文 献 综 述
- 研究背景及意义
氧气是人类生产生活中必不可少的气体，人类无法离开氧气而存活。氧气不仅在煤矿业中对煤矿的自燃起着关键作用，而且还作为一个医学上的生理体征参数广为应用。此外氧气作为一种助燃气体，一旦氧气使用不当，发生氧气泄漏导致氧气浓度超标，将引发严重的后果。
我国的煤炭主要通过地下开采，瓦斯矿井是我国矿井的主要类型。据相关统计，上个世纪末，国家重点煤矿中有一半以上的矿井有严重的煤炭自燃现象。并且绝大部分的矿井火灾都是由煤炭自燃引起[1]。矿井下的自燃现象多发生在贫氧条件下，一般氧气浓度在5%~15%的区间时易发生自燃[2]。根据我国煤矿安全规程的相关条例，在开展矿下作业前，必须要确保矿井中氧气浓度大于20%。
空气中的主要成分有氮气、氧气、二氧化碳等，适当增加空气中的氧气含量，不仅有益于人体健康，而且能提高舒适度。人体血液中氧气的含量直接关系到人体的健康状态，当周围氧气浓度达到26.7%时，血氧含量趋于最佳状态，此时非常有利于人体的健康[4]。
氧气是维持燃烧的必要条件之一，易燃材料在氧气浓度较高时会燃烧的更加剧烈，甚至发生爆燃。氧气还经常作为化工原料和助燃剂应用于工业生产中。氧气虽不可燃烧，但若使用不当，也会造成巨大危害。近年来，因非正确使用氧气而造成的事故不断发生。2015年9月，贵州水城县一个废品收购点因工人操作不当致氧气罐爆裂，致3死1伤。
因此，不管是煤矿业开采煤矿的过程中排除瓦斯及煤气泄漏防止煤矿自燃，还是个人提高生活质量促进身体健康，以及相关行业对氧气的安全存放及正确使用，都对氧气浓度测量系统有很大需求[5]。本课题设计的气体浓度测量系统，可实时、便捷地检测氧气浓度，还可设置气体浓度报警阈值，若浓度超过高低报警阈值则进行声光二重报警，使用者可根据报警信息做出反应，防止安全事故的发生。由于采用了无线数据传输和移动平台检测模块，故可在控制室实时、便捷地在移动设备或PC平台上监测氧气浓度，提高系统的安全性和适用性。
- 国内外气体检测仪器发展现状
最早需要检测装置来检测危险气体的人群是煤矿工人[6]，矿井下气体种类繁多，有些有毒有害，有些易燃易爆，还可能出现氧气不足的情况[7]。而低氧条件下不仅容易引发煤矿自燃，而且还会导致工人因缺氧而发生晕倒，危及生命安全。早期，矿工会利用小动物，比如麻雀、小鸡等放入待开采的矿井内，用它们来测试井下氧气浓度是否适合矿工矿下作业，之后又出现了能够测量氧气浓度的比色管。
上个世纪末，随着电子技术的飞速发展，气体浓度测量仪器的研发也取得了相应的进展。各种新型的气体测量原理和方法不断涌现，氧气浓度测量仪按照使用方式可分为固定式、穿戴式、便携式。固定式气体测量仪是将气体测量仪器固定在待测环境内，持续监测被测气体；穿戴式气体检测仪是在进入有毒有害测量环境内使用；便携式气体测量仪用于工作人员定期定点对待测气体环境进行安全监测，轻便小巧方便随身携带。按照测量本质可以分为利用物理性质的测量方法、利用物理化学性质的测量方法和利用电化学性质的测量方法。物理测量方法包括热传导原理测量、光干涉原理测量、红外吸收原理测量等；物理化学测量方法包括半导体原理测量、催化燃烧原理测量、固体热导原理测量等；电化学性质测量方法包括定电位电解式测量、迦伐尼电池式测量、隔膜离子电极式测量、固定电解质式测量等[8]。
我国气体浓度测量系统的研究起步较晚，但发展迅猛、技术成长快。国内研发的测量仪如香港希玛仪器仪表有限公司生产的希玛泵吸式氧气浓度检测仪能实时检测并显示氧气浓度，适用于高海拔作业、矿下作业、科研实验项目、工业测氧等场所。可根据要求实现特殊场合测量的需要，该气体测量仪具有体积小、重量轻、携带方便、操作简单、稳定可靠的特点，同时可根据用户需要设置报警上下限，并提供声、光、震三重报警和LCD大屏显示功能[10]。目前，国内的气体浓度测量设备虽技术相对不够成熟，但售价便宜，性能稳定，可达到国家的标准要求，且售后比较方便。国内气体检测设备设计生产主要公司有北京华瑞科力恒、天津费加罗、广东斯柯森等。
国外在研究气体测量设备上起步早，发展快，技术相对成熟。如美国博达公司研发的PortaSensⅡ（C16）便携式气体检测仪能在现场检测当前环境中的有毒气体和有害气体，常用于各种环境条件下的有毒有害气体检测以及石油化工企业等储运、泄露检测等。该仪器的特点是它能通过更换相应的传感器模块检测多种类型的气体，一台检测仪与不同传感器结合使用，便可检测不同的气体。该种检测仪的传感器卸载安装方便，不需频繁校准。检测量程可在最大量程与最小量程范围内任意调整，同时可设置1，5，10，15分钟的存储间隔。通过RS-232接口并配合相应的软件可实现与PC端的数据传输。相较于国内，国外的气体浓度测量设备功能强大，安全可靠，产品操作更加方便，界面更加详细，但其价格相对昂贵，售后不便。国外顶尖的气体检测设备设计生产公司有美国GASTECH公司、法国OLDHAM公司、日本新宇宙公司等。
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