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第１５卷第３期 ２００５年９月中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)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(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ室內(nèi)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(shù)學(xué)院；２．唐山學(xué)院機(jī)電系，河北唐山０６３００４）?要：隨著城市生活水平的提高，室內(nèi)裝修裝飾日益普及。各種新材料的引入，使得室內(nèi)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(chǎn)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(nèi)有害氣體檢測，也具有極強(qiáng)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(yīng)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(guān)鍵詞：光離子化檢測；單片機(jī)；可燃?xì)怏w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(chǎn)品的使用等不斷增多，室內(nèi)空氣質(zhì)量 存在的問題也隨之產(chǎn)生，室內(nèi)空氣中有毒有機(jī)氣 體（醛類、苯系物、多環(huán)芳烴類、鹵代烴等）時有超標(biāo)，即使單一濃度不超標(biāo)，有機(jī)物總濃度也有可能 超標(biāo)。

在毫無防護(hù)的條件下，這種潛在的危害會 導(dǎo)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(dāng)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(shù)學(xué)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(nèi)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(fù)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(jī)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(jī)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(zhì)不同，其檢測原理也不相同口’２］。為了滿足室內(nèi)氣體檢測的要求，儀 器應(yīng)具備可燃?xì)怏w檢測和有毒有機(jī)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(nèi)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(shè)定可燃?xì)怏w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?xì)怏w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(yīng)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(zhì)，不論何種 易燃?xì)怏w，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(dǎo)致 電橋輸出電壓的變化，電壓信號經(jīng)放大、濾波、Ａ／ Ｄ轉(zhuǎn)換，通過微處理器可以計算出可燃?xì)怏w的濃 度，并換算成為相對ＬＥＬ的百分?jǐn)?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(nèi)揮發(fā)氣體的復(fù) 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(jī)毒氣，ＰＩＤ方法檢 測的結(jié)果可以是多種有機(jī)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(jī)物離子化，檢測器測量離子化了的 氣體的電荷并將其轉(zhuǎn)化為電流信號室內(nèi)有害氣體檢測，然后電流被 放大并轉(zhuǎn)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(jī)揮發(fā)性氣體的濃 度值。 ２儀器的硬件結(jié)構(gòu) 儀器的硬件結(jié)構(gòu)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(jī) 氣體可以經(jīng)氣體分離柱分離后或直接進(jìn)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(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成計算機(jī)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(jié)構(gòu)傳感器１Ｈ轉(zhuǎn)換電路１卜ｌ數(shù)值放 大一 電 路Ａ／Ｄ一 Ｊ邑．１顯示轉(zhuǎn) 換片 機(jī)七善圖２儀器硬件結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計的氣體檢測儀室內(nèi)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(jī)通訊的功能，通過通訊接口， 可將測量濃度值輸出給ＰＣ機(jī)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的 保存；也可通過與ＰＣ機(jī)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(jī)應(yīng)用程序采用高級語言Ｃ５１ 進(jìn)行編程，運(yùn)行于ＰＣ機(jī)上的通訊接口程序則采 用Ｃ＋＋語言開發(fā)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖３所示。單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖３軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖４儀器的數(shù)學(xué)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(xué)院學(xué)報２００５年９月作為便攜式儀器，數(shù)學(xué)模型應(yīng)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(jī)上進(jìn)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(jī)，單片機(jī)即可根據(jù)相應(yīng)的多項式系數(shù)進(jìn) 行計算，將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和求值計 算的標(biāo)準(zhǔn)化。多項式系數(shù)的確定采用最小二乘 法。設(shè)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(yīng)的多項式滿足誤差平 方和最小。即： ５應(yīng)用范圍 本儀器是專為空氣質(zhì)量檢測而設(shè)計的復(fù)合式 儀器，既可用于室內(nèi)環(huán)境中的揮發(fā)性有機(jī)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(jī)有毒氣體的檢測和空氣質(zhì)量評價，也可用于揮發(fā)性有機(jī)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(shè)模型由ｎ段多項式Ｐｉ（ｚ）（ｉ—ＩＬ以）表達(dá)， 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(yīng)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(xiàn) ［１］王化祥，張淑英．傳感器原理及應(yīng)用．（第二版）天津：天津大 學(xué)出版社，１９９９ ［２］王子平．正確設(shè)計可燃?xì)怏w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(jī)原理與應(yīng)用［Ｍ］．北京：清華大學(xué)出 版社，２００３ ［４］徐愛鈞．智能化測量控制儀表原理與設(shè)計［Ｍ］．北京：北京航 空航天大學(xué)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(yīng)計算可用下面的程序?qū)崿F(xiàn)：［５］徐愛鈞，彭秀華．單片機(jī)高級語言Ｃ５１ Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境編程與 應(yīng)用［Ｍ］．北京：電子工業(yè)出版社，２００ｌ萬 方數(shù)據(jù)室內(nèi)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(shù)學(xué)院)， 錢丹青,張帆,QIAN Dan-qing,ZHANG Fan(唐山學(xué)院機(jī)電系,河北,唐山,063004) 中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報 JOURNAL OF ENVIRONMENTAL MANAGEMENT COLLEGE OF CHINA 2005,15(3)參考文獻(xiàn)(5條) 1.徐愛鈞;彭秀華 單片機(jī)高級語言C51 Windows環(huán)境編程與應(yīng)用 2001 2.徐愛鈞 智能化測量控制儀表原理與設(shè)計 1999 3.朱定華;戴汝平 單片微機(jī)原理與應(yīng)用 2003 4.王子平 正確設(shè)計可燃?xì)怏w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(yīng)用 1999本文鏈接：

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