专利名称：矿井环境可燃气体分析方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测和分析工矿环境多种可燃气体的方法及装置，特别是一种矿井环境可燃气体分析方法及装置。
背景技术：
现有的可燃气体分析装置一般有二种，一种为气相色谱仪；一种为传感器检测仪。采用气相色谱仪检测可燃气体，通常是先对可燃气体进行采样，然后将所采样的可燃气体放入至可燃气体分析装置中，对可燃气体进行气相色谱进行检测、分析，使用该分析装置操作过程复杂，得出结果的时间较长；采用传感器检测仪检测可燃气体，具有使用方便，且可进行实时连续的监测，但是对多种可燃气体进行采样时，需要使用多个传感器构成的传感器阵列来完成，以此实现对多种可燃气体的检测、分析，该方法不仅设备的制造成本较高，由于设备中各传感器对所有可燃气体的交叉敏感作用，影响对可燃气体分析的精度。
发明内容
本发明的目的是要提供一种操作过程简单、对可燃气体分析精度高、设备的制造成本低的矿井环境可燃气体分析方法及装置本发明的目的是这样实现的可燃气体的分析方法是使用一个催化传感器，把催化传感器放置在多种混合可燃气体中，由单片机电路对电场控制器输出控制信号，电场控制器对催化传感器施加不同的电场，催化传感器输出不同的、包含混合可燃气体信息的信号，不同可燃气体的信息信号通过闭环检测器送入至单片机电路，单片机电路对得到的可燃气体进行分析，分析气体的种类和浓度，并通过数字显示器显示检测结果。
可燃气体的分析装置是有催化传感器、电场控制器、闭环检测器、单片机电路和数字显示器，单片机电路的输出端口与电场控制器连接，电场控制器的输出端与催化传感器连接，催化传感受器的输出端与闭环检测器连接，闭环检测器的输出端与单片机电路的输入端口连接，单片机电路的输出端口还连接有数字显示器。
所述的催化传感器有铂丝(2-1)、催化载体和电极，铂丝两个端点引出有出线端(r1)和(r2)，在催化载体(2-2)的两侧各连接一个电极(2-3)和(2-4)，两个电极有引出线端为(E1)和(E2)，在两个金属极板施加电场。
所述的电场控制器有模拟电子开关(A)、升压变压器(B)、振荡器(C)和整流管(Z)，升压变压器(B)的输出端连接有整流管(Z)，电场控制器的输出端为(E1)和(E2)，升压变压器(B)的初级电压为多组，并分别与模拟电子开关(A)对应连接，振荡器(C)与模拟电子开关(A)的输入端连接，单片机与模拟电子开关(A)的选通逻辑控制端(Di)连接。
所述的闭环检测器有调节器(J)、催化传感器(r)和电阻(R1)、(R2)、(R3)，催化传感器(r)和电阻(R1)、(R2)、(R3)构成检测电桥，电桥的(R1)和(R2)和连接端及催化传感器(r)和电阻(R3)的连接端分别与调节器(J)的同相输入和反相输入端连接，调节器(J)的输出端与电桥的(R1)和(R)的连接点连接，电桥的催化传感器(r)和电阻(R)的连接端接地，催化传感器(r)的出线端(r1)和(r2)为检测信号输出端。
所述的单片机电路为传统的电路，将检测信号进行模数转换，进行数据处理，最后输出取得信号，使数字显示器显示可燃气体的分析结果。
有益效果由于采用了上述方案，可燃气体的分析方法和装置，只采用一个传感器，设备制造成本较低；同时，由于催化传感器对可燃气体具有很好的选择性，在分析可燃气体时，受环境因素的干扰小，保证了气体分析的精度，达到了本发明的目的。
在催化传感器的电极上施加不同电场条件，催化传感器能对不同可燃气体表现出不同的灵敏度，由此，催化传感器在检测多种混合可燃气体时，通过不同电场的控制，可以输出不同的、包含混合可燃气体信息的信号，再通过对输出信号的处理，最后得到对可燃气体分析的结果，即气体的种类和浓度，该发明的与目前的各种气体分析方法相比，最显著的特点是它仅仅利用一个催化传感器就能实现对多种可燃气体的分析，既保证了对可燃气体分析的精度，又降低了分析装置的制造成本。
可燃气体分析装置有催化传感器、电场控制器、闭环检测器、单片机电路和数字显示器，催化传感器是在原有的催化传感器基础上，增加了两片金属极板，以便于施加电场；电场控制器则通过程序控制，给催化传感器的电极上施加不同的电场；闭环检测器，采用的是闭环控制电路，通过调节催化传感器的工作电流，达到保持传感器的恒温状态，输出信号为催化传感器电流的取样信号；单片机电路是将检测信号进行模数转换，进行数据处理，最后输出取得信号，使用数字显示器显示可燃气体的分析结果。
图1是本发明的可燃气体分析装置的原理框图示意图；图2是本发明的催化传感器结构的示意图；图3是本发明的电场控制器原理图；图4是本发明的闭环检测器原理图；图5是本发明的单片机主程序流程图。
具体实施例方式
实施例1可燃气体的分析方法是使用一个催化传感器，把催化传感器放置在多种混合可燃气体中，由单片机电路对电场控制器输出控制信号，电场控制器对催化传感器施加不同的电场，催化传感器输出不同的、包含混合可燃气体信息的信号，不同可燃气体的信息信号通过闭环检测器送入至单片机电路，单片机电路对得到的可燃气体进行分析，分析气体的种类和浓度，并通过数字显示器显示检测结果。
可燃气体的分析装置是有催化传感器2、电场控制器1、闭环检测器3、单片机电路4和数字显示器5，单片机电路的输出端口与电场控制器连接，电场控制器的输出端与催化传感器连接，催化传感受器的输出端与闭环检测器连接，闭环检测器的输出端与单片机电路的输入端口连接，单片机电路的输出端口还连接有数字显示器。
所述的催化传感器有铂丝2-1、催化载体2-2和电极2-3、2-4，铂丝两个端点引出有出线端r1和r2，在催化载体2-2的两侧各连接一个电极2-3和2-4，两个电极有引出线端为E1和E2，在两个金属极板施加电场。
所述的电场控制器有模拟电子开关A、升压变压器B、振荡器C和整流管Z，升压变压器B的输出端连接有整流管Z，电场控制器的输出端为E1和E2，升压变压器B的初级电压为多组，并分别与模拟电子开关A对应连接，振荡器C与模拟电子开关A的输入端连接，单片机与模拟电子开关A的选通逻辑控制端Di连接，模拟电子开关A的型号为CD4051。
所述的闭环检测器有调节器J、催化传感器r和电阻R1、R2、R3，催化传感器r和电阻R1、R2、R3构成检测电桥，电桥的R1和R2和连接端及催化传感器r和电阻R3的连接端分别与调节器J的同相输入和反相输入端连接，调节器J的输出端与电桥的R1和R的连接点连接，电桥的催化传感器r和电阻R的连接端接地，催化传感器r的出线端r1和r2为检测信号输出端，调节器J的型号为UC3638。
所述的单片机电路为传统的电路，将检测信号进行模数转换，进行数据处理，最后输出取得信号，使数字显示器显示可燃气体的分析结果，单片机的型号为ATMEGA8L。
图1中可燃气体分析装置中，单片机电路输出信号Di到电场控制器，使电场控制器输出不同的电场Ei施加于催化传感器，催化传感器在不同的电场下对可燃气体有不同的灵敏度，因此会输出产生不同的阻值变化Δr，通过闭环检测器，输出不同的检测信号Uoi到单片机电路，再通过单片机电路对多信号的融合处理，分析出混合可燃气体中的成分和浓度，最后驱动数字显示器显示结果。单片机电路输出到电场控制器的信号取决于需要分析的气体种类，例如，已知混合可燃气体中含有三种待测气体时，单片机电路要因此输出三种不同的信号D1、D2、D3至电场控制器，每输出一种信号要保持30秒钟，使电场控制器给催化传感器施加三种不同的电场E1、E2、E3，催化传感器在三种电场条件下对混合可燃气体呈现不同的电阻变化趋势Δr1、Δr2、Δr3，使闭环检测器输出三种不同的检测信号Uo1、Uo2、Uo3，其中，每种信号中都含有三种待测可燃气体的信息，通过单片机电路的信号处理，最后分析出三种可燃气体的浓度。
图2中催化传感器结构由铂丝1和催化载体2组成，铂丝引出两个出线端为r1和r2，在催化载体2的两侧增加电极3和4，该电极是由铂金片构成，并从两个电极引出E1和E2。催化传感器用于分析可燃气体时，电场控制器输出电压信号至电极E1和E2，给催化传感器施加不同强度的电场，催化传感器的铂丝引线端r1和r2接入闭环检测器，在接触可燃气体时，气体在催化传感器的表面发生氧化放热反应，使温度升高，阻值增大，通过不同强度的电场控制，催化传感器对可燃气体的反应程度不同，产生的温度、阻值变化也有所不同。
图3中电场控制器由模拟电子开关A、升压变压器B、振荡器C和整流管Z组成。首先振荡器C产生交流信号Uo到模拟开关A，在单片机的控制信号Di的作用下，交流信号Uo通过模拟电子开关A，依次输出至变压器B的初级线圈Ui端(i＝1，2，3，…，n)，通过变压器B的升压和整流管D的整流，输出不同幅度的脉动高压信号至催化传感器的电场电极E1和E2端。以分析三种可燃气体为例，单片机电路依次输出数字信号01，10，11至模拟电子开关的控制端，使振荡器的交流输出信号Uo通过模拟电子开关传输到变压器B的初级线圈端U1、U2和U3端，再通过变压器B和整流管Z输出三种从小到大不同幅度的脉动电压至催化传感器的电场电极E1和E2。
图4中闭环检测器由调节器J、催化传感器r和电阻R1、R2、R3，其中，r和电阻R1、R2、R3构成检测电桥。在没有可燃气体的环境中如果开启检测电路电源，其状态处于预热或初始状态，调节器提供一个初始电流I给检测电桥，由于电阻的设计使满足R1+R2＞＞R3+r，因此通过催化传感器的电流近似等于电桥的总电流I。在检测可燃气体时，可燃气体在催化传感器表面发生氧化放热反应，使其温度升高，阻值增大，通过调节器E的自动控制，减小工作电流I，使催化传感器r保持恒温状态，此时输出电压Uoi＝Ir减小，反映被测可燃气体的浓度。当催化传感器r在不同的电场条件下，对可燃气体具有不同的灵敏度，通过调节器J的控制，电桥电流的进行程度也不同，产生不同的输出电压。
图5中对单片机电路的主程序流程图进行说明，i＝0和i＝i+1是为了分析混合气体中多种可燃气体而设置的条件；输出Di是控制电场电路的信号；延时30秒，主要是等待催化传感器在施加的电场条件下，可燃气体发生氧化反应的过程，使得输出稳定的信号；30秒后单片机中开始采集检测电路的输出信号Uoi；I＝N？的条件判断中，N表示需要分析可燃气体的种类，该条件主要是判断是否施加了N个不同的电场？采集了N个检测信号？如果条件不满足，继续给催化传感器施加不同的电场，得到不同的检测信号。如果条件满足，则进行下一步的信号处理；对N个检测信号(U1，U2，U3，…UN)的处理方法是求解以下方程组U1=k11X1+k12X2+k13X3+······+k1NXNU1=k21X1+K22X2+k23X3+······+k2NXN······UN=kN1X1+kN2X2+kN3X3+······+kNNXN]]>以上方程组中，X1，X2，X3，……XN是混合气体中的待测气体浓度；kij(i＝1，2，……N，j＝1，2，……N)是催化传感器对不同的气体在不同的电场条件下的规一化输出灵敏度。是通过对已知气体试验测得的数据，预先存储在单片机内。
由于上述方程组中，kij(i＝1，2，……N，j＝1，2，……N)和Ui(i＝1，2，……N)是已知参数，故可以求得可燃气体的浓度X1，X2，X3，……XN。
权利要求
1.一种矿井环境可燃气体分析方法，其特征是该分析方法使用一个催化传感器，把催化传感器放置在多种混合可燃气体中，由单片机电路对电场控制器输出控制信号，电场控制器对催化传感器施加不同的电场，催化传感器输出不同的、包含混合可燃气体信息的信号，不同可燃气体的信息信号通过闭环检测器送入至单片机电路，单片机电路对得到的可燃气体进行分析，分析气体的种类和浓度，并通过数字显示器显示检测结果。
2.一种实现矿井环境可燃气体分析方法的装置，其特征是该装置有催化传感器、电场控制器、闭环检测器、单片机电路和数字显示器，单片机电路的输出端口与电场控制器连接，电场控制器的输出端与催化传感器连接，催化传感受器的输出端与闭环检测器连接，闭环检测器的输出端与单片机电路的输入端口连接，单片机电路的输出端口还连接有数字显示器。
3.根据权利2所述的矿井环境可燃气体分析方法的装置，其特征在于所述的催化传感器有铂丝(2-1)、催化载体和电极，铂丝两个端点引出有出线端(r1)和(r2)，在催化载体(2-2)的两侧各连接一个电极(2-3)和(2-4)，两个电极有引出线端为(E1)和(E2)，在两个金属极板施加电场。
4.根据权利2所述的矿井环境可燃气体分析方法的装置，其特征在于所述的电场控制器有模拟电子开关(A)、升压变压器(B)、振荡器(C)和整流管(Z)，升压变压器(B)的输出端连接有整流管(Z)，电场控制器的输出端为(E1)和(E2)，升压变压器(B)的初级电压为多组，并分别与模拟电子开关(A)对应连接，振荡器(C)与模拟电子开关(A)的输入端连接，单片机电路与模拟电子开关(A)的选通逻辑控制端(Di)连接。
5.根据权利2所述的矿井环境可燃气体分析方法的装置，其特征在于所述的闭环检测器有调节器(J)、催化传感器(r)和电阻(R1)、(R2)、(R3)，催化传感器(r)和电阻(R1)、(R2)、(R3)构成检测电桥，电桥的(R1)和(R2)和连接端及催化传感器(r)和电阻(R3)的连接端分别与调节器(J)的同相输入和反相输入端连接，调节器(J)的输出端与电桥的(R1)和(R)的连接点连接，电桥的催化传感器(r)和电阻(R)的连接端接地，催化传感器(r)的出线端(r1)和(r2)为检测信号输出端。
全文摘要
一种矿井环境可燃气体分析方法及装置，属于检测和分析工矿环境多种可燃气体的方法及装置。该分析方法使用一个催化传感器，把催化传感器放置在多种混合可燃气体中，由单片机对电场控制器输出控制信号，电场控制器对催化传感器施加不同的电场，催化传感器输出不同的、包含混合可燃气体信息的信号，不同可燃气体的信息信号通过闭环检测器送入至单片机，单片机对得到的可燃气体进行分析，分析气体的种类和浓度，并通过数字显示器显示检测结果。该装置在催化传感器上增加两片金属极板；电场控制器通过程序控制，给催化传感器的电极上施加不同的电场；闭环检测器，调节催化传感器的工作电流，输出信号为催化传感器电流的取样信号；单片机电路是将检测信号进行模数转换，进行数据处理，最后使用数字显示器显示可燃气体的分析结果。
文档编号G01N31/10GK101021542SQ20071002015
公开日2007年8月22日 申请日期2007年2月21日 优先权日2007年2月21日
发明者童敏明 申请人:中国矿业大学