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矿开采时的喷水处理后变成酸。但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易 燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。因此，认识并研制监测这种气体的 新型系统，显得非常霞要。
瓦斯(CH4)是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下
危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为0．7167kg／m3，对人体 的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的 治理麻非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工 人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。第二，瓦斯煤尘爆炸，瓦斯 爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会 参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造 成巨大损失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。第四、大 量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。
我国煤矿的瓦斯灾害是比较严蘑的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌， 日前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，研制先进适用的煤矿气体监测 系统对煤矿丁业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用 前景十分广阔。
1．4本课题的主要工作内容
目前国内有一些用于煤矿中CH4气体的监测系统，但是很少有能实现数据上传 做到实时监测，本文针对煤矿气体监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献 及资料，研发了煤矿气体监测系统．主要T作包括： I)甲烷气体传感器的选用及实验 2)单片机的选用
3)系统硬件电路的设计 4)系统软件的设计
5)通讯方式及通讯协议设计
6)终端数据采集及显示软件的设计 7)系统测试及实验数据记录、分析 4
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第二章煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原理
本课题的研究日标，是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统，并 可以将实时数据上传垒地面监控电脑，实施控制。为此，应根据煤矿工作环境及 煤矿巷道中气体监测系统使用的特殊要求进行系统设计。 2．1系统设计要求 2．1．1技术指标要求
本课题对煤矿气体监测仪表及其所用气体传感器在技术指标上的要求如下 1)麻用环境：煤矿气体监测 2)监测对象：监测甲烷气体 3)测量范同：甲烷0一lo％ 4)灵敏度：0．oi％ 5)响麻时间：≤30s 6)功耗：≤lOOmW
7)环境T作温度范围：-20一+70C 8)环境T作湿度范围：<95％RH 2．1．2隔爆仪表设计要求
煤矿井下T作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所 以，煤矿电器同一般电器有较大的区别。这就对煤矿电器有特殊要求，如体积要 小，易于搬运，坚同，防潮防水，防爆。属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产 品麻有安全标志”.，电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装 置。
隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳，它将把可能产生火花和危 险温度的仪表传感器、电阻电路及接线端子等，都放在隔爆外壳里，达到外壳内 可能发生的爆炸小影响周围易燃易爆物质，它的设计方法与隔爆型电器和电机基 本相类似。如外壳的再配合面(隔爆面)的间隙大小和长度要符合GB3836．2标准规
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定要求，另一方面外壳要有一定的机械强度，须达到外壳内部爆炸参考压力的1．5 倍压力小损土1：年I J变形等。隔爆型仪表设计须注意如下几个方面： (I)确定合理的外壳结构
根据仪表的特点，专门设计与原结构相适应的外壳，达到既不损害仪表原来
使用特征又经济合理的外壳：外壳腔内有细长通道，避免腔内发生压力重叠现象； 外壳的材质采用新型的T程塑料和优质轻合金，结构轻巧。 (2)接线盒结构
隔爆型仪表设计带有接线盒的隔爆外壳，且接线盒的防爆类型为隔爆型。由
于隔爆犁仪表具有低电压、小电流特点，隔爆型仪表的主腔和接线盒贯通部分， 可以尽量采取橡胶密封结构，使隔爆型仪表结构简单，加丁方便。 (3)指示表结构
为了使井下下作人员及时地了解瓦斯浓度数据，隔爆型仪表带有指示表。指
示表设计在仪表的主腔窀，透明窗面积不大于100mm2，透明玻璃厚度大于8mm， 与外壳密封采用橡胶密封措施。 2．I．3系统的功能
在奉项目中，煤矿气体监测系统的功能是能够监测CH4，同时本着方便应用
的原则，还麻具备声光报警、人机界面操作、数据存储以及与Pc机通讯等功能。 基于这些要求，仪表应由敏感探头、A／D转换、单片机、数据存储器、显示器、 按键面板及报警模块、通讯模块等组成。由于在标定和更新系统参数的时候，需 要大量的实验数据，这就需要扩展仪表外设功能模块，采用串口通讯实现数据的 远传。
2．2设计原理
奉项日采用合作单位镇江中煤电子有限公司研发的CH4气体传感器，研制无火 焰燃烧式CH4气体传感器戍用系统，实现对CH4的识别，浓度的测量、是否达到报 警阈值的判断以及数据的远传。
江苏大学硕士学位论文 2．2．1气体传感器的选择
本文在实验阶段，采用7只CH4气体传感器进行参数测量。其催化元件是采 用一种全新高活性的纳米级过渡金属合金低温反应催化剂作为新的敏感元件，取 代传统的瓦斯燃烧催化剂。这种新的合金催化剂不仅对瓦斯催化反应的活性极 高，临界反席温度低，而且具有良好的催化选择性，有利于提高报警器的灵敏性 和准确性。同时冈反虑可在较低温度进行，催化剂性能稳定，因而大大延长了催 化剂的使用寿命。
这种敏感元件的外观图见图2．2．1，其具有抗气体干扰能力强、选择性好、 反麻速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长等特点。适用于煤矿 井下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度。 田2．z，l元件井观图 3
(单位：m)
1．元件使用环境条件： 温度：一20℃～+70℃ 湿度：(95％RH 风速：(8m／s
大气压力：80-116 KPa 2．零点输出
V。OmV一+20mY(V。：空气中的输出电压) 3．灵敏度
M>2mY (M：灵敏度)
4．传感器对多种可燃气体的敏感特性
图2．2．2表示CH4气体敏感元件对各种气体的反应关系，从图上我们可以看出敏 7
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感元件输出电压与对各种气体浓度之间具有较好的线性关系。 氢 T烷
丙烷历乏甲烷 歹／
0 0．59 I．0％ 1．战2．嘣2．嘣
圈2．2．2输出vo在不同气体及浓度下的变化曲线 5．温湿度的影响
1)恒定湿热试验：40\，95％RH，96小时(见图2．2．4)。Y轴表示vo的输出电压 值。 。薹 ．．12 塞1； ； 。▲ 震 l f t
、—‘、●9．_d—●“+Hp_。 20ain,80Mir,4h 24h 48h ∞h 圈2,2．3恒定湿热实验图 B 5 4 3 2 1 0 管》