主函数, 它们完全能够满足实际测量需求。
5 总结
本文主要介绍了检测仪硬件和软件的设计方案。由于所设计的CO报警器适用于家庭, 所以, 在选择相关器件时, 要考虑价格因素。该设计选用超低功耗的高性能16位微处理器MSP430F149作为控制核心, 它性能好, 适合为电池供电;用低价、灵敏度高和寿命长的MQ-7作为信号采集的传感器;采用数码管显示电路, 电路简单而且价格便宜;以驱动单片机实验板上自带的蜂鸣器发声作为CO浓度超标时的报警信号;采用键盘电路来设置CO的报警阈值, 从而实现人机交互。基于MSP430F149的CO检测仪充分利用了单片机的软、硬件资源, 本着简单、实用的设计原则, 保证设计结构简单, 易于成本控制。在设计过程中, 能用软件实现的功能尽量用软件实现。这样做, 不仅便于修改, 也有利于以后功能的扩展。只要将软件程序稍加修改, 那么, 所设计的CO报警器也适用于工业中。参考文献
摘要：基于MSP430F149的CO检测仪适用于家庭, 它是利用气敏传感器MQ-7采集CO信号, 并将其转换为电压信号。由于MQ-7的输出信号为伏特级, 所以, 不需要放大电路, 可以直接将传感器的输出信号输入到A/D转换的模拟通道口。经过A/D转换后, 可以将数字信号传送到单片机作处理, 单片机处理后通过数码管显示电路显示出气体的浓度。这款检测仪具有性能可靠、经济实惠的特点。
关键词：MSP430,气敏传感器MQ-7,CO气体检测仪,单片机
参考文献
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