说明书防爆红外气体分析仪

xx 大学毕业设计说明书目录1 前言（绪论） .11.1 使用防爆气体分析仪目的、意义 .11.2 防爆气体分析仪国内外发展概况及存在的问题 .11.3 关于选题 .22 仪器防爆设计 .32.1 防爆基础概要 .32.1.1 爆炸性环境的形成 .32.1.2 可燃气体的燃烧与爆炸原因 .32.1.3 爆炸物气体分级、分类、分组 .42.1.4 爆炸危险场所的分类、分区和区域范围划分 .42.1.5 仪表的防爆 .52.2 防爆仪表的设计 .62.2.1 爆炸危险区确定仪表防爆类型 .62.2.2 爆炸危险气体确定设备类别 .72.2.3 防爆机箱的防护等级及尺寸设计 .72.2.4 防爆等级与性能的确定 .83 红外气体分析原理及传感器 .93.1 红外光谱与吸收特性 .93.2 光吸收定律 .103.3 红外气体分析传感器 .113.3.1 检测原理 .113.3.2 传感器结构 .123.4 红外传感器的选型 .173.4.1 薄膜微音红外气体分析器 .173.4.2 微流量红外气体分析器 .183.4.3 气体滤波相关红外气体分析器 .183.4.4 半导体红外气体分析器 .193.4.5 传感器的选择 .194 系统结构及功能组成 .234.1 系统结构框图 .235 硬件设计 .245.1 前置放大模块 .24xx 大学毕业设计说明书5.1.1 放大器选型 .245.1.2 前置放大模块电路图 .265.2 信号处理模块 .275.2.1 MCU 的选型 .275.2.2 MCU 集成 ADC.295.2.3 单片机最小系统电路 .305.3 输入/输出模块 .305.3.1 LCD 显示 .315.3.2 键盘输入 .335.3.3 通信 .345.4 电源模块 .386 软件功能设计流程框图及说明 .396.1 主程序程序流图 .406.2 数据显示、记录、上传 .406.2.1 气体浓度、温度显示 .406.3 程序自动监控 .416.3.1 程序自动监测 .416.3.2 参数设置 .427 系统硬件及软件调试 .448 结论 .459 总结与体会 .4610 谢辞（致谢） .4711 参考文献 .48第 1 页xx 大学毕业设计说明书1 前言（绪论）随着社会经济的发展,大型现代化的石油化工、钢铁、煤炭等企业不断建成。由于其生产规模日益扩大和自动化程度的提高,在涉及爆炸性物质的储存、运输以及物料的生产、加工和处理工序的生产过程中,将不可避免地存在爆炸性危险物质。同时诸如选用、安装、检修、操作规范等人为因素也都构成了至关重要的防爆安全问题。据资料介绍,煤矿井下约有三分之二的场所属于爆炸性危险场所;石油开采现场和炼油厂约 60% 80%的场所属于危险区域;在化学工业中约 80%以上的生产车间为危险区域。另按国际电工委员会的定义,凡涉及防爆安全问题的领域有:炼油、化工企业、燃油燃气充装、制药业、气体管线和输配、分析实验室、表面喷涂工业、印刷工业、电子器件制造业、地下煤矿工业、污水处理厂、医院手术室、制糖业、木材加工、粮食处理与储存、金属表面研磨等。在这些生产领域中,爆炸性危险物质的泄漏是不可避免的,它与空气混合将形成爆炸性混合物,生产现场一旦出现危险点燃源,将不可避免地导致灾难性爆炸事故。尤其是近年来随着城市中心区域的拓展、企业数量的增多、生产规模的增大、危险化学品使用量的增加,这无疑对人民生命、城市安全、国民经济生产安全构成重大潜在危险。1.1使用防爆气体分析仪目的、意义在工业生产，尤其是石化生产中，许多生产过程具有易燃、易爆、高温、高压和有毒等特点，许多工艺介质具有强烈的腐蚀性，有些介质易结晶和堵塞管道。测量仪表在这些特殊的场所中使用时必须采取相应的技术措施，解决仪表的防护问题。在危险区域中两类爆炸性危险物质粉尘与气体，其中气体是主要危险物质，同时在石油化工、钢铁、煤炭行业中常要对某些气体做成分和含量检测，于是需要使用气体分析仪。由于检测环境的特殊性，要求检测仪器具备防爆功能与在线检测能力，使得在危险区域里对气体成分和含量做实时检测，为生产中控制气体含量提供数据参考。不仅具有对气体做在线检测的能力，同时具有在爆炸性危险环境里的防爆能力的仪器。1.2防爆气体分析仪国内外发展概况及存在的问题防爆红外气体分析仪在国内外工业或其他危险区域其他监测有较为广泛的应用前景和市场。但由于市场中各个公司成品红外气体分析仪较为笨重采用薄面微音发测量气体，虽然精度较高但是更适合于实验用。本设计的指导思想即是：在一定程度上保证气体监测的精度，采用较为新的集成器件或相关监测技术实现，工业或一般用途的危险爆炸区域爆炸性气体监测用仪器。第 2 页xx 大学毕业设计说明书本设计主要着力于防爆性能的设计和气体检测电路的小型化。以求达到满足防爆的前提下选用集成器件实现满足一般检测要求的仪器。1.3关于选题目前气体分析仪常用的检测方法有三类：(1) 热导式气体分析根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。为物理检测法。(2) 电化学式气体分析仪根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分。为了提高选择性，防止测量电极表面沾污和保持电解液性能，一般采用隔膜结构。(3) 红外线吸收式分析仪根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可确定被测气体的浓度。而目前国外较为先进的方法是采用红外原理检测气体。克服了气体检测方法的各种问题，同时具有灵敏度高、响应速度快、选择性好等优点。具有非常好的前景，同时集成器件的采用、和电子材料的改进产生了集成化程度很高的传感器器件，其外观尺寸很小，且重量轻一般仅有二十克左右。仪器防爆性的需求，也随着工业化能源产品的使用和日常生活中煤气等广泛使用，爆炸性危险环境越来越多，爆炸性气体检测需求特别是在工业生产中有爆炸性气体出现需要在线检测警报的场合。因而在选题上，选择了以红外原理检测气体的防爆气体检测仪。第 3 页xx 大学毕业设计说明书2 仪器防爆设计仪器的防爆设计是建立在具有防爆安全知识的前提下，对安全隐患有全面的认识，具有针对性的使仪器的使用始终处于安全状态。2.1防爆基础概要2.1.1 爆炸性环境的形成如前所述,在不少生产过程中有可能出现爆炸性混合物,具体有以下几种情况:(一) 可燃性气体与空气形成爆炸性混合物当物料中存在可燃性气体(如氢气、乙炔、乙烯、丙烷等)时,如遇盛装物料的容器密闭不良,管道、阀门泄漏;或安全阀、排气阀、呼吸阀等动作;或受热、保冷失效等引起容器内压力猛升,导致容器破裂或爆破片冲破;或使用不当、控制不严;或设计不良,排气未导入火炬等种种因素,都将致使可燃气体逸散到生产场所中;或储存、保管不当,电石吸潮逸出乙炔,或液化石油气残液随便倾倒等等,也会导致可燃性气体大量逸散,极易使场所中可燃性气体浓度升高,达到爆炸极限而产生爆炸危险。(二) 易燃液体蒸气与空气形成爆炸性混合物在某一标准条件下,使液体释放出一定量的蒸气而形成可点燃的蒸气-空气混合物的液体的最低温度称为闪点。不同的可燃性液体具有不同的闪点。可燃性液体的闪点低,表示可燃性液体在低温下可以形成爆炸性混合物,其危险程度高。(三) 易燃固体蒸气与空气形成爆炸性混合物(四) 可燃性粉尘与空气形成爆炸性混合物可燃性粉尘如淀粉、硫磺粉等,与空气混合达到一定比例时,能形成爆炸性混合物。一般情况下,可燃性粉尘的爆炸下限较高,这有利于安全。某些金属如镁、铝、钛等呈固体块状时不易燃烧,但细粉状的金属粉尘是可燃的,它们与空气混合也能形成爆炸性混合物。2.1.2 可燃气体的燃烧与爆炸原因可燃气体、易燃液体蒸气、易燃固体蒸气、可燃性粉尘等与空气形成的爆炸性混合物的燃烧速度很快,为每秒数米至千米,大范围的强烈爆震速度可高达每秒数万米;这类燃烧的反应时间大多为 10-210-3s；反应产物是大量气体,并放出大量热量。由于反应速度较快,产生的热量来不及散失冷却,于是温度迅速升高,达摄氏几百度到上千度,使气体膨胀、压力猛升,进而发生爆炸。可见,爆炸是快速燃烧的结果。因此,采取措施消除包括自动化仪表在内的电气设备的电火花和危险高温,将有利于防止燃烧,避免爆炸的形成。第 4 页xx 大学毕业设计说明书2.1.3 爆炸物气体分级、分类、分组(一) 按 MESG、MICR 分爆炸性气体应按其最大试验安全间隙(MESG，在 GB3638.11 与 GB3638.12 的标准规定试验条件下，壳内所有浓度的被试验气体或蒸汽与空气的混合物点燃后，通过 25mm唱的接合面均不能点燃壳外爆炸气体混合物外壳空腔两部分之间的最大间隙)或最小点燃电流比(MICR，在 GB3638.11 与 GB3638.12 的标准规定试验条件下，能点燃最易点燃混合物的最小电流)分级，并应符合 表 2-1 的规定。表 2-1 最大试验安全间隙(MESG)或最小点燃电流比(MICR)分级级别最大试验安全间隙(MESG)mm最小点燃电流比(MICR)A 0.9 0.8B 0.5MESG0.9 0.45MICR0.8C 0.5 0.45(二) 按引燃温度分组爆炸性气体应按引燃温度分组，并应符合 表 2-2 的规定。表 2-2 引燃温度分组组别 引燃温度 t/T1 450tT2 300t450T3 200t300T4 135t200T5 100t135T6 85t1002.1.4 爆炸危险场所的分类、分区和区域范围划分(一) 爆炸危险场所的分类爆炸危险场所按爆炸性物质的物态，分为气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两类。(二) 爆炸性气体环境的分区根据爆炸性气体环境出现的频率和持续时间把危险场所分为 0 区、1 区和 2 区三个区域等级。第 5 页xx 大学毕业设计说明书0 区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。1 区：在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。2 区：在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。(三) 爆炸性气体环境的区域范围划分爆炸性气体环境的区域划分应根据生产实际情况按照 GB 3836142000 和 GB 500581992 进行。2.1.5 仪表的防爆基于爆炸三角形原理，主要用于工业有效的防爆原理有：(1) 间隙防爆(2) 减小点燃能量防爆(3) 阻止点火源与爆炸性混合物接触防爆(4) 特定条件的安全措施防爆由上主要设法排除爆炸要素中的一个或者多个要素，使产生爆炸危险减少到可接受的程度。在国际、国内上防爆常用的防爆形式有：(1) 隔爆型（代号：d）隔爆型是外壳防爆，隔离存在的火源。隔爆仪器能承受已经进入内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且通过外壳上的任何接合面或空不会引燃一种或多种气体或蒸汽所形成的外部爆炸性环境的仪表设备。(2) 本安型（代号：i）本质安全型，限制点火能量。由本安仪表和关联设备组成本安电路，在规定试验条件下，正常工作或故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定爆炸性气体。(3) 增安型（代号：e）使用高质量绝缘材料、提高导线连接质量等措施降低火花或危险温度产生的可能或保护设备不能引燃爆炸性混合物。(4) 正压型（代号：p）保证内部保护气体的压力高于外部环境压力，以阻止在不含有可燃性气体释放源的外壳内形成爆炸性气体环境，以保证仪表电器周围气体混合物浓度保持在爆炸极限范围外。(5) 油浸型（代号：o）将设备或部件整个浸入保护液中，使设备不能点燃液面上或外壳外爆炸性气体。(6) 充沙型（代号：q）将能点燃爆炸性气体的导电部件固定在适当位置上,且完全埋入填充材料(石英或玻第 6 页xx 大学毕业设计说明书璃颗粒)中,以防止点燃外部爆炸性气体环境。(7) 浇封型（代号：m）将整台设备或其中部分浇封在浇封剂中,在正常运行和认可的过载或认可的故障下不能点燃周围的爆炸性混合物的电气设备(8)“n”型专门适合于 2 区爆炸性气体危险场所使用的电气设备防爆型式,具有这种型式的电气设备,在正常运行时和相应标准规定的一些条件下,不能点燃周围的爆炸性气体环境。2.2防爆仪表的设计根据爆炸危险区划分,GB 标准规定的防爆型式、气体组别、温度等级以及项目规定,就可以正确选择仪表的防爆等级。与此同时，防爆型的红外气体分析仪的设计，应根据需要测量分许气体的具体环境根据环境确定防爆形式。而防爆电气设备的选型是原则：(1) 防爆电气设备的选型原则是安全可靠、经济合理。(2) 防爆电气设备应根据爆炸危险区域的等级和爆炸危险物质的类别、级别和组别选型因而有根据区域类别、气体蒸气引燃温度确定仪表的防爆等级，从而进行防爆机箱的设计。2.2.1 爆炸危险区确定仪表防爆类型表 2-3 气体爆炸危险场所用电气设备防爆类型适用爆炸危险区域 电气设备防爆型式 防爆标志本质安全型(ia 级) Exia0 区为 0 区设计的特殊型 Exs适用于 0 区的防爆型式本质安全型(ib 级) Exib隔爆型 Exd增安型 Exe正压外壳型 Expx、Expy油浸型 Exo充砂型 Exq浇封型 Exm1 区为 1 区设计的特殊型 Exs适用于 0 区和 l 区的防爆型式2 区n 型 ExnA、ExnC、ExnR、ExnL、E第 7 页xx 大学毕业设计说明书xnZ正压外壳型 Expz为 2 区设计的特殊型 Exs注 1：对于标有“s”的特殊设备，应根据设备上标明适用的区域选用，并注意设备安装和使用的特殊条件。注 2：根据我国的实际情况，允许在 1 区中使用的“e”型设备仅限于：在正常运行中不产生火花、电弧或危险温度的接线盒和接线箱，包括主体为“d”或“m”型，接线部分为“e”型的电气产品；配置有合适热保护装置(见 GB 383632000 附录 D)的“e”型低压异步电动机(启动频繁和环境条件恶劣者除外)；单插头“e”型荧光灯。注 3：用正压保护的防爆型式：Px 型正压将正压外壳内的危险分类从 1 区降至非危险，或从类(煤矿井下危险区域)降至非危险的正压保护。Py 型正压将正压外壳内的危险分类从 1 区降至 2 区的正压保护。Pz 型正压将正压外壳内的危险分类从 2 区降至非危险的正压保护。注 4：符号A无火花设备；C有火花设备，触头采用除限制呼吸外壳、能量限制和 n-