第１５卷第３期 ２００５年９月中国环境管理干部学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ｏＦ ＥＭＣＣＶ０１．１５ＮＯ．３ Ｓｅｐ．２００５文章编号：１００８—８１３Ｉ ２００５）０３—０１２２—０３中图分类号：Ｘ８３文献标识码：Ａ室内有毒易爆气体的检测张立萍１，钱丹青２，张帆２（１．河北能源职业技术学院；２．唐山学院机电系，河北唐山０６３００４）ժ要：随着城市生活水平的提高，室内装修装饰日益普及。各种新材料的引入，使得室内的各种有害气体总量日益增加。长期生活在这样的环境下，会对人体健康产生极为不利的影响。 居民生活用煤气，在给人们生活带来便利的同时，作为一种可燃性、有毒气体室内有害气体检测，也具有极强的危 害性。因此，研制一种能检测多种有害气体的实用仪器，具有很大的应用价值。本仪器为便携 式多功能仪器，采用可充电电池供电，可以检测ｐｐｂ的挥发性气体，显示气体浓度值，也可检 测煤气，并具有声光报警功能。 关键词：光离子化检测；单片机；可燃气体检测；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随着人们生活水平的提高，居室的装修、各种 新材料、新产品的使用等不断增多，室内空气质量 存在的问题也随之产生，室内空气中有毒有机气 体（醛类、苯系物、多环芳烃类、卤代烃等）时有超标，即使单一浓度不超标，有机物总浓度也有可能 超标。

在毫无防护的条件下，这种潜在的危害会 导致身体不适，以及各种慢性疾病或病变。生活用煤气是一种易燃易爆气体，由于使用不当而引收稿日期：２００５—０７—１８ 作者简介：张立萍（１９６４一）女，唐山人，河北能源职业技术学院副教授，硕士。万 方数据２００５年第３期张立萍钱丹青张帆室内有毒易爆气体的检测发的事故屡见不鲜。随着家庭装修的日益普及和 复杂化氯气报警器，以及居民住宅煤气的普及，煤气和其它有 毒的有机气体的检测变成了一个急需解决的 问题。１处理的数字量。数字信号的处理采用单片机系统 实现‘引］。仪器的检测原理 根据气体的危害和性质不同，其检测原理也不相同口’２］。为了满足室内气体检测的要求，仪 器应具备可燃气体检测和有毒有机气体挥发物检 测功能。实现以上功能采用的传感器不同，其工 作原理也不同。 对于室内环境，煤气的检测选择低浓度的气 体传感器，即煤气的浓度低于爆炸限度（ＬＥＬ）。 为安全起见，一般设定可燃气体浓度在１０％和 ２０％ＬＥＬ时发出警报。１０％ＬＥＬ称作警告警报， 而２０％ＬＥＬ称作危险警报。 常见的以ＬＥＬ方式测量可燃气体浓度的传 感器是催化燃烧式气体传感器，对于低浓度测量， 它的精度很高，误差小于０．１％，目前应用十分广 泛。

该传感器为一个双路电桥检测单元，其中的 一个铂金丝电桥上涂有催化燃烧物质，不论何种 易燃气体，只要它能够被电极引燃，铂金丝电桥的 电阻就会由于温度变化发生改变，电阻变化导致 电桥输出电压的变化，电压信号经放大、滤波、Ａ／ Ｄ转换，通过微处理器可以计算出可燃气体的浓 度，并换算成为相对ＬＥＬ的百分数显示。 目前，对于特定的有毒气体的检测，使用最多 的是专用气体传感器。但由于室内挥发气体的复 杂性，往往是多种气体的混合物硫化氢检测仪，光离子化检测 （ＰＩＤ）方法可以检测多种有机毒气，ＰＩＤ方法检 测的结果可以是多种有机气体的综合值。若在光 离子化之前增加气体分离柱，ＰＩＤ方法也可分别 检测多种有毒气体，以满足不同功能的要求。 ＰＩＤ方法的工作原理如图１所示。ＰＩＤ使用紫外 灯光源将有机物离子化，检测器测量离子化了的 气体的电荷并将其转化为电流信号室内有害气体检测，然后电流被 放大并转化为电压信号。在微处理器控制下，采 集电压信号，可以计算出有机挥发性气体的浓 度值。 ２仪器的硬件结构 仪器的硬件结构如图２所示，传感器１用于 煤气检测，输出信号为电压。挥发性的、有毒有机 气体可以经气体分离柱分离后或直接进行光离子 化由传感器２检测，通过附加电路将信号变换为 电压。

通过放大、Ａ／Ｄ转换，转变成计算机可以图１ＰＩＤ工作原理图Ｉ募蒌Ｈ掌岩｜｛莱磊鬲五旧３仪器的软件结构传感器１Ｈ转换电路１卜ｌ数值放 大一 电 路Ａ／Ｄ一 Ｊ邑．１显示转 换片 机七善图２仪器硬件结构本文所设计的气体检测仪室内有害气体检测，其软件系统要能 独立的实现信号采集、数据处理、数值显示功能， 此外还具有与ＰＣ机通讯的功能，通过通讯接口， 可将测量浓度值输出给ＰＣ机，实现历史数据的 保存；也可通过与ＰＣ机的通讯接口，实现对检测 仪的计算模型参数的修改。实现数据处理的不同 算法。其中，单片机应用程序采用高级语言Ｃ５１ 进行编程，运行于ＰＣ机上的通讯接口程序则采 用Ｃ＋＋语言开发。软件系统结构如图３所示。单片机程序结构图３软件系统结构框图４仪器的数学模型及数据处理万 方数据中国环境管理干部学院学报２００５年９月作为便携式仪器，数学模型应尽可能简单、实 用。为此采用了分段的多项式最小二乘拟合模 型，分段点数目，ｚ可以根据精度要求选择，本文仅 分成两段。通过在ＰＣ机上进行数据拟合与仿真 实验，确定多项式的系数，并通过通讯接口，传送 到单片机，单片机即可根据相应的多项式系数进 行计算，将采样数据转换成浓度值。

拟合多项式次数的确定，主要考虑模型的可 推广性和计算量。多项式最高次数限定为３次， 这样便于多项式系数存储结构的标准化和求值计 算的标准化。多项式系数的确定采用最小二乘 法。设模型中某一段多项式的形式为： Ｃ—ｐ（ｚ）一Ｐｏ∥＋Ｐ１Ｘ２＋Ｐ２ｚ＋Ｐ３ 最小二乘法就是要求一组最优的参数Ｐ’一 ［夕。，Ｐ。，户：，Ｐ。］丁，使得相应的多项式满足误差平 方和最小。即： ５应用范围 本仪器是专为空气质量检测而设计的复合式 仪器，既可用于室内环境中的挥发性有机物的浓 度检测，又可用于煤气浓度测量。作为便携式仪图４多项式求值程序器，还可用于空气污染——痕量有机有毒气体的检测和空气质量评价，也可用于挥发性有机物紧 急泄漏和溢出检测、有毒废物现场检测、短时和瞬 时排放检测、地下储罐泄漏检测、石化炼油安全卫 生检测等。其中，煤气的浓度检测不适于高浓度 的场合。∑艿。＊２一∑Ｅｐ’（ｚｉ）一Ｃｉ］２ｉ＝０ｌ一０一ｍｉｎ≥：Ｅｐ（ｘ，）一Ｃｉ］２ｆ＝ｏ其中ｍ为拟合实验中的数据点数。 设模型由ｎ段多项式Ｐｉ（ｚ）（ｉ—ＩＬ以）表达， 则有卵～１个分段点硝，根据采样值ｚ与ｚｉ比较 即可确定ｉ。多项式系数存储在押×４的矩阵Ｐ 中，则Ｐ的第ｉ个行向量Ｐ。

，即为第ｉ段拟合多项 式系数。相应的浓度Ｃ计算如下：Ｃ＝Ｐ。（０）ｚ３＋夕：（１）ｚ２＋户。（２）ｚ＋户ｉ（３）参考文献 ［１］王化祥，张淑英．传感器原理及应用．（第二版）天津：天津大 学出版社，１９９９ ［２］王子平．正确设计可燃气体和有毒气体检测报警系统．石油 化工自动化，１９９８．１６４（４）：９—１３ Ｅ３３朱定华，戴汝平．单片微机原理与应用［Ｍ］．北京：清华大学出 版社，２００３ ［４］徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计［Ｍ］．北京：北京航 空航天大学出版社，１９９９为便于计算，上式可改写为：Ｃ—Ｐ：（３）＋（Ｐ：（２）＋（Ａ（１）＋Ｐ：（Ｏ）＊ｚ）＊ｚ）＊Ｚ相应计算可用下面的程序实现：［５］徐爱钧，彭秀华．单片机高级语言Ｃ５１ Ｗｉｎｄｏｗｓ环境编程与 应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００ｌ万 方数据室内有毒易爆气体的检测作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 张立萍， 钱丹青， 张帆， ZHANG Li-ping， QIAN Dan-qing， ZHANG Fan 张立萍,ZHANG Li-ping(河北能源职业技术学院)， 钱丹青,张帆,QIAN Dan-qing,ZHANG Fan(唐山学院机电系,河北,唐山,063004) 中国环境管理干部学院学报 JOURNAL OF ENVIRONMENTAL MANAGEMENT COLLEGE OF CHINA 2005,15(3)参考文献(5条) 1.徐爱钧;彭秀华 单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用 2001 2.徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计 1999 3.朱定华;戴汝平 单片微机原理与应用 2003 4.王子平 正确设计可燃气体和有毒气体检测报警系统 1998(04) 5.王化祥;张淑英 传感器原理及应用 1999本文链接：

腾元达编辑，转载请注明出处