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第１５卷第３期 ２００５年９月中國環(huán)境管理干部學院學報 ＪＯＵＲＮＡＬ ｏＦ ＥＭＣＣＶ０１．１５ＮＯ．３ Ｓｅｐ．２００５文章編號：１００８—８１３Ｉ ２００５）０３—０１２２—０３中圖分類號：Ｘ８３文獻標識碼：Ａ室內有毒易爆氣體的檢測張立萍１，錢丹青２，張帆２（１．河北能源職業(yè)技術學院；２．唐山學院機電系，河北唐山０６３００４）?要：隨著城市生活水平的提高，室內裝修裝飾日益普及。各種新材料的引入，使得室內的各種有害氣體總量日益增加。長期生活在這樣的環(huán)境下，會對人體健康產生極為不利的影響。 居民生活用煤氣，在給人們生活帶來便利的同時，作為一種可燃性、有毒氣體室內有害氣體檢測，也具有極強的危 害性。因此，研制一種能檢測多種有害氣體的實用儀器，具有很大的應用價值。本儀器為便攜 式多功能儀器，采用可充電電池供電，可以檢測ｐｐｂ的揮發(fā)性氣體，顯示氣體濃度值，也可檢 測煤氣，并具有聲光報警功能。 關鍵詞：光離子化檢測；單片機；可燃氣體檢測；最小二乘法Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｄｏｏｒ Ｐｏｉｓｏｎｏｕｓ ａｎｄ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ＧａｓｅｓＺＨＡＮＧ Ｌｉ—ｐｉｎ９１，ＱＩＡＮ Ｄａｎ—ｑｉｎ９２，ＺＨＡＮＧ Ｆａｎ２ （１．ＨｅｂｅｉＥｎｅｒｇｙ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＶｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：２．Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｎｇ ｓｈａｎＨｅｂｅｉ ０６３００４）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｉｔｙ ｌｉｖｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｈｏｍｅ ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍｏｒｅ ａｎｄｍｏｒｅ ｐｏｐｕｌａｒ ｔｈｅｓｅ ｙｅａｒｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｖｅ ｃｏｍｅ ｉｎｔｏ ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ ｈｏｍｅ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅａｌｏｔ ｔｏｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｏｉｓｏｎｏｕｓ ｇａｓｅｓ．Ｌｉｖｉｎｇａｉｎ ｓｕｃｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅ ｗｉｌｌ ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ ｈａｖｅｂａｄ ｅｆｆｅｃｔｏｎｏｎｅ＇ｓｈｅａｌｔｈ．Ｉｎ ａｎｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔ，ｔｈｅ ｃｏａｌ—ｇａｓ ｉｎ ｔｈｅｏｎｈｏｕｓｅ—ｈｏｏｄ ｆｏｒ ｃｏｏｋｉｎｇ ｉｓ ａｌｓｏ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ａｎｄ ｐｏｉｓｏｎｏｕｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｈａｚａｒｄｏｕｓ ｇａｓｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｌａｒｍ ｄｅｖｉｃｅ ｔａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｐｏｒｔａｂｌｅ ａｎｄ Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｃａｎｉｎｄｏｏｒｉｓ ｏｆｕｓｅｍｕｃｈ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌａｓｉｍｐｏｒ—ｖｅｒｓａｔｉｌｅ．Ｗｅａｔｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｇａｓｅｓｏｎｔｈｅ ｐｐｂ ｌｅｖｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ａｌｓｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ＬＥＬ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｇａｓ，ｃａｎｂｅ ｓｈｏｗｎｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｙ．Ｉｔｃａｎａｎｄ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ａｌａｒｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏ ｉｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ（ＰＩＤ）；ｏｒｇａｎｉｃ ｖｏｌａｔｉｌｅ ｇａｓｅｓ；ｍｉｃｒｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｃｏｍｂｕｓｔｉ— ｂｌｅ ｇａｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｌｅａｓｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅｓ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ隨著人們生活水平的提高，居室的裝修、各種 新材料、新產品的使用等不斷增多，室內空氣質量 存在的問題也隨之產生，室內空氣中有毒有機氣 體（醛類、苯系物、多環(huán)芳烴類、鹵代烴等）時有超標，即使單一濃度不超標，有機物總濃度也有可能 超標。

在毫無防護的條件下，這種潛在的危害會 導致身體不適，以及各種慢性疾病或病變。生活用煤氣是一種易燃易爆氣體，由于使用不當而引收稿日期：２００５—０７—１８ 作者簡介：張立萍（１９６４一）女，唐山人，河北能源職業(yè)技術學院副教授，碩士。萬 方數(shù)據(jù)２００５年第３期張立萍錢丹青張帆室內有毒易爆氣體的檢測發(fā)的事故屢見不鮮。隨著家庭裝修的日益普及和 復雜化氯氣報警器，以及居民住宅煤氣的普及，煤氣和其它有 毒的有機氣體的檢測變成了一個急需解決的 問題。１處理的數(shù)字量。數(shù)字信號的處理采用單片機系統(tǒng) 實現(xiàn)‘引］。儀器的檢測原理 根據(jù)氣體的危害和性質不同，其檢測原理也不相同口’２］。為了滿足室內氣體檢測的要求，儀 器應具備可燃氣體檢測和有毒有機氣體揮發(fā)物檢 測功能。實現(xiàn)以上功能采用的傳感器不同，其工 作原理也不同。 對于室內環(huán)境，煤氣的檢測選擇低濃度的氣 體傳感器，即煤氣的濃度低于爆炸限度（ＬＥＬ）。 為安全起見，一般設定可燃氣體濃度在１０％和 ２０％ＬＥＬ時發(fā)出警報。１０％ＬＥＬ稱作警告警報， 而２０％ＬＥＬ稱作危險警報。 常見的以ＬＥＬ方式測量可燃氣體濃度的傳 感器是催化燃燒式氣體傳感器，對于低濃度測量， 它的精度很高，誤差小于０．１％，目前應用十分廣 泛。

該傳感器為一個雙路電橋檢測單元，其中的 一個鉑金絲電橋上涂有催化燃燒物質，不論何種 易燃氣體，只要它能夠被電極引燃，鉑金絲電橋的 電阻就會由于溫度變化發(fā)生改變，電阻變化導致 電橋輸出電壓的變化，電壓信號經放大、濾波、Ａ／ Ｄ轉換，通過微處理器可以計算出可燃氣體的濃 度，并換算成為相對ＬＥＬ的百分數(shù)顯示。 目前，對于特定的有毒氣體的檢測，使用最多 的是專用氣體傳感器。但由于室內揮發(fā)氣體的復 雜性，往往是多種氣體的混合物硫化氫檢測儀，光離子化檢測 （ＰＩＤ）方法可以檢測多種有機毒氣，ＰＩＤ方法檢 測的結果可以是多種有機氣體的綜合值。若在光 離子化之前增加氣體分離柱，ＰＩＤ方法也可分別 檢測多種有毒氣體，以滿足不同功能的要求。 ＰＩＤ方法的工作原理如圖１所示。ＰＩＤ使用紫外 燈光源將有機物離子化，檢測器測量離子化了的 氣體的電荷并將其轉化為電流信號室內有害氣體檢測，然后電流被 放大并轉化為電壓信號。在微處理器控制下，采 集電壓信號，可以計算出有機揮發(fā)性氣體的濃 度值。 ２儀器的硬件結構 儀器的硬件結構如圖２所示，傳感器１用于 煤氣檢測，輸出信號為電壓。揮發(fā)性的、有毒有機 氣體可以經氣體分離柱分離后或直接進行光離子 化由傳感器２檢測，通過附加電路將信號變換為 電壓。

通過放大、Ａ／Ｄ轉換，轉變成計算機可以圖１ＰＩＤ工作原理圖Ｉ募蔞Ｈ掌巖｜｛萊磊鬲五舊３儀器的軟件結構傳感器１Ｈ轉換電路１卜ｌ數(shù)值放 大一 電 路Ａ／Ｄ一 Ｊ邑．１顯示轉 換片 機七善圖２儀器硬件結構本文所設計的氣體檢測儀室內有害氣體檢測，其軟件系統(tǒng)要能 獨立的實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值顯示功能， 此外還具有與ＰＣ機通訊的功能，通過通訊接口， 可將測量濃度值輸出給ＰＣ機，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的 保存；也可通過與ＰＣ機的通訊接口，實現(xiàn)對檢測 儀的計算模型參數(shù)的修改。實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的不同 算法。其中，單片機應用程序采用高級語言Ｃ５１ 進行編程，運行于ＰＣ機上的通訊接口程序則采 用Ｃ＋＋語言開發(fā)。軟件系統(tǒng)結構如圖３所示。單片機程序結構圖３軟件系統(tǒng)結構框圖４儀器的數(shù)學模型及數(shù)據(jù)處理萬 方數(shù)據(jù)中國環(huán)境管理干部學院學報２００５年９月作為便攜式儀器，數(shù)學模型應盡可能簡單、實 用。為此采用了分段的多項式最小二乘擬合模 型，分段點數(shù)目，ｚ可以根據(jù)精度要求選擇，本文僅 分成兩段。通過在ＰＣ機上進行數(shù)據(jù)擬合與仿真 實驗，確定多項式的系數(shù)，并通過通訊接口，傳送 到單片機，單片機即可根據(jù)相應的多項式系數(shù)進 行計算，將采樣數(shù)據(jù)轉換成濃度值。

擬合多項式次數(shù)的確定，主要考慮模型的可 推廣性和計算量。多項式最高次數(shù)限定為３次， 這樣便于多項式系數(shù)存儲結構的標準化和求值計 算的標準化。多項式系數(shù)的確定采用最小二乘 法。設模型中某一段多項式的形式為： Ｃ—ｐ（ｚ）一Ｐｏ∥＋Ｐ１Ｘ２＋Ｐ２ｚ＋Ｐ３ 最小二乘法就是要求一組最優(yōu)的參數(shù)Ｐ’一 ［夕。，Ｐ。，戶：，Ｐ。］丁，使得相應的多項式滿足誤差平 方和最小。即： ５應用范圍 本儀器是專為空氣質量檢測而設計的復合式 儀器，既可用于室內環(huán)境中的揮發(fā)性有機物的濃 度檢測，又可用于煤氣濃度測量。作為便攜式儀圖４多項式求值程序器，還可用于空氣污染——痕量有機有毒氣體的檢測和空氣質量評價，也可用于揮發(fā)性有機物緊 急泄漏和溢出檢測、有毒廢物現(xiàn)場檢測、短時和瞬 時排放檢測、地下儲罐泄漏檢測、石化煉油安全衛(wèi) 生檢測等。其中，煤氣的濃度檢測不適于高濃度 的場合。∑艿。＊２一∑Ｅｐ’（ｚｉ）一Ｃｉ］２ｉ＝０ｌ一０一ｍｉｎ≥：Ｅｐ（ｘ，）一Ｃｉ］２ｆ＝ｏ其中ｍ為擬合實驗中的數(shù)據(jù)點數(shù)。 設模型由ｎ段多項式Ｐｉ（ｚ）（ｉ—ＩＬ以）表達， 則有卵～１個分段點硝，根據(jù)采樣值ｚ與ｚｉ比較 即可確定ｉ。多項式系數(shù)存儲在押×４的矩陣Ｐ 中，則Ｐ的第ｉ個行向量Ｐ。

，即為第ｉ段擬合多項 式系數(shù)。相應的濃度Ｃ計算如下：Ｃ＝Ｐ。（０）ｚ３＋夕：（１）ｚ２＋戶。（２）ｚ＋戶ｉ（３）參考文獻 ［１］王化祥，張淑英．傳感器原理及應用．（第二版）天津：天津大 學出版社，１９９９ ［２］王子平．正確設計可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)．石油 化工自動化，１９９８．１６４（４）：９—１３ Ｅ３３朱定華，戴汝平．單片微機原理與應用［Ｍ］．北京：清華大學出 版社，２００３ ［４］徐愛鈞．智能化測量控制儀表原理與設計［Ｍ］．北京：北京航 空航天大學出版社，１９９９為便于計算，上式可改寫為：Ｃ—Ｐ：（３）＋（Ｐ：（２）＋（Ａ（１）＋Ｐ：（Ｏ）＊ｚ）＊ｚ）＊Ｚ相應計算可用下面的程序實現(xiàn)：［５］徐愛鈞，彭秀華．單片機高級語言Ｃ５１ Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境編程與 應用［Ｍ］．北京：電子工業(yè)出版社，２００ｌ萬 方數(shù)據(jù)室內有毒易爆氣體的檢測作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 張立萍， 錢丹青， 張帆， ZHANG Li-ping， QIAN Dan-qing， ZHANG Fan 張立萍,ZHANG Li-ping(河北能源職業(yè)技術學院)， 錢丹青,張帆,QIAN Dan-qing,ZHANG Fan(唐山學院機電系,河北,唐山,063004) 中國環(huán)境管理干部學院學報 JOURNAL OF ENVIRONMENTAL MANAGEMENT COLLEGE OF CHINA 2005,15(3)參考文獻(5條) 1.徐愛鈞;彭秀華 單片機高級語言C51 Windows環(huán)境編程與應用 2001 2.徐愛鈞 智能化測量控制儀表原理與設計 1999 3.朱定華;戴汝平 單片微機原理與應用 2003 4.王子平 正確設計可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng) 1998(04) 5.王化祥;張淑英 傳感器原理及應用 1999本文鏈接：

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