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1、第1章 概述1.1 项目提出的必要性和国内外研究水平和动向 从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。在去年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。 煤矿生产安全监控系统，是
2、目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短 系统安装、
3、维护复杂，操作不便，人机界面较差系统设备可靠性差必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。 综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。沼气(甲烷CH4的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开采强度和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可
4、能引起沼气事故，及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。甲烷浓度检测仪器就是用来监视矿井沼气动态的有效工具。鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多，使用最普遍的安全检测仪器，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器，需要说明的是，由于我国煤矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器，有的又叫沼气检定器，在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词。1.2 煤矿安全仪器概况煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，
5、提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有的害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。所有这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。 最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使用过金丝雀一类的小动物来进行检测。1815年英国人在煤矿井下开始使用安全火焰灯检测瓦斯。1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广，通风安全方面问题日益突出。与此同时，随着仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得到了不断的发展。1927年日本制造成光干涉原理甲烷检
6、定器，以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不断提高，检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度甲烷外，还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。同时还能对井下设备的工作状态进行监控。如英国DYNSLINK-MINOS系统的监测容量为986个模拟量，896个开关量，传输距离为13km。在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某测点的甲烷浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。作为间断方式检测
7、的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现，检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示，自动校正，电源监视和故障指示等功能,而且操作简单，维修量小，体积小。例如美国MSA公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有0.28Kg，外形尺寸为146*65*38mm 解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来。在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设
8、备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统，在引进的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJ1型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。其中KJ4型的系统容量为1536个，传输距离为13 km。所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。1
9、.3 测量仪器的基本性能1.3.1 测量仪器的概念煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。什么是测量呢?测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中，借助于专门的技术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小。测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息，以便掌握被测对象的参数及控制生产过程。例如，在采煤机上安装采煤机瓦斯断电控制仪。它不仅可以连续监测采煤机附近风流的甲烷浓度，而且在甲烷浓度超限时还可发出声、光报警信号，并自动切断采煤机的工作电源以防发生瓦斯事故, 确保生产安全。1.3.2 测量仪器的基本性能评价测量仪器
10、品质的指标是多方面的。仪器的基本性能，主要是衡量仪器测量能力的一些指标，如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。但工作可靠性、经济性也很重要，这些因素在很大程度上影响仪器的使用。1.4 本论文的结构安排 第一章是文章概述。介绍了该课题提出的必要性和国内外研究水平与动向以及测量仪器的基本性能，同时给出整个论文的结构安排。 第二章是研究内容、方法和原则。阐述了课题研究的内容，设计思路和方法以及整体设计所遵循的原则。 第三章是监控仪的工作原理。对甲烷浓度监控仪作了原理分析，同时介绍了敏感元件的结构和工作原理以及整机工作原理。 第四章是硬件设计。对组成系统的CPU、时钟电路、敏感元件、小信号放大电路、
11、A/D转换电路、通信电路以及看门狗监控电路都作了详细介绍。 第五章是软件设计。介绍了软件设计采用的方法和所遵循的原则，并给出了部分主要程序的软件流程图及程序。 第六章是结束语。对整个系统作了一个概括性的总结，既介绍了仪器的优点又指出了其不足之处。 致谢中对参与了课题的研究和给予帮助的老师和同学作了感谢。最后是文章的参考文献和中英文附录。第2章 研究内容、方法和原则2.1 研究内容 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
12、，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
13、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
14、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
15、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。目前国内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
