甲烷检测

2024-06-02

甲烷检测（共11篇）

甲烷检测篇1

0 引言

甲烷是一种易燃、易爆气体, 是矿井中瓦斯的主要成分。一般认为, 甲烷在大气中的爆炸下限为5.0%, 上限为15.0%, 在浓度为9.8%时最容易爆炸。长期以来, 国内煤矿安全监控系统普遍采用热催化元件检测甲烷浓度, 该检测方式易受高浓度甲烷和硫化物的毒化, 使用一段时间后, 存在着零点漂移、灵敏度下降等问题, 严重威胁井下人员的生命安全。本文介绍一种基于光谱吸收检测原理的煤矿甲烷红外检测系统, 该系统通过测量红外光穿过甲烷气体后的透射比计算甲烷浓度, 可有效弥补采用热催化元件检测方式的缺点[1], 保证甲烷浓度检测与报警的准确性。

1 红外差分吸收检测原理

煤矿甲烷红外检测系统是基于气体的红外选择性吸收原理设计的:具有非对称双原子或多原子分子结构的气体在中红外波段均有特征吸收光谱, 当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时, 就会发生共振吸收, 遵循朗伯-比尔定律[2]:

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式中:I (λ) 为透射光的强度;I0 (λ) 为入射光的强度;α (λ) 为气体的吸收系数;L为气体的吸收光程;C为被测气体的浓度。

考虑到光源、光探测器、背景噪声等因素引起的光强变化, 系统采用单光路、双波长结构补偿方法对甲烷气体实现差分检测。甲烷分子具有4个基频振动, 每一个基频振动对应1个光谱吸收区, 它们的波长分别为3.43 μm、6.53 μm、3.31 μm和7.66 μm[3]。本系统中, 光源为红外二极管 (LED) , 波长从可见光到5 μm, 探测器采用双通道热释电探测器, 测量滤光片的中心波长为3.31 μm, 带宽为0.15 μm, 与甲烷气体有较好的波长匹配。

红外甲烷传感器结构如图1所示, 红外光源发出的红外辐射穿过被测甲烷气体, 分别经中心波长λ1=3.31 μm的测量滤光片和中心波长λ2=4.0 μm的参考滤光片后, 分为2束单色光, 经过热释电探测器, 输出mV级的电压信号。

考虑到光路的干扰因素, 朗伯-比尔定律可以表示为

I (λ1) =K (λ1) I0 (λ1) exp[-α (λ1) LC+β (λ1) ] (2)

I (λ2) =K (λ2) I0 (λ2) exp[-α (λ2) LC+β (λ2) ] (3)

式中:K (λ) 为比例系数;β (λ) 为光路干扰系数。

由于λ1、λ2相差很小, 光同时接近和通过甲烷气体, 可以认为β (λ1) =β (λ2) , 调节光学系统, 使K (λ1) I0 (λ1) =K (λ2) I0 (λ2) , 则甲烷气体浓度可表示为

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由式 (4) 可看出, 测量系统从理论上完全消除了光路的干扰因素, 同时还消除了光源输出光功率不稳定的影响。

2 系统硬件设计

煤矿甲烷红外检测系统结构如图2所示。光源驱动电路是以NE555为核心组成的4 Hz对称方波振荡电路, 调制发光二极管, 产生测量用的方波光源信号, 该方波信号同时作为相敏检波的参考信号。光电转换后的信号经过前置放大、滤波电路和锁相放大电路后, 得到稳定的直流信号, 由微处理器S3C44B0X完成A/D转换, 并对携带甲烷浓度信息的数字量进一步滤波, 提高系统的灵敏度, 通过查表、线性插值计算出甲烷浓度, 在LCD上显示。如果甲烷浓度超限则通过声光报警电路发出报警信号, 并将浓度值通过串口上传给计算机, 实现浓度信息的保存与分析。

图2中, 锁相放大电路是一种以相关检测原理为基础的信号处理电路, 利用信号周期性和噪声随机性的差别, 通过互相关运算, 抑制噪声, 提高探测的灵敏度和信噪比[4]。

光源驱动电路输出的方波作为相敏检波的参考信号, 使相敏检波器处于开关状态。将方波参考信号展开为傅立叶级数:

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式中:n为谐波次数;f2为方波的频率。

当输入信号Us=Essin (2πf1t+φ1) 时, 则相敏检波器的输出为

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若f1=f2, 则式 (5) 中存在直流2Es/π·cos (φ1-φ2) =2Es/πcos θ, 其中θ=φ1-φ2, 为输入信号Us与方波参考信号Ur的相位差。相敏检波器的输出信号经过低通滤波器后只剩下直流分量2Es/πcos θ, 通过移相电路将输入信号Us与方波参考信号Ur的相位差调节为零, 则被检测出的信号即为与输入信号相关的直流分量2Es/π。

3 系统软件设计

微处理器选用三星公司生产的ARM7处理器S3C44B0X, 其内部集成了采用近似比较算法的8路10位ADC, 支持软件使能休眠模式, 以减少电源损耗。同时该芯片还集成了LCD控制器、2个UART通道、71个通用I/O口等部件, 能够胜任信息采集、显示、发送等功能。

系统软件主要完成初始化、数据分析处理、结果显示与传输等功能。系统上电后, 首先完成系统的初始化, 进入低功耗模式, 等待中断请求。软件采用去极值移动平滑数字滤波方法消除随机干扰, 提高了检测系统的灵敏度。ROM中存放事先标定好的线性系数, 系统工作时, 根据当前计算数据寻找相应的系数, 线性插值计算出当前的气体浓度, 并通过LCD显示, 如果气体浓度超限, 则发出报警信号。系统软件流程如图3所示。

在实现信号的放大滤波过程中, 虽然信号受到抑制, 但由于受到电子器件的限制, 信号仍受到影响, 为了提高测量精度, 本文采用去极值移动平滑法对经过A/D转换后的数字量进行滤波。该方法选择一个具有一定宽度的平滑窗口, 窗口内有n个实验点, 窗口内的数据采取先进先出的原则, xj为最近1次的采样值。将窗口内n次测量值去掉最大值和最小值后, 取平均值代替第j点的值:

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去极值移动平滑法消除了数据随机的突然变化对测量结果的影响, 既能消除脉冲干扰, 又能平滑滤波, 减少了误报警的概率。

4 实验结果

测量信号V1与参考信号V2以及甲烷浓度C存在如下关系:

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式中:N0为气体体积分数为0时测量信号V1和参考信号V2的比值;k0为比例常数;α为吸收系数;L为气体的吸收光程;C为甲烷浓度。

实验中选择气室长度L为5 cm, 采用扩散采样方式。室温条件下, 设定甲烷气体的满量程为甲烷气体的爆炸下限5%, 首先将甲烷体积分数为0时对应的N0值计算出来, 再根据实测的V1和V2计算K值, 实验中选取甲烷体积分数为0.5%、1%、…、4.5%、5%共10个点进行测量。根据测得的数据, 得到标定曲线, 如图4所示, 并将线性参数 (斜率和截距) 存入ROM中, 中间点采用线性内插求得。

正常工作时, 根据当前计算的K值和对应的线性参数计算出所测甲烷浓度。标定好系统后, 用标准甲烷气体对整个检测系统进行示值对比实验, 如表1所示。

根据公式undefined可得示值的相对误差, 其中:Cm为系统示值;Cs为标准气体浓度;R为量程, 根据表1, 可知系统的相对误差为1%。

用1%的标准甲烷气体对系统进行重复性试验, 连续运行10 h, 每1 h作为时间间隔注入标准甲烷气体, 记录数据如表2所示。由表2可以计算出单次测量的标准偏差:

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5 结论

针对现有煤矿甲烷检测装置存在的检测范围窄、寿命短、易受毒化、调校频繁等缺点, 本文设计了一种煤矿甲烷红外检测系统。该系统采用差分吸收检测原理和相敏检测技术, 使得传感器对环境光量变化、暗电流噪声、温度漂移的干扰均有一定的抑制作用。实验结果表明, 甲烷体积分数与K值呈线性关系, 所标定的传感系统的示值相对误差为1%, 气体检测具有良好的重复性。

参考文献

[1]HOVEL R.Advances IR Technology[J].MRS Sym-posium Proceedings, 1997, 450:438~443.

[2]王汝琳, 王咏涛.红外检测技术[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[3]邓勃.原子吸收光谱分析的原理技术与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[4]孙红兵, 莫永新.微弱光电信号检测电路设计[J].微电子技术, 2007, 18:156~158.

[5]刘永平.红外技术在煤矿井下测温和测气中的应用[J].红外技术, 2000 (7) :21~23.

甲烷检测篇2

伊宁县二中林晓红

这堂课是学生首次接触有机化学，对于有机的学习还没有思路，更没有学习的基础。从无机化学到有机化学的学习，学生会觉得困难。所以，有条理，有方向，引起学生的学习兴趣尤为重要，能帮助学生后期有机的学习形成好习惯。

课后反思：问题的设置是课堂成功的关键，而问题要能激发学生的学习兴趣。所以，为了引发学生的学习兴趣，我从身边熟知的新闻入手，便于激发学生的兴趣，热情，还有学生的思考积极性。然后介绍天然气的存在，俗称，以及物理性质。同时做一个铺垫，让学生明白为什么要西气东输。

进入正式课题以后，关键是帮助学生建立学习有机化学的方法，以及培养其建立模型的空间思维能力，体现在本节课上便是甲烷空间构性的建立。通过球棍模型的摆置，视频的播放，并通过学生的参与探究，并展示自己制作的模型，以及二氯甲烷的球棍模型，帮助学生清楚掌握甲烷的构型是正四面体，而不是平面构型。

本节课的另一个重点及难点内容----取代，也是以探究的形式展开的。由于甲烷取代反应实验现象不是很明显，所以，教学中我用了视频，让学生看到反应过程，并设置了相关问题。但是，实验现象还是不够明显，不能达到探究的明显效果，也没有让学会参与进来，效果没有取得预想的效果。从反馈上看，学生掌握的还不错。由于课堂容量大，内容较多，课后练习没时间完成，这是本节课最大的遗憾。

第39课时甲烷烷烃篇3

A. 通常情况下，甲烷不跟强酸、强碱、强氧化剂反应

B. 甲烷性质比较稳定，不能被任何氧化剂氧化

C. 甲烷跟氯气反应无论生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3还是CCl4，都属于取代反应

D. 甲烷的四种取代物都是液体

2. 下列事实能证明甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构的是（）

A. CH2Cl2有两种不同的结构

B. 在常温常压下CH2Cl2是液体

C. CH2Cl2只有一种空间结构

D. CH4分子中键长、键角、键能均相等

3. 有一类组成最简单的有机硅化合物叫硅烷，它的分子结构与烷烃相似，下列说法错误的是（）

A. 硅烷的分子通式可表示为SinH2n+2

B. 甲硅烷燃烧可生成二氧化硅和水

C. 甲硅烷（SiH4）的密度大于甲烷

D. 甲硅烷的热稳定性强于甲烷

4. 如图所示，集气瓶内充满某混合气体，置于光亮处，将滴管内的水挤入集气瓶后，烧杯中的水会进入集气瓶，混合气体是（）

①CO、O2 ②Cl2、CH4 ③NO2、O2 ④N2、H2

A. ①② B. ②④ C. ③④ D. ②③

5. 下列有机反应中，不属于取代反应的是（）

A. —CH3+Cl2→ —CH2Cl+HCl

B. 2CH3CH2OH+O2→2CH3CHO+2H2O

C. ClCH2CH=CH2+NaOH→HOCH2CH=CH2+NaCl

D. +HO—NO2→ —NO2+H2O

6. 下列化学式只表示一种纯净物的是（）

A. C3H8 B. C4H10 C. C2H4Cl2 D. C

7. ①丁烷、②2-甲基丙烷、③戊烷、④2-甲基丁烷、⑤2，2-二甲基丙烷等物质的沸点的高低是（）

A. ①>②>③>④>⑤B. ⑤>④>③>②>①

C. ③>④>⑤>①>②D. ②>①>⑤>④>③

8. 烷烃分子中的基团可能有四种：—CH3、—CH2—、[—CH—][—]、[—C—][—][—]其数目分别用a、b、c、d表示，对烷烃（除甲烷外）中存在的关系作讨论：

（1）下列说法正确的是（填编号）。

A. a的数目与b的数目的大小无关

B. c增加1，a就会增加3

C. d增加1，a就会增加2

D. b增加1，a就会增加2

（2）四种基团之间的关系为：a= （用b、c、d表示）。

（3）若某烷烃分子中，b=c=d=1，则满足此条件的该分子的结构可能有种，写一种名称。

9. 按要求写出下列物质的名称或结构简式：

（1）的名称为。

（2）的名称为。

（3）（CH3）3CCH（CH3）（CH2）2CH（C2H5）2的名称为。

（4）某烷烃A蒸气的密度是相同状况下氢气密度的64倍，经测定得知A分子中共含有6个甲基。

①若A不可能是氢气与烯烃加成的产物，A的结构简式为；

②若A是炔烃与氢气加成的产物，A的结构简式是。

（5）在有机物分子中若某一个碳原子连接4个不同的原子或基团，则这种碳原子称为“手性碳原子”（如：[CHO] [H] [CH3CH2—C*—COOH]中标*的C为手性碳）。C7H16的同分异构体中具有“手性碳原子”的有种，写出其中一种的名称。

10. 有①甲烷、②乙烷、③丙烷、④丁烷4种烷烃，试回答下列问题：

（1）请写出烷烃在足量的氧气中充分燃烧的化学方程式；

（2）相同状况下，等体积的上述气态烃，消耗O2的量最多的是；

（3）等质量的上述气态烃，在充分燃烧时，消耗O2的量最多的是；

（4）在120℃，1.01×105Pa条件下，某气态烃与足量的O2完全反应后，测得反应前后气体的体积没有发生改变，则该烃为；

（5）10 mL某气态烃，在50 mL O2在充分燃烧，得到液态水，以及体积为35 mL的混合气体（所有气体体积均在同温同压下测定），该气态烃是。

（6）名称是；1 mol该烃完全燃烧需消耗氧气 mol。

甲烷检测报警仪的设计篇4

目前煤矿使用的甲烷检测报警仪种类繁多、原理大同小异, 存在着工作时间短、性能不稳定等缺点, 特别是仪器的零点和满度的调校误差较大。新型甲烷检测报警仪, 该仪器采用单片机设计, 避免了传统仪器的缺点, 具有低成本、低功耗、智能化等优点。甲烷检测报警仪适合煤矿井下个人配带, 是进行井下瓦斯测量与检测的常备仪器;可应用于潮湿阴暗多粉尘等场所, 检测碳氢类化合物可燃性气体。测报警仪功能特点:该检测仪采用当前先进的单片机来实现控制, 具有以下特点:嵌入式低电压单片机智能冗余控制技术;实现一键式轶件调节仪器零点、报警点、标定点;集甲烷检测、时钟显示于一体;具备超限报警、超浓度保护传感器功能;具备欠压报警及自动关机保护功能。检测报警仪方案设计:该检测报警仪由本安电源、稳压电路、检测电路、放大电路、CPU、欠压报警、数字显示等模块组成, 甲烷检测报警仪具有高防护等级适用恶劣环境;具有多种形式报警指示:数字、声光、振动、光条;报警点可通过按键随意调节;可以选择配置组合型充电架;内置先进单片微型计算机;可选金属挎或皮套使用保护;传感器更换方便容易;时间显示及设定功能;电池电压显示功能;自动调零和校准功能。

2 甲烷检测报警仪设计

2.1 原理简述

检测报警仪的催化燃烧传感器与2个数值相等的固定电阻组成惠思顿电桥, 在无甲烷的新鲜空气中, 黑白元件的阻值相等, 电桥输出为零;当含甲烷的气体进入传感器时, 甲烷在黑白元件表面催化剂的作用下进行无焰燃烧, 使黑白元件温度升高, 阻值增大, 电桥失去平衡, 输出直流电压信号。此信号放大后经A/D转换器, 将模拟量变为数值量通过LED显示器将气体浓度显示出来。设置在1.00%CH4时报警, 瓦斯浓度超过4.00%CH4时, 间歇接通电源, 跟踪瓦斯浓度并保护催化元件, 延长其寿命。

2.2 各单元设计

单片机内部功能:数据总线宽度8bit;程序存储器类型为flash、大小3.5KB;数据RAM大小128B;接口类型为PSPUS-ART;最大时钟频率20MHz;可编程输入输出端数量33;定时器数量;工作电压2.7-4.2V;最大工作温度85℃;封装TQFP-44。本安电源采用3x1.2V镍氢电池组, 设计用限流电阻限流后, 环氧树脂密封, 工作电压3.6V, 最大开路电压砜为4.20V、电流为2A, 直接给稳压电路、CPU提供电源3V。稳压电路由电路Cl (LP3985-3V) 、电阻R, U8和LM385-2.5V组成, LP3985-3V提供3V工作电压, LM385-2.5V提供2.5V基准电压供CPU, 同时通过R19、Ais给高瓦斯保护电路提供1.2V基准电压。检测和放大电路由载体催化元件r0、al、电阻R20、R2, 、R22、R23多圈精密电位器W, 、电容C9组成检测电路, 甲烷气体进入传感器腔内, o、al阻值发生变化, 检测回路输出一个与甲烷浓度相对应的电信号送至放大器。放大器由R24、R25、R26、R27等多圈精密电位器组成, 信号经放大后输入到CPU, 通过驱动LED在显示电路显示甲烷数值。CPU (IC2) 采用美国MCROCHIP公司的单片机。其功能是检测瓦斯浓度并显示、检测电源电压、报警点设置、零点和标定点设置、欠压保护、高瓦斯保护。此功能由软件程序控制完成, 软件设计使用汇编语言和C语言。报警电路由Di、三极管U5、U6、电阻R16、蜂鸣器、发光二极管组成、当甲烷浓度超限时、CPU的RD4口输出低电平、三极管U5、U6导通、发出声、光报警信号。显示电路由4位LED数码管、电阻R6、R, 、R。、R9和三极管Qi、Q2、Q3、Q4组成, 由CPU的Bo~RB7、RCO~RC3驱动, 其功能是显示甲烷、电源电压。欠压保护电路由取样电R4、Rs取样至CPU的RA3脚, 电路Cl (LP3985-3经R3反馈到CPU的As完成。高瓦斯保护由Ri8、R19取样至LM358, 当瓦斯浓度超过4%时, CPURA7角输出高电位, 经D2反馈到LM358, 此时U7由导通变力截止, 转化为间歇接通电源, 跟踪瓦斯浓度并保护催化元件。时钟电路采用的芯片, 其结构简单, 编程容易。单片机以串行方式与时钟芯片连接。报警仪外壳采用防静电ABS工程塑料, 外形美观大方、充电方便, 各功能键采用薄膜开关, 密封性能好, 通气嘴采用不锈钢材料。显示窗用透明材料, 便于观察。主板采用双面板, 采用SMD焊接, 元件布局合理, 保证产品质量。检测报警仪软件设计及检测指标软件采用功能模块化设计, 主要有主程序、初始化、按键处理、数据显示、AD采样、零点及满度、报警点、时钟等组成。初始化程序完成单片机有关程序的设置, 按键和显示程序实现人机对话, 主程序完成数据测量, 零点, 灵敏度和各功能模块的循环利用, 特别是实现了零点的自动跟踪, 调校方便, 提高了仪器的零点稳定性和整机的测试性能。仪器的校准, 标有一零电位器孔对齐。零点调整, 有两个金属体外壳的底部两个充电电极, 这是使用的电池充电。外壳的设计原理, 外形美观、实用、体积小、携带方便、操作简单、强度满足要求, 防爆性能好, 确保阻燃。为了满足设计要求, 三维实体造型设计。在三维建模的设计, 在二维设计软件实体生成二维壳的设计图, 并保存到您指定的文件。

结束语

甲烷检测报警仪采用进行控制处理, 使用了SMD技术, 具有体积小, 测量准确, 零点和标定点操作方便、工作时间长等优点。该样机经国家安全生产、检测中心检验合格, 已取得防爆证和检验证。我国是煤矿储存大国, 随着我国经济的快速发展, 煤矿数量需求越来越大, 为了进行安全生产, 甲烷检测报警仪对煤矿的安全生产有着十分重要的作用, 甲烷检测报警仪有效地减少了安全事故的发生, 给国家和社会带来了巨大的经济效益, 减少了损失。

摘要：在中国的煤矿安全生产中, 及时和准确的检测矿井瓦斯含量, 已在煤矿安全生产中起到了重要的作用。为了满足甲烷检测报警仪的发展要求, 多采用催化原理, 甲烷检测报警仪, 利用单片机设计, 避免了传统仪器的缺点, 设计成本低, 功耗低, 智能化。以下重点介绍甲烷检测报警仪的设计。

关键词：甲烷,检测,报警仪,设计

参考文献

[1]谢爱军.浅谈便携式甲烷检测报警仪的检定与管理[J].华东科技:学术版, 2012, (8) .[1]谢爱军.浅谈便携式甲烷检测报警仪的检定与管理[J].华东科技:学术版, 2012, (8) .

[2]梁鹏、黄金波, 基于语音模块的新型矿用便携式甲烷检测报警仪的研制[J].煤矿机电, 2011, (6) .[2]梁鹏、黄金波, 基于语音模块的新型矿用便携式甲烷检测报警仪的研制[J].煤矿机电, 2011, (6) .

[3]李剑峰.催化燃烧式甲烷检测报警仪的校准[J].煤矿机械, 2010, (11) .[3]李剑峰.催化燃烧式甲烷检测报警仪的校准[J].煤矿机械, 2010, (11) .

[4]仲丽云, 矿用便携式甲烷检测报警仪的高保护级别防爆技术[K].电气防爆, 2010, (2) .[4]仲丽云, 矿用便携式甲烷检测报警仪的高保护级别防爆技术[K].电气防爆, 2010, (2) .

甲烷教案篇5

授课人曹华东

一、教学目标:.知识技能目标：1使学生了解甲烷的分子结构和表达式。

2.使学生掌握甲烷的重要化学性质。

3.使学生了解取代反应,并学会对比分析的方法。

过程方法目标：通过试验培养学生的观察分析能力、空间想象能力,提高研究性学习的能力。

情感态度目标：认识物质结构本质，能透过现象看本质；关心社会、能源等问题；合作学习的精神养成。

重点：甲烷的分子结构和化学性质。

二、教学方法：提出问题-----分析探究------归纳应用

三、教学过程：

[图片]:沼气和天然气

[引入]:由图片引入我们今天要研究的内容甲烷.[板书]:第一节甲烷

[介绍]: 甲烷是一种有机物,仅由碳和氢两种元素组成,本节课就来学习有机化学部分.[概念]: 大多数含碳的化合物都是有机物

仅含碳和氢两种元素的有机物称为碳氢化合物,又称烃.[展示]:一瓶甲烷气体(集气瓶倒放)观察甲烷的物理性质。[板书] :

一、甲烷的物理物质和存在

甲烷是无色无味的气体，难溶于水，比空气轻。

甲烷是池沼底部产生的沼气和煤矿的坑道所产生的气体的主要成分，天然气的主要成分也是甲烷（按体积计，天然气里一般约含有甲烷80%-90%）。[板书]:

二、甲烷的分子结构

[讲述]: 甲烷的分子式,电子式,结构式.结构式：用短线表示一对共用电子对的图式 [学生活动]:书写甲烷的电子式、结构式.[展示] :甲烷的球棍模型和比例模型

0,[甲烷的结构特点]:正四面体型结构,C在中心,4H在顶点.键与键之间的夹角为10928 [提问] :甲烷的化学性质如何？根据我们的知识,我们能知道甲烷能发生什么反应? [学生回答] : 燃烧

[实验] :甲烷的燃烧实验，[提问] :燃烧后的产物如何检验? [学生活动] :点燃集气瓶中的甲烷,然后在火焰上方罩一只干燥的烧杯,看是否有水雾,然后在集气瓶中加少量的澄清石灰水,充分振荡,看是否变浑浊.[学生活动] :写出甲烷燃烧的化学反应方程式.[板书]:

二、甲烷的化学性质

1、氧化反应：CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O 注:有机反应方程式用箭头不用等号![设问]甲烷还有什么化学性质呢？

[讨论]甲烷可与氧气反应,是否能与酸性的高锰酸钾溶液反应呢?

2、稳定性：甲烷与酸性高锰酸钾溶液、溴水等不反应 [观察与思考] :甲烷能否与氯气发生反应? [实验] : 甲烷与氯气的反应

[提醒] :重点观察部位：量筒内气体颜色的变化，量筒水面上升情况，量筒内壁的变化。[回答] :量筒内气体黄绿色褪去、有白雾，水位不断上升、内壁有油状物质生成。[讲述] :这说明甲烷与氯气发生了反应。

[多媒体动画、板书、讲述]

[学生练习] :学生书写二氯甲烷、三氯甲烷与氯气反应的化学方程式。

[投影] :学生书写二氯甲烷、三氯甲烷与氯气反应的方程式。

[讲述]甲烷与氯气发生了反应生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和氯化氢。由于氯化氢极易溶于水，产物中只有一氯甲烷是气体，二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷都是不溶于水的液体，所以量筒内气体黄绿色褪去、有白雾，水位不断上升、内壁有油状物质生成。[讲述]这种反应类型叫取代反应。[板书] :3．取代反应：

[强调]该反应的历程并归纳反应特点。在这些反应里，甲烷分子里的氢原子逐步被氯原子所代替而生成了四种取代产物。有机物分子里的某些原子或原子团被其它原子或原子团所代替的反应叫做取代反应。

[介绍] :四种取代产物的性质和用途

[练习] :

1、将1mol甲烷和4mol的氯气发生取代反应，待反应完全后，测得四种有机取

代物的物质的量相等，则消耗氯气为：（）A.0.5mol

B.2mol

C.2.5mol

D.4mol

2、在光照条件下，将等物质的量的甲烷和氯气充分反应得到的产物的物质的量最多的是：（）

A、一氯甲烷

B、二氯甲烷

C、三氯甲烷

D、HCl [讲述] :隔绝空气加热到1000℃以上，甲烷会分解为炭黑和氢气。高温

[板书] :

4、受热分解CH4 C + 2H2

[讲述] :氢气是合成氨及合成气油等工业的原料, 炭黑是橡胶工业的原料。[板书] :甲烷的用途

①甲烷的取代反应产物都是很好的有机溶剂。

②热分解产物炭黑是橡胶工业的重要原料，也可用于制造颜料、油墨、和油漆等。③做气体燃料。

制取甲烷的最佳反应温度探究篇6

关键词：甲烷；制取；反应温度；热电偶；传感器

文章编号：1005-6629（2015）11-0059-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

甲烷作为最简单的有机化合物，是中学生认识有机化合物的起点，因而，其制备和性质教学在中学化学教学中具有重要意义。传统实验方法采用无水醋酸钠与碱石灰以1：3混合，反应速度慢，产气率低，副产物多且容易失败。国内研究者对于反应物配比、实验装置的优化、催化剂的选择、副反应的影响等进行了多次探究，但都未对甲烷制备反应的最佳温度进行深入探讨。在有机化学反应中，温度是非常重要的条件，也是实验过程中不易控制的。而且，固体反应物温度实时探测和气体产生速率确定的困难也是鲜有人探究的重要原因之一。鉴于此，本文将使用高温热电偶传感器直接探测反应的实时温度，有效消除了反应时加热强度不易控制带来的影响；通过收集反应产生的甲烷气体速率与反应温度的变化曲线确定甲烷制备的最佳反应温度。为甲烷制备与性质实验提供指导与帮助，以期获得理想的实验教学效果。

1 反应物准备与实验仪器选择

1.1反应物的准备

总结国内一些研究者的研究结果可以归纳出以下影响实验成功的因素：

（1）市售碱石灰的成分氢氧化钠的含量较低不适合本实验；

（2）适量的反应物比例才能促进反应进行；

（3）实验的副反应生成了丙酮，影响甲烷的性质实验；

（4）实验的碱石灰和无水醋酸钠不干燥，影响了甲烷的制备；

（5）加热方式、副产物的冷凝、碱在强热下腐蚀玻璃易导致试管的炸裂；

（6）使用铝箔小舟装载反应物可以防止碱与试管直接接触导致试管损坏。

根据以上因素分析，本实验结合优秀的研究成果给出最佳的反应物配比，无水醋酸钠：碱石灰：氢氧化钠=2：1：1，碱石灰使用前在蒸发皿内由浅红色灼烧至灰白色，再先后与无水醋酸钠、氢氧化钠一起混合，研磨后备用。

1.2实验条件及热源的选择

甲烷制备反应原理为：

碱石灰中的生石灰CaO起到了干燥剂和使反应物疏松甲烷易于逸出的作用。关于甲烷制备的反应机理有两种理解，一种认为反应为离子型反应，甲基碳负离子夺取水中的氢生成甲烷；另一种认为反应为游离基反应。

无论哪种机理都需要将反应物加热至熔融状态，且反应体系中须尽可能要保持无水状态才能使反应顺利进行。

1.2.1最佳反应温度推测

无水醋酸钠的熔点为324℃，氢氧化钠的熔点为327.6℃，基于以上分析估计反应在温度达到二者熔点之后才开始进行。该反应是吸热反应，当反应物达到熔融状态之后仍需要加热。随着温度的上升，反应速度加快，产生的气体增多，直到反应结束。

由上面推测可知，反应开始的温度应该在330℃以上，反应温度较高，通过沙浴、油浴加热已不能满足实验需要；若改用控温效果好的马沸炉却不能收集反应产生的气体，反应体系的实时温度也不易探测；改用酒精喷灯则温度过高，试管不能承受。最后选择酒精灯作为加热源，这更接近教师实验教学时的反应环境，希望所得的实验结果能帮助教师在教学过程中更好地完成实验。

1.2.2高温热电偶传感器校验

在室温为15.8℃时，使用高温热电偶温度传感器测试沸腾的水的温度，两次分别显示稳定在99.0℃和99.1℃。说明传感器测试正常。

1.2.3酒精灯加热强度讨论

实验中用到以下两个酒精灯，1号酒精灯灯芯比较细短，火焰比较小；2号酒精灯灯芯比较粗长，火焰比较大。分别用高温热电偶传感器探测两个酒精灯的外焰温度，见图1。发现两个酒精灯的外焰加热温度都能达到850℃左右，1号酒精灯由室温加热到850℃平均用时约11秒左右，而2号酒精灯需要约7秒。2号酒精灯的加热强度略高于1号酒精灯。实验中将讨论加热强度不同时对甲烷制备实验产生的影响。

1.3实验仪器与装置

反应装置中使用铝箔槽防止试管破裂。将高温热电偶埋人平铺在铝箔槽（小舟）上的反应混合物中，另一端连接数据采集器以探测实时反应的温度，气体的收集用排水集气法收集于倒扣在水槽中的500mL大量筒中，实验装置见图2。

2 实验步骤和现象

2.1排除实验中可能出现的铝箔与氢氧化钠反应

铝在氢氧化钠溶液中能发生剧烈的反应：2AI+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑。为了排除该反应的影响进行如下表1实验。

实验用的碱石灰全部都由浅红色块状研磨成粉末后灼烧至灰白色，反应物按照无水醋酸钠：碱石灰：氢氧化钠=2：1：1的比例混合，经由同一个酒精灯加热。

比较反应后实验1和实验4的铝箔小舟发现两者基本保持原有的金属光泽，没有受到腐蚀。实验1的反应物结块成一体，实验4的反应物基本保持在反应前的粉末状，仅有少量结块。在实验4加热后的小舟和反应物中滴加少量水，立即发生剧烈反应，铝箔小舟被腐蚀放出大量气泡和热量，反应最后铝箔小舟被严重腐蚀，表面也失去金属光泽呈灰黑色。

由实验1、2、3、4可知：

（1）在反应体系无水情况下即使加热到400℃，氢氧化钠与铝箔也不发生反应，可以排除铝箔小舟与混合物中氢氧化钠发生反应的可能。

（2）甲烷的制备反应在350℃左右开始有气体生成，是否与反应物的质量和加热源的强弱有关还需要进一步的实验验证。

2.2甲烷制备反应温度随时间变化的探究

针对上一组实验中存在的问题，进行了第二组对比实验，见表2。反应物配比等同上。

实验5、6、7分别用不同质量的反应物和不同加热强度的酒精灯来进行实验，并记录反应温度在200℃之后到反应结束不再产生气体这段时间内变化，然后绘制温度随时间变化的曲线，见图3。

根据以上实验结果可知：

（1）实验选择酒精灯加热强度不同，会影响反应的总时间和反应速度的快慢，其中热源加热强度越大，反应体系温度上升越快，气体生成速率越快，反应结束越早；

（2）反应物质质量的多少会影响反应的总时间，反应物质质量越多需要的反应时间越长，反应的总时间受到热源和反应物质质量多少的共同影响；

（3）反应的热源加热强度不会影响反应发生开始产生气体的温度与结束温度，反应物质质量的多少也不会改变反应的开始与结束温度。通过数据采集器的记录可知开始产生气体的温度在350℃左右，反应结束的温度在510℃左右。

2.3

甲烷制备反应气体生成速率随温度变化的探究

根据以上结果设计了第三组实验，探究不同温度区间气体生成的速率，见表3。

用500mL大量筒收集产生的气体，记录不同温度区间内产生的气体体积和温度区间内经过的时间，其中从开始产生气体到不再产生气体的这段时间记录为反应总时间。计算不同温度区间内反应的气体生成速率并绘制条形统计表见图4。

由实验结果可以看出，在热源加热强度不同和反应物质量不同的条件下，实验开始产生气体温度和实验结束的温度符合前两组实验的结果：即在350℃左右开始产生气体，在510℃左右反应结束。由图4可以看出在不同的温度区间内反应的气体生成速率表现出以下几点规律：

（1）随着温度的上升气体的生成速率逐渐增大，且在440℃之后增大的幅度明显加快，在500℃附近气体生成速率出现了峰值，在出现峰值之后气体生成速率开始下降至反应结束。

（2）实验表明甲烷的气体生成速率与加热强度有关，由图4可见，加热强度大的实验9气体产生速率明显高于实验8的气体产生速率，但两个实验的速率增长趋势相同。

（3）实验8、9同时表现出均匀产气的时间约为120s左右，且在到达500℃气体生成速率峰值之后实验也趋于结束。整个实验的加热时间约在五分钟左右，时间较短适合在课堂进行演示实验。

3 实验结果与讨论

3.1实验结果

从上述系列实验的结果可知：

（1）反应开始产生气体的温度（350℃）和反应结束的温度（510℃）不受热源加热强度和反应物质量多少的影响；

（2）甲烷气体的生成速率与热源的加热强度呈正相关；

（3）甲烷制备过程中均匀产气时间约为120s左右，整个加热制备过程约5min左右。

3.2甲烷制备实验副反应产物的影响

影响实验的副产物主要是乙烷和丙酮。研究表明反应的主要副产物为丙酮（乙烷的量很少），采用排水集气法收集后可以除去。所以实验的副反应产物对甲烷产气速率的影响可以基本排除。

3.3实验结论

甲烷制备实验的最佳条件是：当反应物配比为无水醋酸钠：灼烧除水的碱石灰：氢氧化钠=2：1：1时，试管内使用铝箔小舟装载混合反应物2.5g左右，反应产生气体的最佳温度在500℃左右。

智能甲烷浓度检测仪的设计篇7

甲烷浓度检测仪是监测煤矿井下甲烷浓度是否超标的重要设备, 其可靠性和稳定性直接影响着煤矿的安全生产。然而, 目前用于煤矿井下甲烷浓度的检测仪器普遍采用LED数码管或液晶作为显示屏, 不但耗电, 而且由于井下恶劣的环境, 经常会出现显示器损坏或显示驱动电路发生故障等问题, 导致无法实现预期的检测目标, 从而给煤矿的安全生产带来隐患。针对这些问题, 笔者设计出了一种带有LCD显示和语音播报功能的甲烷浓度检测仪, 当检测仪显示出现故障时, 监测人员仍然可以通过检测仪的语音播放功能及时获得甲烷的浓度值, 从而消除安全隐患;同时通过修正灵敏度等方法提高了检测仪的可靠性与稳定性, 保证了检测的准确度, 对井下环境的实时监测具有重要的意义。

1 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Adobe Audition软件生成*.wav文件, 再利用SACMv41dx语音函数库附带的SunAudior对*.wav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。

2 总体结构及硬件设计

2.1 总体结构

智能甲烷浓度检测仪以带有语音播放功能的SPCE061A单片机为核心, 由非加热半导体气体传感器模块、电源模块、LCD显示模块、键盘模块、声光报警模块及语音电路等组成, 如图1所示。

该检测仪为手持设备, 由9 V锂电池供电, 接通电源后, 语音提示“欢迎使用”, 并进入待机状态。如果此时选择“浓度检测”, 则进入甲烷浓度检测状态, 采集甲烷浓度信号, 检测完成后, 与预先设定的报警限位值比较, 最后通过LCD显示甲烷浓度值, 同时进行语音播报, 并提示甲烷浓度是否超标。

2.2 各模块原理及硬件实现

(1) SPCE061A单片机

SPCE061A单片机是台湾凌阳科技股份有限公司推出的基于μ'nSPTM内核的16位单片机。它集成了不同规模的ROM、RAM、ADC和PWM、并行/串行接口等片内资源, 有丰富的I/O口资源 (共有32个I/O口) 。同时, 其内置2 KB的SRAM, 32 KB的FLASH, 可以用来存储较多的图形和文本代码。

(2) 气体传感器模块

传感器是决定检测仪精度的关键元件, 主要完成从物理量到电信号的转换, 是信号采集的第一步。通过比较各种气体传感器的测量精度、灵敏度以及稳定性等参数, 仪器选用的传感器为非加热半导体气体传感器, 是近年来出现的新型传感器。它采用纳米级SnO2进行合理的半导体掺杂, 以微珠结构制成非加热、低功耗、高度灵敏的可燃气体传感器。其最突出的特点是不用加热, 具有功耗小、工艺结构简单、成本低、灵敏度稳定、寿命长、应用电路简单等优点。该传感器工作电压为6 V, 输出电压为0～4 V, 可以直接与单片机接口, 将传感器的输出Vo与单片机的模数转换器ADC模拟输入通道IOA0相连即可。其测试电路如图2所示。

(3) 电源模块

电源模块由9 V转6 V和6 V转3.3 V两部分组成。直流3.3 V电源由SPY0029芯片提供, 为单片机、液晶显示、键盘、声光报警等模块供电;直流6 V电源由9 V经78L06芯片转换实现, 为传感器提供工作电压。

(4) LCD显示模块

LCD显示模块采用SPL10A液晶模块, 用以显示浓度值。LCD显示模块的数据输入/输出、数据/指令写入控制、片选3个引脚分别由单片机的IOA8、IOA9、IOA10控制。

(5) 键盘模块

键盘模块由4个按键组成, 采用独立按键式键盘, 分别与单片机的IOB0、IOB1、IOB2、IOB3引脚相连, 编程采用中断方式。其功能分别为选择模式转换、加1、减1和功能确定。

(6) 语音电路

由于凌阳公司提供了与语音相关的函数库SACM_LIB、API接口, 而且还推出了适用于凌阳单片机的具有高质量、高码率的特点的语音算法SACM_A2000, 可以方便地进行播放语音等语音方面的处理工作。因此, 由负载电阻与三极管8050以及1个4 Ω负载扬声器组成语音电路 (如图3所示) , 直接与SPCE061A单片机的数/模转换引脚DAC1连接, 就可以进行语音播报。

(7) 声光报警模块

声光报警包括浓度超值报警、电源电压不足报警以及灵敏度报警。浓度超值报警主要是提醒用户浓度已经超标, 此时指示灯闪烁, 同时语音提示;电源电压不足报警主要是提醒用户电量不足, 需更换电池, 否则将影响浓度的测量精度。经过实验发现, 当电源电压下降到一定程度后, 会造成测量误差加大, 从而影响测量的灵敏度, 所以必须检测仪器的电源电压。

3 软件设计

3.1 灵敏度修正

该检测仪通过传感器将甲烷浓度转换为电信号。实验发现, 在测量过程中, 传感器的灵敏度会随着使用时间的增加和仪器供电电源电压的下降而降低, 从而影响到测量精度, 因此必须对其进行灵敏度修正。由于该检测仪应用于环境比较恶劣的井下, 干扰信号较多, 若采用硬件电路补偿, 势必会引入新的干扰, 综合考虑, 采用软件方法来修正灵敏度。

假设在初始时传感器的灵敏度为S, 测得的某一标准气样的浓度值为c, 如果能得到灵敏度随时间下降后一系列时间点的灵敏度S1, S2, …, Sn对应的浓度值c1, c2, …, cn, 那么得到参数Ki:

根据这n个数据对 (Si, Ki) , 得出各个时间点的相对浓度比值和灵敏度的对应关系曲线:

将式 (2) 存入单片机的FLASH中, 测量时得气体浓度值ci, 根据传感器的输出算出灵敏度Si, 将Si代入式 (2) 计算出Ki, 再由式 (1) 得 $c = \frac{c_{i}}{Κ_{i}}$ , 将ci、Ki代入即可得到实测浓度值c。同时, 还应注意当Ki小于某一个最小值e时, 说明传感器的灵敏度已经非常小了, 传感器已经失效, 此时系统应该停止检测并发出报警。通过上述方法, 消除了灵敏度随时间下降对系统测量的影响, 保证了系统的测量精度。

3.2 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4所示。

4 结语

本文介绍的甲烷浓度检测仪利用具有语音处理功能的单片机SPCE061A作为主控芯片实现对甲烷浓度的检测, 使得仪器具有LCD显示和语音播报2种输出模式, 克服了以往甲烷检测仪出现显示损坏就不能工作的缺点;另外, 通过软件修正检测仪的灵敏度, 保证了甲烷浓度的测量精度。该检测仪在硬件、软件上采用模块化结构设计, 采取了软件抗干扰技术, 提高了仪器工作的稳定性和可靠性。

摘要：设计了一种基于语音单片机SPCE061A和非加热半导体气体传感器的智能甲烷浓度检测仪, 详细介绍了该仪器的工作原理、硬件结构和软件设计。该仪器有LCD显示和语音播报两种输出模式, 直观实用;还可通过软件修正灵敏度, 克服了传统检测仪器存在的气体传感器输出与甲烷浓度难以线性化、灵敏度随时间和电源电压下降而降低的缺点, 保证了测量的准确性。

关键词：矿井,甲烷浓度,检测仪,气体传感器,灵敏度,SPCE061A

参考文献

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[3]沈悦, 梁坚, 胡真, 等.智能气体识别仪的研究[J].仪器仪表学报, 1998, 19 (1) :41-44.

[4]罗亚非.凌阳16位单片机应用基础[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

开放式激光检测甲烷浓度系统研究篇8

在天然气的开采、传输过程中各种形式的气体泄漏将会严重影响大气环境和人民生命财产安全。当空气中的甲烷浓度达到5%, 氧气浓度不低于12%时, 遇到明火, 就会发生爆炸。因此研制一套甲烷检测系统, 能够对天然气开采运输过程中的甲烷泄露高灵敏度检测, 具有十分重要的现实意义。

相比较传统的化学测量方法, 可调谐半导体激光吸收光谱技术具有无可比拟的优势, 由于它测量灵敏度非常高、测量的下限非常低, 可以满足气体浓度检测的要求, 因而非常广泛地运用在常规技术手段无法实现的痕量气体浓度测量中[1]。

本文使用DFB激光器应用TDLAS技术, 在开放光程下, 对甲烷浓度进行检测系统。这种测量系统具有高灵敏度、便携, 并可以遥测等技术特点。该方案采用波长调制, 二次谐波检测等技术, 检测二次谐波信号并利用最小二乘法就可实现甲烷气体浓度的测量。本文对该系统方案进行了理论分析和实验研究。

1 检测原理

TDLAS技术是经调制过得激光频率扫描一条独立的气体吸收线, 获得目标气体的特征吸收谱线的吸收光谱, 推算浓度信息[2]。

1.1 Lambert-Beer定律

式中, I1是接收光强, I0为入射光强, α (v) 是频率为v的气体吸收系数, C是气体密度, L是气室长度。那么在本系统, 接收端的接收光功率为:

其中, K是接收效率, D是气体浓度关于开放光程的积分。

1.2 甲烷特征吸收谱线

从HITRAN2012数据库[3]中查到, 甲烷气体分子一共有四个基频振动段, 对应的波长值处在近红、中外波光段, 分别是3430nm、6520nm、3310nm、7660nm, 由于能够提供该波段光源多是采用了铅盐窄带半导体激光器, 系统复杂, 价格昂贵。日本东北大学在1984年测得, 在近红外波光段1653.7nm处, 甲烷的吸收线线强远大于水分子和二氧化碳分子的吸收线线强。

所以系统选用的中心波长为1653.7nm的DFB半导体激光器, 在该吸收谱线下, 其他气体分子不吸收激光光强, 减少了其他气体吸收的干扰, 甲烷浓度检测的精确度更高。

1.3 波长调制技术与二次谐波技术

利用直接吸收测量技术检测气体浓度, 容易受到背景噪声信号干扰会降低检测的灵敏度。为了提高性能, TDLAS技术多采用波长调制光谱技术 (WMS) [4], 调制过程是半导体激光器发出的激光束在目标气体的吸收峰附近扫描, 利用半导体激光器具有的电流和温度的可调谐特性, 对激光波长进行某一频率的余弦波调制, 半导体激光器发出的频率为v的激光束被信号产生器发出的频率为w余弦调制信号调制后, 激光频率变为:

其中, va是调制幅度。将上式代入到Lambert-Beer定律中, 当调制幅度v0足够小时, 目标气体吸收后的光强I (v) 傅里叶余弦展开:

各傅里叶分量表示为:

通过以上傅里叶变换能够知道, 每个谐波分量与分子在频率大小为v处的光学吸收截面成正比。从理论上说, 特征吸收谱线的每个谐波分量都能够应用在TDLAS技术中, 选用二次谐波信号检测理由如下:谐波幅值会因傅里叶变换次数增加而依次递减, 吸收谱线的线宽增加, 相邻谱线间带来的干扰就越来越难分辨出来, 通过计算可知, 偶数次谐波峰值都处在特征吸收谱线的中心上, 激光器输出的激光频率大小可以和目标气体的特征吸收谱线保持一致;而奇数次的谐波中心处的值都是零, 所以很难让激光器输出频率能够稳定在谱线中心位置。

本系统需要检测谐波信号, 但是一般的滤波器对噪声的抑制作用还不足以满足提取微弱信号的要求, 我们利用锁相放大器来完成这个工作[5,6], 其工作原理如图1所示。

输入信号Us=Essin (2πf1+φ1) (6)

参考信号Uf=Efsin (2πf2+φ2) (7)

则输出信号U0=Us·Uf

当f1=f2时, 公式前一部分为直流信号分量, 后一部分为交流信号分量。低通滤波去除差频分量后, 得到输出的信号为:

式中可以看出, 输出信号U0大小和输入信号幅值正相关关系。通过调节移相电路, 能够使参考信号和输入信号之间没有相位差, 输出信号U0就和输入信号幅值成正比关系。

系统结构图如图2所示, 激光器内的温控和电控电路来共同实现激光器中心波长调节。计算机的D/A卡产生一路叠加了5k Hz正弦调制信号和20Hz的锯齿波的波长调谐信号, 通过激光驱动器加载在半导体激光器上。激光器输出的激光束连续扫描甲烷分子的吸收线。另一路5k Hz的正弦信号, 送入锁相放大器作为解调参考信号。激光由单模光纤传输到自聚焦透镜准直输出。被气室中甲烷气体吸收的激光到达接收端的光电探测器, 经探测器光电转换后的电信号传输到锁相放大器, 以参考信号的二倍频 (10k Hz) 进行解调, 获得气室中甲烷的二次谐波信号, 由数据采集卡对锁相放大器出来的二次谐波信号进行A/D转换, 得到甲烷吸收谱线的二次谐波信号, 最后计算机对采集到的信号进行处理。

2 实验过程

人实验在室温条件下, 开放光程长度为100m, 气室长度为0.9m, 向气室内依次充入浓度为50ppm、110ppm、130ppm、250ppm、330ppm、530ppm的甲烷气体。当充入某一浓度的气体时, 待吸收稳定后, 在同一浓度下采集多种组数据, 然后用高纯度 (99.99%) 的氮气对气室进行吹扫, 再充入另一浓度的气体, 如此反复测量。信号发生器产生的20Hz的锯齿波信号和锁相放大器产生的5KHz的正弦波信号叠加在一起, 叠加信号通过激光电流控制器加载在激光器上, 来共同实现波长的调谐。

对基于波长调制和二次谐波探测的TDLAS系统, 散粒噪声限制下的主要噪声来源于标准具效应引入的干涉条纹, 标准具效应是散射光与主光束之间发生干涉而产生的稳定的具有一定周期性的噪声信号, 这会对信号测量带来一定的干扰。实验采用扣除背景的方法来消除干涉条纹。在测量前首先往气体吸收池中充入99.99%的高纯度氮气作为零浓度气体背景, 系统测量并保存背景信号, 利用数据采集卡完成与激光器的波长扫描同步的数据采集。

3 实验结果分析

计算机设置对采集的信号进行多次累加平均, 通过采用扣除背景的方法可以使测得的甲烷气体的二次谐波信号平滑, 这样就消除了干涉条纹的带来影响。

对以上6种不弄浓度的甲烷气体进行测量, 得到已扣除背景噪声的甲烷二次谐波信号如图3所示。

从图中能够看出, 在保持相同的调制频率下, 不同浓度甲烷气体的二次谐波信号的形状大致相同, 但是浓度越高, 吸收峰越大, 信号幅值越大。

对系统测得6组不同浓度甲烷气体的二次谐波信号, 通过最小二乘法可以拟合出6个对应的浓度值, 其线性拟合结果如图4所示, 其中横坐标是气体的实际浓度, 纵坐标是通过系统检测拟合标准谱线得到的浓度信息, 线性度为99.7%。通过实验很好的验证了可以根据待测气体的二次谐波信号与相同条件下得到的已知浓度气体的二次谐波信号使用最小二乘拟合法得到待测气体浓度。

4 总结

本文讨论了基于TDLAS技术的开放式甲烷浓度检测系统实现和实验数据分析。选择合适的甲烷气体特定吸收谱线, 排除其他气体分子干扰, 通过应用波长调制以及二次谐波等技术有效的提高了测量系统的灵敏度。在100m的开放光程下, 对6种不同浓度的甲烷气体进行了检测, 结果显示和标准浓度之间存在良好的线性相关性。该方法可行, 检测结果准确, 可应用于天然气管道泄漏检测中, 具有良好的工业应用前景。

摘要：天然气的主要成分是甲烷, 天然气开采、处理和输送作为一项高技术、高风险的生产活动, 各种形式的天然气泄漏成为影响环境与安全的隐患。可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术具有高选择性、高灵敏度、快速响应等特点, 已经广泛应用于痕量气体浓度检测中。本文提出一种基于TDLAS的开放式激光检测甲烷浓度系统, 该系统主要采用了波长调制光谱技术和二次谐波检测技术。在开放光程下, 研究甲烷气体的特征吸收谱线, 测量了六种浓度甲烷气体。将该系统应用于甲烷气体检测中, 有利于安全生产, 具有广泛的实际应用价值。

关键词：激光,TDLAS,甲烷,开放

参考文献

[1]陈伟根, 周恒逸.基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测及其定量分析[J].仪器仪表学报, 2010, 31 (3) :665-670.

[2]阚瑞峰, 刘文清, 张玉钧, 等.光谱学与光谱分析[J], 2006, 26 (3) :392.

甲烷检测篇9

关键词：甲烷检测,载体催化检测,微机电系统,MEMS

0 引言

中国煤矿安全形势一直较为严峻,尤其是瓦斯灾害,破坏力极大,仅2014年就有超过200人在瓦斯爆炸事故中丧生,瓦斯灾害监测装备的技术性能仍有待提高。

甲烷气体浓度是瓦斯灾害监测的主要参数。目前中国煤矿井下普遍使用基于载体催化原理的甲烷检测装备,其技术成熟、成本低廉、外围电路简单,但测量范围窄、检测精度低、调校周期短,同时存在冲击漂移及中毒、功耗高等缺陷,严重制约了瓦斯灾害监测治理水平的提高。近几年陆续出现了基于红外、激光等技术的甲烷检测装备,但其成本高、制造难度大,暂时无法全面替代载体催化甲烷检测装备。

基于MEMS(Microelectro Mechanical System,微机电系统)的微加工传感技术近年来成为研究热点。本文在分析传统载体催化甲烷检测原理的基础上,提出一种基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件制作方法,提高了甲烷检测元件的工作性能。

1 载体催化甲烷检测原理

载体催化甲烷检测元件以Al2O3为载体,涂覆在2段结构和尺寸完全相同的铂丝上,其中一个载体上再涂上Pt,Pd等金属催化剂作敏感元件,另一个载体上不涂催化剂作补偿元件。该元件可利用惠更斯电桥进行信号检测[1],如图1所示。

在实际检测过程,对铂丝通电加热至500 ℃左右,此时甲烷与氧气会在敏感元件表面产生无焰燃烧。甲烷、氧化反应过程[2]:

该反应过程中无焰燃烧放出的热量会改变敏感元件铂丝的电阻值,采用惠更斯电桥可以检测载体催化元件的电阻值变化量。将敏感元件与补偿元件作为电桥的相邻臂置于同一测定气室中,在无甲烷的新鲜空气中,调整电桥使之平衡,2个元件流过相同的恒定电流,并使2个元件温度上升至500 ℃左右。当含有甲烷的空气进入气室时,甲烷与氧气在敏感元件表面产生催化燃烧,放出的热量使敏感元件温度上升,引起敏感元件电阻值增大,而补偿元件的电阻值不变,导致电桥失去平衡,产生一个与甲烷浓度成正比的电压信号。通过检测惠更斯电桥输出电压信号即可解算出环境中的甲烷浓度[3]。

传统的载体催化甲烷检测元件结构简单且易于实现,但在实际应用时存在以下问题[3,4,5]:

(1)元件检测性能不稳定,需经常校准。Pd作为敏感元件铂丝载体上的催化剂,在低甲烷浓度时容易被氧化成PdO,从而降低催化剂活性,造成元件检测灵敏度及甲烷浓度值降低。但在高甲烷浓度环境下,PdO又会被还原为Pd,元件检测灵敏度升高,进而造成元件零点上漂。

(2)元件易受硫化物等影响,造成检测灵敏度永久性衰减。煤矿环境中会因为爆破作业等产生硫化物H2S,SO2。H2S会与Pd反应生成PdS,PdS为固体物,会附在载体催化甲烷检测元件上阻碍元件反应,造成元件检测灵敏度永久性衰减。

(3)甲烷浓度大于10%时存在双值现象。甲烷要完全燃烧,其浓度与所需氧气浓度之间要保证1∶5的关系,即甲烷浓度为10%左右。当环境中甲烷浓度再升高时,相对应的氧气浓度会下降,甲烷的燃烧处于缺氧状态,此时甲烷浓度的升高与载体催化甲烷检测元件输出的电压信号呈反比例关系,即双值现象。但在煤矿井下,瓦斯突出事故时有发生,突出时甲烷浓度瞬间达到80%以上,若此时元件反应不及时,就会出现双值现象,造成检测数据错误。

(4)振动等易导致载体催化甲烷检测元件断丝或零点漂移。载体催化甲烷检测元件中心由一段螺旋状缠绕的铂丝构成。该铂丝直径只有0.01mm,中间涂覆载体催化剂后形成悬梁结构,如图2所示。由于中间质量相对较大,瞬间冲击加速度会造成两端铂丝拉断,或因铂丝拉伸导致检测元件性能改变,发生零点漂移。

2 基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件制作

基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件[6]采用的基础材料和检测原理与传统元件基本一致,但在制作工艺和产品性能上有了较大幅度提高。图3为基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件制作流程。具体步骤:① 在硅基片上表面做氧化处理制造一层SiO2绝缘层;② 利用掩膜对硅基片底面进行腐蚀,腐蚀出凹型腔;③ 在基片上表面涂光刻胶,用掩膜制造凹槽,再利用沉淀法将金属沉淀于凹槽内,完成基于MEMS技术的元基体制作;④ 将载体催化剂Pt,Pd等涂覆至敏感元件铂丝上,基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件即制作完成。

为提高元件的抗中毒性能,利用分子筛膜片对进入敏感元件的气体做预处理。由于硫化物、磷化物等为大分子结构,分子直径远大于甲烷分子,通过设计分子筛孔径对气体进行净化处理,且采用MEMS技术加工的载体催化甲烷检测元件存在体积小、易于密封等特性,所以分子筛膜片可很好地对敏感元件进行保护。基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件结构如图4所示。

基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件与传统元件相比,在体积、功耗、可靠性、一致性等方面有明显的改进。

(1)体积、功耗减小。基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件采用微加工工艺制作,其敏感元件的体积与传统元件相比可降低2/3,因此对敏感元件维持恒温500 ℃所需的功耗大幅降低。

(2)抗冲击、抗震性能更好。基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件以硅基片为载体,铂丝由硅基片承载,相对于传统元件载体部分的悬丝结构,在受到外部冲击、震动时,载体部分不会产生形变或断裂,元件抗震性能更加稳定。

(3)元件加工工艺流程易于控制,性能一致性更好。传统元件载体为悬丝结构,一般只能由人工绕丝、上剂等,绕丝形状、上剂剂量等很难做到完全一致,造成元件之间存在性能差异。而基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件的微加工工艺均由相关设备进行控制、加工,一致性较高,使得元件性能一致性更好。

3 载体催化甲烷检测元件性能测试

在实验室环境下对基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件和传统元件进行相关性能测试。

测试一:工作电流测试。

利用标准的电桥检测电路测试载体催化甲烷检测元件,如图5 所示。元件工作电压为DC3 V,测试其电流并换算为功率,结果见表1。可看出基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件正常工作时的功率约为传统元件功率的1/4。

测试二:灵敏度及线性测试。

按照图1所示的检测电路搭建测试系统,对基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件的甲烷浓度响应特性进行测试。在通入0~4.00%甲烷气体时,元件的电桥输出电压信号幅值如图6所示。

从图6可看出,在0~4.00%甲烷浓度范围内,甲烷检测元件输出电压与通入甲烷浓度呈一致线性关系,其灵敏度为甲烷浓度每升高1%CH4,对应输出电压增大11.138 mV,其线性度为0.996 3。在该测量范围内,甲烷检测元件催化剂可稳定工作,未产生检测信号迁移等现象。

测试三:环境温度变化影响测试。

将4只基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件样品(编号分别为A,B,C,D)置于高低温实验箱内,模拟环境温度变化对元件的影响。

试验方法:在20 ℃ 时调整好元件零点及灵敏度,然后设置高低温实验箱温度,以变化20 ℃为一个测试点,记录元件零点和通入1%CH4标准甲烷气体的测试值,即灵敏度。测试结果如图7所示。

图7基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件环境温度变化影响测试结果

从图7 可看出,在-20~60 ℃ 范围内,基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件的零点值受温度影响变化量达到0.12%,不符合矿用仪表不超过0.10%的基本误差要求;而灵敏度受温度变化影响较小,在0.04%以内。

从图7(a)可看出,元件零点与温度变化呈线性关系,且各元件的一致性较好,可用软件算法进行补偿。元件零点漂移量y与温度T的补偿函数为

测试四:抗中毒性能测试。

采用4只基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件样品(编号分别为A,B,C,D),在元件上电工作后,首先在空气环境下调整好元件,然后对元件连续通入浓度为100×10-6的H2S气体,每间隔10min记录一次元件零点值,并用1%CH4标准甲烷气体测试一次灵敏度。测试结果如图8所示。

图8基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件抗中毒性能测试结果

从图8 可看出,在通入100×10-6的H2S60min后,基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件的零点及灵敏度变化量均小于0.04%,可见该元件基本解决了载体催化甲烷检测元件的中毒问题。

4 结语

分析基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件的结构、工艺可知,该元件较传统的载体催化甲烷检测元件能有效提高性能,测试数据验证了其功耗低,抗中毒性、一致性较好。

参考文献

[1]林彬.载体催化元件恒温检测甲烷浓度的研究[J].电子科技大学学报,2006,35(4):521-523.

[2]王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术,2011,48(8):516-520.

[3]张倩.基于MEMS技术钯铂体系甲烷催化燃烧传感器研究[D].上海:华东理工大学,2012.

[4]BHATTACHARYYA P,BASU P K,MONDAL B,et al.A low power MEMS gas sensor based on nanocrystalline ZnO thin films for sensing methane[J].Microelectronics Reliability,2008,48(11):25-28.

[5]陈新军.基于催化燃烧型瓦斯检测的设计与实现[D].北京:北京交通大学,2007.

甲烷检测篇10

甲烷体积分数检测方法一般包括电化学法、化学分析法以及红外光谱法等[1],其中,红外光谱法具有选择性好、响应速度快、不易中毒、无需频繁校对等优点。红外光谱法的主要原理是基于甲烷对红外光谱的吸收原理,其理论基础是朗伯-比尔定律[2]:

$Ι = Ι_{0} \exp (- α C L) (1)$

式中: I为透射光强度;I0为入射光强度;α为甲烷气体摩尔分子吸收系数,单位为L·mol-1·cm-1;C为甲烷体积分数;L为光和甲烷的有效作用长度(气室长度),单位为cm。

由式(1)可知,如α和L已知,通过测量I和I0就可测得甲烷体积分数。单片机需要对红外传感器采集的数据进行处理,但红外传感器的输出电压和甲烷体积分数之间没有固定的函数关系式,这就需要对红外传感器的输出特性曲线进行拟合。红外传感器的输出特性曲线拟合方法主要包括最小二乘法和BP(Back Propagation)神经网络法。采用最小二乘法拟合曲线后,发现最小二乘法的5次多项式拟合误差最小,曲线最平滑,效果最好,但是实测误差仍然较大,并且计算公式比较复杂,处理器运算速度缓慢,传感器响应速度较慢。采用BP神经网络法拟合曲线后,发现BP神经网络也存在着一定的局限性:(1) 网络收敛速度慢,需要较长的训练时间;(2) 易陷入局部极小状态;(3) 网络的学习和记忆不稳定。

本文通过寻求最小二乘法和BP神经网络法的改进方法,给出了2种改进方法的仿真结果对比,并将优化后的BP神经网络法运用于红外甲烷体积分数曲线拟合和实验检测中,结果表明,优化后的BP神经网络法提高了甲烷体积分数的检测精度及响应速度。

1 改进的最小二乘法

最小二乘法原理就是算术平均值原理的推广,即多次等精度独立测得x1,x2,…,xn的最佳值,令 $X = \frac{1}{n} \sum x_{i}, i = 1, 2, \dots, n$ ,其残差yi=xi-X满足平方和∑y $_{i}^{2}$ =min(最小)。这是显然的,因为对任何值X′而言:

xi-X′=xi-X+(X-X′)=yi+(X-X′) (2)

∑(xi-X′)2=∑y $_{i}^{2}$ +2(X-X′)∑yi+

n(xi-X′)2≥∑y $_{i}^{2}$ (3)

故X′只有选为X′=X时平方和为最小[3]。

在利用最小二乘法拟合较复杂函数的曲线时,一般需要多次拟合,甚至多次拟合后仍然不能达到期望的精度。基于这一问题,通常可以采用分段法对其进行改进。假设测试数据中得到一组数据(xi,yi),发现i<m时的数据接近直线,i>m时的数据接近二次曲线,则此时可以分为2段来进行曲线拟合,确定拟合函数f(x)的形式为

$f (x) = {\begin{cases} f_{1} (x_{i}) = k x_{i} + k_{0}, i < m \\ f_{2} (x_{i}) = a x_{i}^{2} + b x_{i} + c, i > m \end{cases} (4)$

根据上述原理,经过大量的数据观测,发现在恒温20 ℃环境下,可以将甲烷体积分数为10%作为分界点,将甲烷体积分数小于10%的数据进行4次拟合,将大于10%的数据进行3次拟合(拟合函数一般选多项式函数,因为在一定范围内连续函数可用多项式任意逼近),拟合曲线如图1所示。

从图1可看出,分段最小二乘法能够提高曲线的拟合度,提高检测精度。但是在分段点附近传感器的精度仍然不高。另外,在红外气体检测中,传感器易受温度和湿度的影响,不同环境对应着不同的曲线,每条曲线的分段点也不同。笔者至今未能找到很好的方法解决该问题,这就限制了改进的最小二乘法在甲烷体积分数曲线拟合中的应用。

2 改进的BP神经网络法

BP神经网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系,而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程[4],其算法的实质是求解误差函数的最小值问题。目前,提出了多种方法用于改进的BP算法,如自适应调整学习率、附加动量因子等[5],但这些算法仍然是在局部范围内调整网络的权系数,不能有效提高BP神经网络的收敛速度,解决易陷入局部极小状态和学习记忆不稳定的问题。本文采用遗传算法对BP算法中的权值进行调整,优化后的BP算法有效地解决了上述问题。

遗传算法在解决非线性、全局寻优等复杂问题时具有独特的优越性,它在求解特定问题时需要的信息极少,具有收敛速度快、精度高、容错性强和隐性并行性等特点。

遗传算法主要步骤:通过随机方式产生问题假设解的集合,形成初始种群;根据适者生存的原则,即通过适应度函数对每个个体进行数值评价,淘汰低适应度的个体,选择高适应度的个体参加遗传操作,即交叉和变异;经过遗传操作后的个体集合形成下一代新的种群,对这个新种群进行下一轮进化,最终求得最优解。

采用遗传算法优化BP神经网络主要包括3个方面:优化网络结构、优化权系数、优化网络结构和学习规则[6]。其主要作用是优化BP神经网络的学习规则和网络权系数。改进的BP神经网络法流程如图2所示。当利用遗传算法确定BP神经网络的初始权值后,按照BP神经网络法不断调整网络权值,如果达到指定精度或者达到最大学习代数,则停止学习;否则,将继续学习训练。

在Matlab中采用最基本的XOR问题进行仿真。BP神经网络的输入层、隐含层和输出层的神经元为2∶5∶1;遗传算法的参数:种群规模为30,连接权数为21,最大遗传代数为50,交叉概率为0.8,变异概率为0.03,目标误差为0.001。传统的BP神经网络法与改进的BP神经网络法的仿真结果比较如表1所示,从中可看出,改进后的BP神经网络法可提高运行速度,增大成功率。

3 改进的BP神经网络法实验结果

实验在恒温20 ℃环境下进行,选取若干已知体积分数的气样,其中零体积分数气样为纯N2,将传感器置于气样中,测量传感器最终输出电压,并将所有测试结果建表存储,在Matlab中使用改进的BP神经网络法对测试数据进行曲线拟合。改进的BP神经网络法的参数设置:种群规模为70,连接权数为103,最大遗传代数为500,采用浮点编码,交叉概率为0.8,变异概率为0.03,目标误差为0.001。实验结果如图3所示。

将拟合后得出的网络模型写入单片机进行测试,设备置于恒温20 ℃环境下的标准气样中,可得到如表2所示的实验测试数据。从表2可看出,传感器精度达到了0.1%。在现场测试中,测量传感器的响应时间为15.38 s,提高了响应速度。

4 结语

将遗传算法运用到传统的BP神经网络法的权值优化中,提高了其收敛速度和精度,并将改进的BP神经网络法应用到了甲烷体积分数的检测中。实验结果表明,改进的BP神经网络法能够拟合出非常理想的曲线,即大部分标定的数据均可落在曲线上,误差小于0.1%,响应时间小于20 s,有效提高了红外传感器的检测精度及响应速度。

参考文献

[1]张勇.红外甲烷浓度检测系统的设计与开发[D].东营:中国石油大学(华东),2009.

[2]张帆,张立萍.红外吸收光谱法在气体检测中的应用[J].唐山师范学院学报,2005,27(5):62-64.

[3]王可,毛志伋.基于matlab实现最小二乘曲线拟合[J].北京广播学院学报:自然科学版,2005,12(2):52-56.

[4]王志,郭勇.基于BP神经网络的非煤地下矿山安全评价模型[J].中国安全科学学报,2009,19(2):125.

[5]王鹤.基于遗传神经网络的电子鼻系统研究[D].武汉:华中科技大学,2007.

甲烷冰释放将加速全球变暖等篇11

科学家们表示：“从地质学的角度来说，甲烷有可能很快释放。虽然不是在我们的时代，但肯定要比人类早前预测得快。地质学家现在可能必须重新计算世界上究竟有多少甲烷冰存在。”

赶紧去看“21世纪世界奇观”

有着1500多人口的美国印第安部落华莱派近日宣布，被誉为“21世纪世界奇观”玻璃走廊Skywa]k将于今年3月向公众开放。

这个U形玻璃走廊建造在美国拉斯维加斯东面美国大峡谷西缘上，从大峡谷的岩边伸展出去21米，游客们可以沿着它漫步在距离科罗拉多河约1200米的高空，脚下除了10厘米厚的玻璃就没有其他任何东西。这座巨大的玻璃走廊由深入岩壁12米深的钢梁支撑，承重3．2万吨，每次只允许120人参观游览。

专家们说，Skywa]k的寿命将由岩壁的寿命来决定。那里的岩壁由3．5亿年历史的石灰石构成，具有极强的抗腐蚀性。但华莱派自然保护区的专家则认为它的寿命不会太长：“我们预测大约在15年或者20年左右。因为这里的土地非常干燥，不会很坚固。”所以，为了保险起见，要去体验这个奇观，越早越好。

2007年，博客之年

美国著名市场调查公司加特纳日前发布报告说，2007年将是博客发展的巅峰之年，全球活跃的博客用户将达到1亿。

有统计显示，目前全球提供博客服务的网站数量已经是2003年的100多倍。不过，博客的增长速度现在已明显放缓。加特纳首席技术专家普拉默认为，2007年巅峰过后，博客发展将保持平稳。每天都会有新开的博客，也有关闭的博客，这种动态平衡将维持相当长一段时间。因为尝试博客这一网络日志形式后，喜欢的人会保持更新，乐此不疲，但很多人只是一时兴起，没过多久，博客便不再更新。“每个人都觉得自己有话可说，但一旦平台搭建起来，时不时需要更新时，很多人就坚持不下去”。

2009年，不用买报纸了？

电子技术的发展已经将柔性显示器变成了现实，尽管离投入市场还有一定距离。再过几年，你就再也不用每天早上买报纸了，取而代之的便是采用柔性显示器的电子报纸，这种显示器的尺寸和重量都像一本薄薄的杂志，可以让你在上班的路上方便地阅读。索尼、松下、E—I nk公司都已经开发出了电子图书，而且即使放在阳光直射的地方也能很容易地阅读。下一步要解决的问题是把这种显示屏折叠起来，这样它就能像一张真正的报纸那样被塞到包里了。

你知道这些科学真相吗？

1．美国人的平均寿命达77．9岁。

2．世界上网民最多的国家是马耳他，占总人数的78．1‰

3．DNA分析表明，英国人的祖先是一名6000年前的西班牙渔民。

4．人的推理、情绪控制能力和判断力到25岁左右才会发育成熟。

5．蓝色的灯光能驱赶睡意，对深夜工作很有帮助。

6．周末整天睡觉会影响生物钟，周一上班时候会感到非常困乏。

7．眼泪中含有某些物质可以医治伤痛。

8．人体的生物钟存在于构造眼睛的蛋白质中。

9．法国西南部出产的葡萄酒有益于心血管健康。

10．研究表明，田径运动员恢复体力的最好办法之一是训练后喝一杯巧克力牛奶。

11．到2050年，地球上空的臭氧空洞将会消失，然而温室效应将越加严重。