甲烷气体检测仪设计-文献综述

第1页文献综述1.课题背景室内空气品质(IndoorAirQuality,IAQ)是上世纪80年代末在环境科学、卫生学、暖通空调(HVAC)等学科基础上发展起来的一个科学分支，在90年代以来得到了广泛的重视与研究1。在室内空气品质讨论会上，丹麦哥本哈根大学教授P.O.Fang提出:品质反映人们要求的程度，人们如果对空气质量满意，就是高品质。如果不满意，那就是低品质。英国学者认为:若室内能察觉到任何气味的人少于50%，感觉到任何不适的人少于20%，感觉到有刺激性的人少于10%，并且在不足2%的时间内感到烦躁的人少于5%，那么就可以认为此时的室内空气质量是可以被接受的2。这两种完全不同的定义是有共同点的，就是让室内的空气质量彻底成为人们的主观感受。在ASHRAE标准G2-1989R中，首次提出了能被接受的室内空气质量(acceptableindoorairquality)和可感受到的能被接受的室内空气质量(acceptableperceivedindoorairquality)等概念。其中，能被接受的室内空气质量定义如下：密闭房间内绝大部分人对室的内空气表示满意，并且在空气中已知的污染物没有达到可能会对人体健康造成危害的浓度；可感受到的能被接受的室内空气质量定义如下：密闭房间内绝大部分人没有感觉到有气味或者说感觉到黏膜刺激。它是能被接受的室内空气质量的非充分必要条件3。由于有些气体，如CO，人们很难察觉到，不仅没有气味没有颜色，而且对人体也没有刺激作用，不会被人感受到，但却对人危害很大，因而仅用可感受到的能被接受的室内空气质量是不够的，必须同时引入能被接受的室内空气质量。因此，空气的质量评价实际上也是人为感受到的与客观有害气体浓度指标的综合评价4。伴随着我们的生活水平日渐提高还有对环境、健康等问题的日益关注，室内的空气质量情况也越来越多地受到关注。由于现在的生活节奏在变快，我们在家里、办公室内等室内环境的停留时间也越来越多了。在西方的发达国家，如果把工作、休闲、居住的时间全部都加起来，那么可以得到人们在室内停留的时间要占到全天的91%左右。而在我们国家，这个数据竟也超过了全天的85%，室内空气的质量直接影响着我们的身体健康状况5。恶劣的室内空气环境是大多数不良建筑物综合症的罪魁祸首。美国环境保护局(EPA)与世界卫生组织(WHO)进行的联合调查表明，美国大约有20%的建筑存在严重的室内空气污染情况，40%有一定程度的室内空气污染状况，另外的40%则有轻微或没有室内空气污染的情况。美国环境健康总署的调查则显示，室内主内空气污染常常是室外空气污染浓度的2到3倍之多，在冬季缺乏通风、使用燃料取暖炉等情况下尤甚，这一数值甚第2页至能高达90倍6。一般的家庭室内可以检测到的污染物多达300种，而有57%的人的疾病与室内空气污染有关。美国职业安全及健康局的报告认为，在美国，企业因室内空气恶劣造成的工时损失平均每人每日约14-15分钟7。2.研究目的与现状2.1.研究目的和意义仅以人类自身来说，其日常生活和工作都与周围的大气环境密切相关，大气的变化对人类健康有极大的影响。空气中还有有毒气体，会给人类带来直接的人身伤害。可燃气体的泄露会引起爆炸和火灾使人类的生命和财产遭受威胁。随着工业规模逐渐扩大，产品种类的不断增多，气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量也不断增多，尤其是石油化工煤炭以及汽车等重工业的发展，导致环境污染日益严重8。臭氧层破坏、酸雨以及温室效应成为当代最为严峻的环境污染问题。环境的严重污染开始威胁到了人们的生存。所以，对人们生活以及工作环境中的各类气体进行有效的检测、分析是很有必要的。由之前的研究可以发现，室内空气污染的问题越来越突出，直接威胁着人体的健康。人在有污染的室内环境中长时间停留和活动，人体很容易就会出现各种不适感，主要症状有头痛流鼻涕眩晕记忆力衰退以及行动迟缓等。世界卫生组织将这种现象或者说症状称为“致病建筑物综合症”。根据资料的显示，在刚装修好的室内环境中常见的有害物质有300多种，而其中会对人的健康造成危害的、甚至是致癌的物质有20多种，这其中主要有苯甲苯二甲苯乙苯等易挥发的有机气体9。其次，易燃易爆气体也是不容忽视的有害气体。如果此方面未能够得到有效控制与管理的话，为其所引发的后果付出的代价是极为巨大的。由以上内容可以看到，易燃易爆有毒气体等问题已经严重危害人们的生命和财产安全，并且影响社会的安全和发展。解决这些问题的关键，是迅速、准确、有效地检测到这些有害气体，这便是气敏传感器发展的客观依据。2.2.研究现状与存在的问题气体的种类繁多，有些有毒有害，有些易燃易爆。人类的生存和活动环境全离不开气体。为了保证家庭氛围气体的质量和安全，离不开准确，有效的气体探测报警的意思是：许多工作过程（如钢铁，矿山和汽车行业）要求严格监控相关的气体或者快速的调整，否则就有可能会发生重大的事故和损失。由于天然气和人类的生存和活动的关系非第3页常的紧密，人类很早就开始研究气体的极早期检测和控制方法。目前，烟、救、茶等食品的质量主要是靠人的感官来进行判断，感官评定主要依赖人的生理和心理条件，经验也是不可或缺的一部分，这本身也是一门精巧的技术。这些工作往往需要训练有素，经验丰富的人才可以进行，并且标识仅会带来大量的人为主观因素。在某种意义上说，由于经验，情绪等主观因素的影响，感官评价方法评价结果将具有由于不同的识别人员的相当大的个体差异，即使在不同的情况相同的识别者会产生不同的结果。因此，人的感觉器官的主观性，重复性较差（即，其结果与试验时间，健康状况，之前的分析，疲劳，以及其它因素的波动），花费人力巨大和费时等缺点。此外，人的感觉器官，不能用于检测有毒气味，连续操作条件和遥控操作的情况。此外，科学家有时利用比较廉价、简便的化学或生化传感器，有时又利用昂贵复杂的化学分析仪器，如气相色谱仪(GC)和质谱仪(MS)，对有毒和无毒气味进行分析。两种方法的共同缺点是测试结果不是直接与识别的气味相关的。分析化学家们用气相色谱仪和质谱仪(GC/MS)的检测结果同样如此。此外，气相色谱仪和质谱仪还有系统结构复杂、操作繁琐、造价昂贵、测试周期长、不能进行连续检测、需要人力来进行干预才能进行分析等缺点10。2.2.1研究现状我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后很长时间内仍是主要能源。近年来，重大瓦斯事故在煤炭生产事故中所占比例越来越高。为避免瓦斯爆炸事故，做好瓦斯的检测工作是一个重要举措，提前掌握煤矿瓦斯浓度的变化，一旦出现异常，及时采取相应措施，以保障煤矿的生产安全。瓦斯是煤矿开采的伴生物，瓦斯是对煤矿井下各类有害气体的总称，瓦斯主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）等。在这些有毒有害气体中，甲烷的含量占到了80%以上，所以习惯将甲烷称为瓦斯11。发生瓦斯事故的原因有很多方面，出来加强监管，对矿井里的瓦斯进行长期、可靠的实时监测可以期待很好的预防作用。所以，研究开发相应迅速、长期稳定可靠的煤炭瓦斯（甲烷）气体传感器，对于确保煤矿工业生产有非常重要的意义。到目前为止，已经有许多技术来实现甲烷检测。检测方法主要有催化燃烧法、半导体气敏法、红外光谱法、气相色谱法和光纤传感法等。第4页3.课题途径及步骤本课题主要采用MQ-9气体传感器采集气体信息，经由信号放大电路将采集到的微弱信号转化为0-5V的电压信号，再由ADC0809芯片将模拟信号转化为数字信号传送到STC89C52单片机内，最后由单片机将数据处理，显示到4位数码管。课题实施主要分为：资料收集及当前研究现状分析、气体的识别与检测、实验与仿真等几个阶段。4.可能遇到的问题及应变措施（1）在设计到实验检测阶段缺少甲烷气体进行实际检测拟采取措施：用家里的天然气灶或者含有甲烷成分的打火机来进行检测。（2）由于本设计采用的是MQ-9气体传感器检测甲烷气体，因此在检测甲烷的同时气体中同时含有一氧化碳或是丙烷等其它气体，就会对甲烷浓度的检测产生干扰，让检测结果与实际产生偏差。拟采取措施：在没有一氧化碳等气体的环境下检测甲烷气体。第5页参考文献1孙福生，张丽君.环境检测实验M.化学工业出版社,20092曲建翘，薛丰松.室内空气质量检验方法指南Z.中国标准出版社,20093蔡宏道.现代环境卫生学M.人民卫生出版社,20114吴忠标，赵伟荣.室内空气污染净化技术M.北京环境科学与工程出版中心,20115王胜娥.甲烷海量的检测以及甲烷传感器的研究J.湖南大学出版社,20126刘广玉，陈明，吴志鹤.新型传感器技术及应用M.北京航空航天大学,20