第2章 研究容、方法和原则
2.1 研究容
仪器的设计，本着简明、科学、实用的原则，力求从整体出发，从实际使用出发，突出系统的可靠性、免维护、免培训特点和系统结构的简明和完整性，把对操作人员的专业技术要求降到最低，发挥系统整体设计的优势，使系统整体性能达到最佳，功能强大而操作简单，测量精确而维护方便。
在系统设计中，应充分应用近年来发展起来的各种新技术、新器件、新方法，在保证各项性能指标能够满足系统各方面要求的前提下，力求简化结构，降低成本，提高可靠性和稳定性。
作为一种完整的煤矿生产安全监控系统，它至少应具备以下设备和功能: 1.传感器:
监测要素的采集，转换 转换后电信号的处理，加工 2.传输系统
信号的远距离传送 信号的调制和解调 3.计算机系统 信号的采集 数据的处理
设计时需要注意的问题：
1.产品的技术指标、生产工艺等要符合国家有关规定及煤炭部，地方管理部门的规定。 2.运行的可靠性和稳定性一定要好，安装、维护要方便，操作要简单。 3.各项功能要实用，既要满足国家和地方的有关规定也要考虑用户的要求。 4.设计、制造尽可能使用通用的有替代产品的元件，器件和设备。
5.能使用软件实现的功能，一般不使用硬件来实现，以减小体积，将成本降至最低。 6.设计要从整体出发，分步、分层实施，突出系统的整体性能，力求系统整体性能最优化。
在以上设计原则的指导下，本系统各部分的主要实现方法确定如下： 1.发送采用调制解调方式通讯。 2.数据处理功能尽可能完善，容易扩充。
3.为提高软件的运行效率，软件全部使用汇编语言。
2.2 仪器的设计原则
在总体结构的设计上，首先重点突出系统整体性能，价格最优的原则，本着先进、简明、实用的设计指导思想，从传感器的信号采集、处理传输，到系统软件的设计，在整体最优原则的指导下，发挥各自的设计灵活性。其次，系统整体设计上，着重考虑系统运行的可靠性和稳定性，监测的快速和准确，安装、维护的方便和经济性，操作使用的简便，少维护，免培训等。
2.3 课题研究的总体思路
1.加强监控系统的实用性，将监控系统的设计制造同现场的实际需要密切结合起来，整体结构大为简化，安装使用十分简便，希望使监控系统真正成为矿井通风管理的得力助手。
2.提高产品的技术应用水平和整体质量档次，在结构设计、材料适用、工艺安排等方
面都努力使产品在技术上、质量上更上一个新的台阶。
3.花大力气提高产品的可靠性，从软件到硬件，从元器件到整机，都尽最大努力提高整体系统的可靠性。
第三章 监控仪工作原理
3.1 甲烷浓度检测仪原理分析
甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种: 1.光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测
量，还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时，要产生误差;光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。
2.热催化式
热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸汽会引起元件中毒而失效。目前国外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。
3.热导式
热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓度甲烷时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。
4.红外线式
红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好，不受其它气体影响，测量围宽，可连续检测;其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。
5.气敏半导体式
气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。其优
点是对微量甲烷比较敏感，结构简单、成本低。但当浓度大于1 %CH4时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。
6.声速差式
在温度为220℃、气压为101325Pa条件下，声波在甲烷中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。其优点是读数不受气压影响;其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。
7.离子化式
气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电极之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度甲烷困难，空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。
3.2 热催化元件的结构及工作原理
3.2.1 热催化元件的结构
载体催化元件最里层是用0.02～O.O5mm的高性能铂丝绕制的螺旋圈，外面是由三氧化二铝和催化剂组成的催化外壳。铂丝螺旋圈完成加热;三氧化二铝载体有定型、传热和载附催化剂等功能。催化剂由氯化钯外加稳定剂钍(Tu)配制而成，有降低起燃温度、加强选择性、提高稳定性等功能。当载体催化元件遇到甲烷与空气的混合气体时，在催化剂的作用下，甲烷气体在元件表面发生无焰燃烧，产生的热量使铂丝的温度升高。
载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器使用。
基于单片机控制的甲烷浓度监测仪硬件设计说明
