甲烷教学设计免费

甲烷教学设计免费（通用8篇）

篇1：甲烷教学设计免费

《最简单的有机化合物—甲烷》教学设计

执教人：李琴

引入：以低碳经济作为切入点，引出了在低碳经济背景下日益受到大家重视的能源物质——甲烷。

师：安排同学们预习教材P60-62页，完成导学案相关内容（除“取代反应中”第一小问“实验现象”一栏和“迁移应用”部分）生：完成导学案规定内容并进行小组讨论

师：组织同学们就讨论结果进行相关问题的展示，并给予适当的点评。

作用：使学生通过自主学习，初步了解这节课即将要学习的内容——甲烷的结构及性质。师：就本节的重难点进行讲解 1．甲烷的物理性质及存在

师：除了天然气，沼气、石油气、煤矿坑道气（瓦斯、坑气）、可燃冰等也都含有甲烷，那么日常生活中可以看到的天然气是什么颜色，有什么味道？

分析问题：借助日常生活中天然气的外观，讲解甲烷是无色无味的气体，以及其密度和溶解性。

解决问题：无色无味，密度比水小，极难溶于水。师：据其物理性质，思考甲烷如何收集？

作用：引导学生学习、掌握甲烷的物理性质。将理论化学和生活化学联系起来的教学方法，让学生对所学知识产生亲切感，增加学习兴趣。

2、甲烷的分子式与结构式

提出问题：甲烷的化学表达式怎么写，空间结构？

引导思维：利用球棍模型将甲烷分子结构形象化，引导学生思考并写出甲烷的分子式与结构式。

分析并解决问题：给出甲烷的分子式（CH4）与结构式、电子式的图片。根据图示，分析甲烷的分子式以及电子式。甲烷是一碳原子为中心，四个氢原子在四个顶点上的正四面体。

作用：引导学生学习并掌握甲烷的分子式与结构式。

3、甲烷的化学性质

在学生解甲烷物理性质的基础上，将重点放在甲烷的化学性质上。回应前面所讲的“结构决定性质”，接着引导学生通过结构理解甲烷的有关化学性质：

（1）甲烷的可燃性决定了它有什么用途呢？有什么优点呢？写反应方程式，介绍爆炸极限问题，以甲烷作能源为例讲解科学与社会的关系，渗透环保、能源问题。关心社会，并让学生思考矿井生产为了避免瓦斯爆炸应该采取的安全措施是什么？补充演示甲烷通入高锰酸钾溶液的反应。

（2）甲烷的取代反应是本节的一个难点，也是学生第一次接触有机反应类型，对于实验的处理，由于教材上演示实验现象不利于后排学生观察，播放实验录像：（取代反应实验：用排饱和食盐水法将甲烷和氯气依次收集在100ml的量筒中，其中甲烷20ml，氯气80ml，光照。)观察实验现象，并完成导学案相关内容，在实验的基础上，先使学生有一个甲烷分子中氢原子能被其他原子取代的印象，然后再通过给出甲烷与氯气反应的几步方程式，向学生说明甲烷分子中的氢原子不仅一个能够被取代，而且全部可以被取代，进而讲清取代反应的确切涵义。结合球棍模型和电脑模拟，帮助学生理解取代反应的实质。通过电脑模拟，把抽象的内容形象化，学生学习兴趣大，对取代反应的实质的理解也更深刻，对学生不明白的地方还可以反复播放。

4、小结

1、甲烷的空间构型：

2、甲烷的物理性质和存在形

3、甲烷的化学性质：可燃性

甲烷的取代反应

5、作业

课本64-65页1.2.9.10

五、板书设计

第一节 最简单的有机化合物——甲烷（第一课时）

一、甲烷的分子组成和结构

1、分子式：CH4

2、电子式：

3、结构式：

4、结构简式：CH4

5、甲烷分子结构：对称的正四面体结构。

二、甲烷的性质

（1）、物理性质： 无色无味、密度比空气小，极难溶于水的气体。

（2）、甲烷的化学性质

1、甲烷的氧化反应—燃烧反应

点燃

CO2(g)+2H2O(l)

CH4(g)+2O2(g)

现象：火焰呈淡蓝色、烧杯内壁有水珠、澄清石灰水变混浊。

2、甲烷的取代反应

取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应叫取代反应。取代反应是烷烃的特征反应，但反应物必须是纯卤素，条件也较特别。

篇2：甲烷教学设计免费

1、教学内容：甲烷

2、教学目标：（1）知识与技能：

①了解甲烷在自然界中的存在和用途； ②认识甲烷的正四面体结构； ③了解甲烷的物理性质和化学性质。（2）过程与方法：

①通过实验培养学生的观察分析能力，提高研究性学习的能力；

②让学生体会由结构推性质和由性质推结构的过程与方法，形成严谨的学习态度。

（3）情感态度与价值观：

①通过学生已有知识顺利进行初、高中知识的自然衔接，消除学生对高中有机化学的不适应心理，并利用有机化学的入门学习，激发学生学习有机化学的兴趣；

②培养学生严谨的科学态度和积极的探索精神；③渗透实事求是和透过现象看本质的辩证唯物主义思想。

3、教学重点、难点： 重点：甲烷的结构特点和甲烷的化学性质。

难点: 甲烷的结构和甲烷的取代反应

4、教学方法：讲授、讨论、实验探究、小组合作、类比等教学方法。

5、教学过程：

【引入】在前面的学习中，我们学习了化学的一大模块——无机化学，从今天开始，我们将进入化学另一个模块——有机化学的学习。

【讲述】有机化学主要是研究一些有机化合物的结构、性质与制备的学科，那么什么又是有机化合物呢？其实，有机化合物就是指含有碳元素的化合物，简称有机物。有机化合物有两个基本特点：数量众多，分布极广。但由于CO、CO2、H2CO3及其盐、氢氰酸（HCN）及其盐、硫氰酸（HSCN）及其盐等与无机化合物的性质与结构相似，所以把他们归入了无机化合物之列。

【提问】有机化合物中是否只含有碳元素吗？

【讲述】答案是否定的，顾名思义，化合物自然是含有两种或两种以上元素的纯净物，有机化合物不只是含有碳元素，它还含有氢、氧、氮、硫、磷、卤素等。其中仅含有碳、氢元素的有机化合物叫做烃。

【过渡】今天我们就一起来学习最简单的烃，也是最简单的有机化合物——甲烷 【板书】第一节最简单的有机化合物——甲烷 【板书】

一、甲烷在自然界中的存在及其分子结构

【引入】我们都知道我们国家正在实施一项重大的能源工程——“西气东输”工程。【提问】大家知道“西气东输”工程里面的气指的是什么吗？ 【学生回答】天然气 【讲述】很好，这项工程主要是将新疆、甘肃等地丰富的天然气资源，通过管道东输到长江三角洲，最终到达上海的一项巨大工程。由于天然气是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，所以我们国家才不惜重金把它从新疆那么遥远的地方引过来。天然气它的主要成分了就是甲烷，其实自然界中甲烷不只单单存在于天然气中，在沼气、油田气和煤矿坑道气中甲烷也是他们的主要成分。

【PPT展示】【板书】

1、甲烷在自然界中的存在 ①沼气 ②天然气 ③煤矿坑道气（瓦斯）④油田气 【板书】

2、分子结构

【过渡】通过我们在初中的学习，我们知道甲烷的分子式为CH4，根据我们第一所学化学键的知识写出甲烷的电子式 【PPT展示】【板书】1）、甲烷的电子式

如果我们将电子式中的一对共用电子用一条短线表示得到的式子叫结构式。【板书】结构式：将电子式中的一对共用电子用一条短线表示得到的式子。那么甲烷用结构式来表示的话我们就可以把它表示成这个样子 【PPT展示】【板书】2）、甲烷的结构式

【提问】我们知道了甲烷的分子式和结构式，那么甲烷分子的结构到底是不是和它的结构式一样呢？

【实践】下面我们就动起手来，利用我们手上的橡皮泥和牙签，搭建出你想象中的甲烷的空间结构。搭建出来后想一下以下两个问题： 【PPT展示】

1、如果我们用一个X原子替代甲烷分子其中的一个氢原子，有几 种可能？

2、如果我们用两个X原子替代甲烷分子其中的两个氢原子，又有几种可能？ 找几个同学问一下他们做出来的模型的空间几何结构。

【讲述】通过我们科学家精确的实验测定发现，如果我们用两个X原子替代甲烷分子其中的两个氢原子，其结果只有一种空间结构，那现在甲烷它的空间结构该是那一种呢？你们动手做一下，用两个X原子替代甲烷分子其中的两个氢原子，其结构只有一种，看看应该是哪一种结构。

【学生回答】正四面体

【PPT展示】甲烷的正四面体结构、球棍模型及比例模型。

【讲述】很好，如果我们用两个X原子替代甲烷分子其中的两个氢原子，其结果只有一种空间结构的话，那么甲烷的空间结构肯定就是正四面体了；如果它是一个平面正方形或者四棱锥的空间结构，那么用两个X原子替代甲烷分子其中的两个氢原子相邻和相对肯定是两种不同的结构，如果我们用两个X原子替代甲烷分子其中的两个氢原子，其结果只有一种空间结构的话，那么甲烷的空间结构肯定就是正四面体。在这种结构中，每个C-H与C-H都是等价的，且他们之间的夹角也就是键角为109º28’。

【过渡】好，看完了甲烷的结构，接下来我们来看一下甲烷的性质。【板书】

二、甲烷的性质 1）、物理性质 【讲述】【PPT展示】通常情况下，甲烷是一种无色、无味的气体，密度比空气密度小为0.717g/L(标准状况)，极难溶于水。

【过渡】这些就是甲烷的一些物理性质，接下来我们来看一下它的化学性质。我们常说结构决定性质，那么甲烷稳定的正四面体结构决定了它有那些化学性质呢？

【板书】

2、化学性质

1)、稳定性甲烷稳定的正四面体结构决定了甲烷通常情况下是比较稳定的，如与强酸、强碱和强氧化剂等一般不发生化学反应。

【板书】【PPT展示】与强酸、强碱和强氧化剂等一般不发生化学反应。【讲述】甲烷的稳定性是由它具有正四面体结构的稳定结构决定的。

【过渡】但任何物质的稳定性都是相对的，而它的变化是绝对的，内因是变化的根据，外因是变化的条件，一旦外部条件发生变化，甲烷也能发生反应。比如在 特定条件下甲烷能与某些物质发生化学反应，如可以燃烧和发生取代反应等。下面我们就一起来看一下甲烷的燃烧反应。【板书】2）、甲烷的氧化反应——燃烧反应

【讲述】甲烷是一种优良的气体燃料，通常情况下1mol甲烷在空气中完全燃烧，生成水和 CO2,放出890kJ的热量, 火焰呈淡蓝色。【板书】CH4(g)+2O2(g)2(g)+2H2O(l)下面请同学们阅读课本P61资料卡片并思考以下两个问题：

1）怎么检验甲烷燃烧生成的产物？甲烷燃烧产物是二氧化碳和水，可以通过将干燥烧杯罩在甲烷的火焰上，之后倒转烧杯迅速倒入澄清石灰水来检验。（2）点燃甲烷前应有什么操作？ 2）【总结归纳】点燃甲烷前应该验纯，这就提醒我们，在使用任何可燃性气体前一定要进行验纯，否则他们与空气混合达到一定的比例的时候就会发生爆炸。

3）【提问】如果你发现你家里面使用的煤气或天然气发生泄漏的话，你将怎么进行查漏呢？

4）【讲述】我们应该先打开门窗，让可燃性气体在室内的浓度，同时关闭煤气或天然气的总阀门，并且要到户外去打电话进行求救，切勿触动任何电器开关(如开、关灯)、在室內使用电话或手机、使用火柴或打火机、按动邻居的门铃、开启任何煤气用具，直至漏气情况得到控制。5）那么我们该怎么来检验这两种物质呢？

6）【过渡】接下来我们来看一下甲烷的另一个重要的化学性质 7）【板书】3）、甲烷的取代反应（特征反应）

8）【讲述】甲烷在通常情况下不与强氧化剂反应，但在特定的条件下甲烷是可以与一些氧化剂发生反应的。如在光照的条件下就可以与氯气发生反应。下面我们一起来看一个甲烷与氯气反应的视屏。9）【提问】在这个实验视屏你看到了些什么现象 10）【总结】色变浅、水上升、出油滴。为什么会出现这些现象呢，这是因为甲烷与氯气发生反应生成了能溶于水的氯化氢与不溶于水的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷等油状液体。其生成一氯甲烷的化学方程式为： 11）12）【板书】氯气 一取代

【讲述】在上述反应中生成的一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷不是直接一次性完成的，而它们是一个连锁的反应，反应中生成的一氯甲烷又可与氯气进一步反应，依次生成难溶于水的油状液体二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）、四氯甲烷（四氯化碳——是一种很好的灭火剂），注意：有机反应方程式用“→”，不用“ = ”。

13）14）【讲述】仿照生成一氯甲烷化学方程式，尝试 写出一氯甲烷与氯气进一步反应的化学方程式

【板书】二三四取代 【讲述】在常温下，一氯甲烷是气体，二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷是液体。【讲述】在上述反应中甲烷分子中的4个H原子逐一被Cl原子所代替生成了4 种四种不同的取代物，像这种有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应叫取代反应。

【板书】取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应叫取代反应。

【讲述】甲烷在光照下除与氯气发生取代反应以外，还能与其它气态．．卤素单质发生反应，它与氟气的反应更容易，与溴蒸气．．的反应更困难，与碘蒸气几乎不反应。但甲烷不能与氯水、溴水等反应，使氯水、溴水等褪色。

【提问与思考】

1、在甲烷与氯气的取代反应中那种生成物最多？

2、如何验证HCl的生成呢？

3、有什么物质可以证明甲烷结构是正四面体而不是正方形？

4、取代反应与置换反应有何区别？ 【PPT展示】【小结】

1、甲烷分子的结构特点；说明“甲烷分子是正四面体结构”最基本的实验事实是什么？

2、甲烷主要存在于那些物质中，有什么样的物理性质

3、甲烷的化学性质有哪些？

4、什么是取代反应？它与置换反应有什么区别？

附：板书设计第一节最简单的有机化合物——甲烷

一、甲烷在自然界中的存在及其分子结构

1、甲烷在自然界中的存在2、甲烷的分子结构

分子式：CH4电子式：

结构式：将电子式中的一对共用电子用一条短线表示得到的式子结构式：

3、空间结构：正四面体，键角109°28′。

二、甲烷性质：

1）、物理性质：P61

三、甲烷的化学性质：通常情况下，甲烷稳定

1、甲烷的氧化反应（燃烧反应）

2、甲烷的取代反应（特征反应）

篇3：红外甲烷浓度测量仪设计

红外气体传感器以其检测精度高、检测范围宽、重复性好、不易老化等优点,被广泛应用于矿井安全监测、石油勘探、污染源监测等领域[1]。在煤矿瓦斯抽放系统中,利用气体传感器可以有效降低瓦斯爆炸事故发生概率。甲烷浓度传感器按照检测原理可以分为以下4类:电学类、电化学类、光离子化类、光学类。电学类传感器又分为接触燃烧式和半导体气体传感器,该类传感器存在寿命短、催化剂容易“中毒”、选择性差、标定过程复杂、误报率高等缺点;电化学类传感器按工作原理可分为可控电位电解式、原电池式、电量式和离子电极式,它们存在易受外界温度影响、使用寿命较短、电解液易致传感器失效等缺点;光离子化类传感器本身不具备气体选择性,只能通过后续的校正或运用程序算法上的补偿实现对某一种气体的测量,且测量范围窄;光学类气体传感器可以分为光干涉式、光纤式、红外光谱吸收式等,其中以红外吸收式传感器应用最广,红外光谱吸收法是目前最精确的气体浓度检测方法。

与其他方法相比较,红外光谱吸收法具有选择性强、测量范围广、分离速度快、检测灵敏度高等优点,但存在测量结果受温度变化影响较大的问题。由于温度对测量精度影响较大,当前国内基于气相色谱法设计的甲烷浓度检测仪的测量精度不高。因此,本文提出一种补偿算法,以消除温度对甲烷浓度测量精度的影响,并基于该算法设计了一种可以实时在线检测的高精度红外甲烷浓度测量仪。

1甲烷浓度测量原理

甲烷气体对3.31μm窄波段红外光线具有独特的吸收光谱[2],在该波段,甲烷气体对红外光谱的吸收率与气体浓度存在确定关系。红外甲烷传感器根据这种关系来检测甲烷气体浓度。

1.1红外光谱吸收原理

当特定波段的红外光线穿过某气体时,若红外光线的频率与气体分子的运动频率一致,气体就吸收红外光线的辐射能,产生选择性能级跃迁,其中能级跃迁最强的红外光线的频率即为气体分子的特征频率(特征波长)。大部分气体分子都具备特征波长,不同气体的吸收波段不会交叉、重合,具有唯一不变性。非对 称双原子 和多原子 气体分子 (如CH4,SO2,CO等)的特征波长集中在红外光区1~15μm波段,也称气体指纹区[3]。

1.2红外甲烷传感器工作原理

红外甲烷传感器内部组件包括双元双补偿热释电红外探测器[4,5]、红外光源以及密封气室。红外光源的辐射功率经气室光学放大后,将热释电红外探测器输出的信号增加至足够大,降低了放大器电路对低噪声的要求。气室内部结构如图1所示。

甲烷经传感器顶端的颗粒过滤膜进入采样气室。依靠表面的光线能量变化,由内部的热释电红外探测器输出信号。气室内部的红外光源呈周期性通断,光源开通 后,探测器测 量信号明 显变化,约200~500ms(典型值)后信号达峰值,关断光源,探测器测量信号产生相反曲线。光源开通和关断后,信号达峰值的时间均为200~500 ms。因此,最合适的脉冲驱动信号是频率为1~2.5 Hz、占空比为50%的方波。

主控制器输出一个频率为1 Hz、占空比为1∶1的周期性方波,用于控制红外光源的驱动电路,使红外光源周期性通断。探测器的输出信号经过信号调理电路送入主控制器的AD转换电路,由主控制器进行后续处理,计算甲烷浓度值。

1.3甲烷浓度测量方法

双元双补偿热释电红外探测器有2个独立工作电路:测量电路和参考电路。每个工作电路都包含1个由2个极性相反的滤光片和1个高电阻组成的并联电路,外电路源极输出端(2脚和4脚)对地接10~-40kΩ电阻。红外探测器3脚接电源,1脚接地,其内部电路如图2所示。

测量电路安装有3.31μm滤光片,参考电路安装有3.9μm滤光片。甲烷对于3.31μm窄波段处的红外光有吸收作用,根据朗伯- 比尔定律[6,7],测量电路源极的输出信号为

甲烷对于3.9μm波长的红外光基本没有吸收作用,因此,参考电路源极的输出信号近似为

式中:K1和K2为红外探测器2个工作电路的比例因子;I1和I2为红外光线到达2个电路时的光强;K为甲烷对于红外光线的吸收系数;C为甲烷体积分数;L为气室长度。

由式(1)和式(2)可推出:

对于确定 的气室,K和L都是确定 的,可设-1/(KL)为常数k;比例因子K1和K2对于红外甲烷传感器是特定的实际参数,可通过测试标定或软件确定实际数值,设-lnK1+lnK2 为常量a;I1和I2也可看作常量,设-lnI1+lnI2 为常量b;用变量x替代lnU1-lnU2,则式(4)可转化为

式(5)表明双元双补偿热释电红外探测器2路输出的相关变量x与甲烷体积分数C之间是线性关系。实际应用时只要确定k,a,b的值,就能根据传感器的电信号计算甲烷浓度。

2红外甲烷浓度测量仪硬件设计

红外甲烷浓度测量仪包括红外光源驱动电路、前置放大电 路、滤波电路 以及偏置 电路,如图3所示。

红外光源驱动电路由主控制器控制,对红外甲烷传感器内部的红外光源进行调制,保证周期性。甲烷浓度信号前置放大电路将传感器输出的微弱电压信号进行一定的放大。滤波电路由1个二阶低通滤波器和1个二阶高频滤波器组成,对甲烷浓度信号进行选通。偏置电路对甲烷浓度信号的电压进行提升,以获得完整的交流量。

2.1红外光源驱动电路

红外光源LED灯的正、负极分别与接线端子的引脚2和引脚1对应连接。主控制器通过输出高低电平控制电路中的光耦LED通断,进而控制红外光源通断。高电平时光耦LED导通、发光,光耦的感应端产生感应电流,三极管集电极在R90上产生的电压使红外光源截止、不发光;低电平时光耦LED截止、不发光,光耦的感应端不产生感应电流,5 V电压只作用于红外光源和电阻R90,红外光源导通、发光。红外光源驱动电路如图4所示。

2.2前置放大电路

红外甲烷传感器的输出信号较小,测量端输出电压约为±50 mV,参考端电 压约为±30 mV,因此,测量前要先对信号进行放大。综合考虑电路的功耗、噪声、信号间的匹配,选择OP07CP运算放大器[8]作为甲烷浓度信号调理电路的运放芯片。前置放大电路如图5所示。

前置放大电路中,R61是信号的输入电阻;电容C64对信号的直流部分进行隔离,使运放只放大随红外光源变化的交流信号,同时使信号反相。正向比例放大电路的电压放大倍数为

2.3滤波电路

甲烷浓度信号经放大后强度达到了几百毫伏,需进行滤波处理,以减小测量误差。滤波电路由高、低通滤波器组成,分别用于去除低频和高频噪声。二阶高、低通滤波器电路分别如图6、图7所示。

图6中的低频截止频率计算公式为

图7中的高频截止频率计算公式为

根据式(7)和式(8)计算出滤波电路的低频截止频率约为0.75Hz,高频截止频率约为4.23Hz。滤波电路有效地滤除了甲烷浓度信号中夹杂的高频和低频干扰,对1~2.5 Hz的甲烷浓度信号具有很好的选择性。

2.4偏置电路

信号经放大和滤波后还存在负的交流分量,对信号进行电压偏置来得到完整的交流信号,使主控制器获得的电压信号全为正值。偏置电压产生电路如图8所示。

偏置电压计算公式为

根据式(9)可计算出偏置电压为0.76V。经过电压跟随器使偏置电压输出更稳定之后,再输入偏置电路。偏置电路如图9所示。

偏置电路输出电压计算公式为

式中:Ui为偏置电路输入电压。

甲烷浓度信号在前置放大电路中被反向,通过偏置电路后,电压得到0.76V的提升,保证了测量、参考信号都是正值,且在主控制器AD量程内。

3红外甲烷浓度测量仪软件设计

3.1AD 转换

使用STM32F107VCT6的ADC1转换器对信号进行AD转换。首先进行ADC的初始化,包括设置工作模式、数据对齐方式、是否工作在连续模式、触发方式、进行规则转换的通道数。初始化后设置ADC的采样周期、使能及校准,然后通过软件启动AD转换。AD转换子程序流程如图10所示。

3.2零点及线性温度补偿

在井下实际应用中,红外甲烷浓度测量仪的现场工作环境复杂,温度变化大,温度会影响测量数值的准确性。温度与双元双补偿热释电红外探测器2路输出的比值具有线性关系,满足基于朗伯-比尔定律[7]的温度补偿公式:

式中:表示温度补偿后的比值;α为温度补偿计算系数,其值取决于传感器特性[9];T为当前温度;T0为参考点温度。

在无甲烷气体(即零点状态)和标准甲烷气体(即线性状态)环境下,传感器的测量值会随温度的升高而增大[10,11]。因此,在进行数据处理时,相应的零点和线性状态都需要进行温度补偿。零点和线性温度补偿模型如图11所示。

3.3温度补偿算法

温度补偿计算变量为测量电压(Uact)、参考电压(Uref)和当前温度(Ttemp)。通过主控制器对甲烷浓度测量和参考信号进行采样,得到当前甲烷浓度的测量电压和参考电压。当前温度通过温度传感器DS18B20获得。温度补偿算法流程如图12所示。

实际测量电压与参考电压的比值为

式中:(Uact/Uref)temp表示温度补偿后测量电压与参考电压的比值。

根据式 (12)对Uact/Uref进行温度 补偿,若是零点则进行零点补偿。再根据Uact/Uref和甲烷体积分数C之间的关系(式(5))算出C。由于Uact/Uref和甲烷体积分数C不是严格线性关系,所以要采用折线法,即人为标定10个不同浓度样点的Uact/Uref值存储在主控制器的FLASH中,在程序计算时将Uact/Uref与存储值进行比较,选最近的2个浓度点计算斜率和截距,求出当前甲烷浓度。

4实验分析

4.1温度补偿实验

使用体积分数为2%的甲烷样气在不同温度下进行测量实验,验证测量仪的温度补偿效果。分析测量结果并算出不同温度下甲烷样气在温度补偿前后的测量 误差值,根据绝对 误差公式e(x* )=|x-x*|和相对误差公式er(x*)=e(x*)/x得出测量误差,其中x表示实际值,x* 表示测量值。测试结果见表1。从表1可得:在10~40℃范围内,测量仪测得的甲烷浓度随环境温度升高而增大。在温度补偿前,温度变化越大,甲烷浓度测量误差越大,误差范围为3%~11.5%;温度补偿后,甲烷浓度随环境温度变化很小,误差范围为0~2.5%。实验结果表明,加入温度补偿后效果很好。

4.2甲烷浓度测量

在测量甲烷浓度前,调整红外调制输出波形,输出峰值为1.13V的方波信号,使每个方波周期为1s,频率为1Hz。在实验室环境(室温25℃)下对体积分数为0~10%的甲烷样气进行采集实验,测量结果见表2。

根据表2绘制相应 的电压及 比值曲线,如图13、图14所示。由图13可观察出测量电压与参考电压的变化趋势:待测环境中,甲烷浓度逐渐变大时,测量电压逐渐减小,参考电压基本持平。因为随甲烷浓度的增加,气体对红外辐射的吸收量增多,使红外辐射能量 衰减,从而导致 测量电压 减小。由图14可得,待测环境中,Uact/Uref与甲烷浓度之间近似满足线性关系。

5结语

篇4：“初学有机物—甲烷”教学设计

1.知识与技能（1）知道甲烷的结构式、认识甲烷分子的正四面体结构； （2）了解甲烷的主要化学性质（取代反应的特点）。

2.过程与方法（1）运用模型制作、实验探究、观察、交流讨论等手段，结合多媒体提高学生的综合能力和形成有机化学的学习思想；（2）通过对甲烷分子结构的认识，初步体会有机物分子结构的特点及其对性质的影响。

3.情感态度价值观：通过甲烷性质的学习，激发学生对有机化学领域的学习兴趣，体验科学探究的喜悦，并体会有机物在生活、生产中的重要研究价值。

【教学重点】 甲烷的结构特点和甲烷的取代反应。

【教学难点】 建立有机物立体结构模型，将甲烷的结构特点、有机物的成键特点从实物模型转换为学生头脑中的思维模型，帮助学生从化学键的层面认识甲烷的结构和性质。

【教法与学法】

1.教学方法探究式教学，激发学生的主体情感；创设情境，并与实验探究、学生小组活动探究、多媒体展示等有机的结合。

2.学习方法学生积极动手实践，观察、思考、分析、归纳、验证。

【教学环节】

环节一问题引入

师：请同学们列举身边接触到的有机物。

生1（预设）：豆油、塑料、淀粉、……等。

生2（预设）：蔗糖、酒精、脂肪、……等。

创设意图：让学生从身边找化学，激发学生对有机化学学习的兴趣。

师：[导入新课]播放中国与俄罗斯领导人关于天然气鉴定协议的新闻视频来创设情境引出本节的主角——甲烷。

生（预设）：表情恍然大悟，原来国家西气东输工程中的主要成分是甲烷！

师：我们这节课学习的内容就是甲烷。为了合理开发并利用这些新能源，就有必要研究天然气主要成分甲烷的结构和性质。

[板书]最简单的有机化合物——甲烷

设计意图：引入主题。学生对有机物甲烷形成初步认识，求知情趣更浓。

环节二甲烷的结构探究

师：[设问]首先我们探讨一下甲烷分子中各个原子在空间中是如何分布的？

[板书]一、甲烷的空间结构

生（预设）：学生积极活跃，热烈讨论，猜想甲烷的空间结构。

设计意图： 让学生发散思维，提出各种猜想，激发探究的欲望。

提供材料：橡皮泥（红、黄、白等不同颜色）、若干小短棍。

师：[指导活动]请同学们每两个人一组，用橡皮泥（红、黄、白等颜色）、小短棍拼插出所猜想的CH4分子结构模型。

生（预设）：[动手实践]学生拼插出了两种主要的结构模型：

生1：甲烷结构是平面正方形，碳原子在正方形的中心，4个氢原子在正方形的四个顶点上。

生2：甲烷的结构是正四面体结构，碳原子在正四面体的中心，而4个氢原子在正四面体的四个顶点上。

师：[追问]同学们展示的两种不同模型究竟是哪种对呢？

[引导]同学们翻看课本第61页，最上面一段话的描述：甲烷分子中4个C-H，长度和强度相同，夹角相等。再判断这两种模型结构，你会有什么收获？

设计意图：适当引导，降低难度，让学生找出正确答案。

生（预设）：学生分组激烈讨论，得出正确答案：甲烷属于正四面体结构。

师：[讲解]甲烷分子中的C-H的键角要求相等，若是平面正方形结构相邻的C-H夹角为90°，而相对的C-H夹角为180°。所以平面结构不对。

[Flash演示一]甲烷分子的球棍模型，比例模型。

设计意图：Flash演示代替语言描述分子构型，形象逼真，让学生从微观角度看清了甲烷分子中的各原子排布，学生理解其物质结构更清晰明了。

师：[深入讲解]从甲烷在空间中分子稳定性上来看，正四面体结构更稳定，甲烷分子中的四个C-H键是等价的，如果我们把每一个C-H键都看作一个气球，可从下面的演示中理解。

[气球演示一]把四个大小相同的气球系在一起，结果四个气球并不在一个平面上，而是在空间中呈立体分布。

设计意图：知识迁移，触类旁通，进一步加深对空间结构的理解。

环节三甲烷的性质

师：[过渡]结构决定性质，甲烷的结构决定其特有性质。

甲烷具有哪些化学性质？

[板书]二、甲烷的化学性质

[演示实验二]教师将先前由气球收集好的甲烷分别通入盛有稀硫酸（滴有紫色石蕊）、酸性高锰酸钾溶液、氢氧化钠溶液（滴有酚酞）的三支试管中，观察现象。

生（预设）：兴趣极浓、睁大眼睛，仔细观察试管中颜色变化。发现三支试管颜色无变化。

师：[总结归纳]通常情况下，甲烷的化学性质较稳定，与强酸、强碱、强氧化剂不反应。

设计意图：通过教师的演示实验，既节约时间，又增加了学生的感性认识，培育了学生的观察能力和分析能力。

师：[继续追问]甲烷还有其它的化学性质吗？

教师指导学生参照课本第61页[科学探究]。

[实验改进]用2支注射器分别盛有收集好的甲烷和氯气，用橡皮管连接好。将一支注射器中的气体慢慢推入至另一支注射器中形成混合气体。

每实验小组按以上要求操作。其中一支注射器用黑布套住，另一支注射器用手电筒强光照射。

生：[实验探究] 学生每4人一组，分工又合作，动手实验，对比观察现象。

师：巡视指导，参与其中。

设计意图：培养学生实验中既分工又协作的团队精神。

生（预设）：[回答]

生1：混合气体无光照时，不发生反应。

生2：光照时，试管内气体颜色变浅，试管壁上出现了少量油状液滴。

生3[疑问]： 课本上说光照时试管中有少量白雾（HCl）生成，为什么观察不到呢？

师：[演示实验三] 用蘸有浓氯水的玻璃棒靠近注射器的一端（其一端连接橡胶管，用止水夹夹住），打开止水夹。

观察到有大量白烟产生。

[追问]为什么产生白烟？

生（预设）：[异口同声] 因为有HCl生成。

学生3的疑问不攻自破。

师：[讲解] 以上各种现象证明：光照条件下，甲烷与氯气发生了化学反应，我们称该化学反应为取代反应。

[板书] （一）取代反应

[Flash动画]依次演示甲烷与氯气发生的一系列取代反应的过程，并请同学们从化学键的角度体会取代反应的机理。

师：[深入讲解]由以上动画可以从微观的化学键层面理解，当甲烷与氯气分子在光照下相遇时，氯气分子中的非极性共价键断裂，形成两个氯原子，甲烷分子中的任一碳氢原子间的极性键也断裂，形成一个氢原子； 其中的一个氯原子代替了甲烷分子中的这个氢原子，从而生成了一氯甲烷。一氯甲烷分子中还有三个氢原子与氯气发生同样的取代反应，依次 生成二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷。

设计意图：通过深入讲解，让学生突破了重难点，达到了教学目的。

师生：[知识共鸣] 甲烷作为烷烃的代表物，取代反应是其典型的化学反应。

师：[总结归纳]

1.回顾本节课的重点难点。

2.提炼学习有机物的一般思维方法和过程。

生（预设）：回顾知识并记忆，总结学习有机物的思路。

篇5：(公开课)甲烷教学设计

最简单的有机化合物——甲烷

第一课时——甲烷的化学性 化学组 王英

一、教学目标：  知识与技能：

1．了解甲烷在自然界中的存在和用途； 2．认识甲烷的正四面体结构； 3．了解甲烷的物理性质和化学性质。 过程与方法：

1．通过观察甲烷分子的空间构型模型、观看甲烷发生取代反应的多媒体模拟反应历程，增强学生对甲烷分子空间构型这类抽象的知识的理解，提高空间思维能力；

2．让学生体会由结构推性质和由性质推结构的过程与方法，形成严谨的学习态度。 情感态度与价值观：

1．使学生初步掌握研究物质的方法—结构解析、推测物质可能的性质，培养学生严谨的科学态度和积极的探索精神；

2．与日常生活紧密结合，了解甲烷对于人类日常生活及身体健康的重要性，形成环保意识及关心能源、社会问题的意识。

二、教学重点、难点：



重点：甲烷的结构特点和甲烷的化学性质。



难点: 甲烷的结构和甲烷的取代反应

三、教学方法：

讲授、讨论、实验探究、多媒体辅助、小组合作、类比等教学方法。

四、教学用具：

PPT课件，课本P61“科学探究”中的相关实验仪器及药品

五、教学过程：

 环节一：导入新课（1分钟）

【新闻导入新课】有关2014年7月8日新疆“大黄山”瓦斯爆炸新闻导入课题。

【过渡】新闻中的“气”指什么气体？主要成分是什么？为了合理开发并利用这些新能源,我们今天要来研

究天然气的利用以及它的主要成分甲烷的性质.。【板书】§3-1 最简单的有机物——甲烷

【介绍】本节课学习目标 及本节课重难点。

 环节二：自主学习检测

【讲】现在我们以抽签题号答题方式进行。并讲述答题规则。

【课件】展示7个数字，让点到名字的学生任意选择题号准确答题。（4分钟）

1、甲烷的存在（C层次学生回答）

2、甲烷的物理性质

3、甲烷的组成与结构（C、B层次学生上黑板写）

化学式：____________ 电子式：____________ 结构式：____________空间结构：___________

4、甲烷的稳定性

5、是一道空题，给学生惊喜，且能加上1分

6、甲烷的氧化性

7、取代反应概念的理解

【学生板书】1.分子式：CH4

2.电子式：

3.结构式：

CH4（g）+ 2O2（g）

【评价】教师点评并用课件展示答案。 环节三：重点、难点探究 

1、甲烷的分子构型

【过渡】能不能通过结构式得出甲烷的分子构型就是平面正方形呢？

【合作探究1】探究问题：能不能通过结构式得出甲烷的分子构型就是平面正方形呢？为什么？如果不是，那甲烷分子中的原子在空间是如何分布的？要求：小组讨论2分钟，展示答案不超过2分钟。【小组讨论】（2分钟）

【A层次学生展示答案】不能，如果是平面正方形结构，C—H键之间的夹角是90°和180°，再有，甲烷分子中4个C—H键的长度和强度都是相等的，且每两个C—H键之间的夹角，都是109°28′,也相等。不符合客观事实。甲烷应该是正四面体结构，其中碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子分别位于正四面体的顶点。【教师点评】分析得很好，本组可以加上3分。

【补充】这样看来甲烷的结构式并不能代表其真实的空间构型，但是为了简便起见，一般只写有机物的平面结构式。 【展示】为了加深同学们理解和记忆，我们再一起来观察甲烷分子的球棍模型和比例模型。（实物展示）甲烷分子的球棍模型和比例模型：【动画】演示甲烷正四面体结构。

CO2（g）+ 2H2O（l）

【小结】甲烷的结构特点：甲烷分子是以碳原子为中心，四个氢原子为顶点的正四面体结构，其中四个C—H键 的键长都是相等的、键角都是109°28′。【课件】展示甲烷的结构特点。 小试牛刀

【课堂练习】能够证明甲烷分子空间结构为正四面体的事实是（D）

A.甲烷的四个碳氢键的键能相等 B.甲烷的四个碳氢键的键长相等 C.甲烷的一氯代物（CH3Cl）只有一种 D.甲烷的二氯代物（CH2Cl2）只有一种



2、甲烷的性质

【过渡】我们知道，物质的结构决定其性质，那么甲烷的正四面体型结构决定其具有哪些化学性质？ 【板书】性质

1.甲烷的物理性质略（自学测试环节已经讲述不再重复）

2、甲烷化学性质 【板书】

【过渡】同学们都知道酸性高锰酸钾溶液氧化性很强，那甲烷能否也一样能使酸性高锰酸钾溶液褪色？现在我们就一起来观看这个实验现象。

【实验视频】把甲烷通入盛有酸性高锰酸钾溶液中，观察紫色的高锰酸钾溶液是否褪色。

【实验现象】酸性高锰酸钾溶液没有褪色。

【结论】不仅仅是酸性高锰酸钾，把甲烷通入溴水中、强酸强碱也都不发生反应。

【引导】我们知道，化学反应的实质是旧键的断裂和新键的形成。甲烷与强酸强碱强氧化剂不发生反应，说明什么？

【学生答】甲烷分子中的C—H键比较牢固，不易断裂，所以通常条件下，甲烷性质稳定。【板书】（1）.通常条件下，性质稳定。

【过渡】我们都知道一般有机物都可以燃烧生成CO2和H2O，同样最简单的有机物——甲烷也可以与氧气在点燃条件下反应生成CO2和H2O。

【板书】（2）.氧化反应

CH42O2点燃CO22H2O

【引导】现在请同学们注意观察甲烷气体燃烧时的想象，并思考如何检验其燃烧产物。【实验视频】甲烷的燃烧。

【合作探究2】如何验证甲烷的燃烧产物？（1分钟）

【学生展示】在火焰的正上方罩一冷而干燥的烧杯，看到烧杯内壁上有水滴生产，将烧杯快速倒过来，往烧杯中加入澄清石灰水，振荡，石灰水变浑浊。说明产物有水、二氧化碳。【学生点评】说出该学生的观点。

【师点评】两个小组同学都很认真，回答正确，给他们都加上3分。【讲】甲烷燃烧产物是CO2和H2O，无污染，且放出大量热，是很好的气体燃料，现在有很多出租车用的就是

天然气，经济又环保。可以造福于人类。但必须注意，如果空气中甲烷含量达到5%-15%时，遇到火花就会立即爆炸，所以煤矿矿井里必须采取安全措施，如通风、严禁烟火等，以防止甲烷与空气混合物的爆炸事故发生。因此，甲烷气体在点燃前需要验纯。

【设疑]】请大家观察这个化学反应方程式与我们以前学习的有什么不同？是什么原因呢？

【学生回答】化学方程式中间用（箭头）而不是用（等号），这主要因为有机物参加的化学反应往往比较复杂，副反应比较多，我们写出来的是其主要反应。

【过渡】甲烷除了能在点燃条件下与氧气发生氧化反应外，还能在光照条件下，与氯气发生反应。【板书】3.甲烷的取代反应

【讲】在看这个实验视频前，交给同学们两个任务：

一、观察并描述实验现象；

二、思考产生现象的原因。【实验视频】甲烷和氯气在光照条件下的取代反应。

【描述】现象： 氯气的黄绿色逐渐变浅；量筒内壁产生油状液滴

；量筒内液面上升 ； 量筒内有少量白雾。【课件】展示实验条件：光照；

实验现象：1.氯气的黄绿色逐渐变浅；2.量筒内壁产生油状液滴

；3.量筒内液面上升 ；4量筒内有少量白雾。【合作探究3】分析产生这些实验现象的原因。（2分钟）

【展示答案】颜色变浅，说明CH4和Cl2的混合气体在光照下发生了化学反应；量筒壁上出现油滴，说明反应中 生成了新油状物质；试管内液面上升，说明随着反应的进行，试管内的压强在减小，即气体总体积在减小；

量筒内有少量白雾，说明有HCl生成。【学生点评】说出该学生的观点。

【师点评】两个小组同学都很认真，回答正确，给他们都加上3分。

（动画模拟）学生观看甲烷与氯气发生取代反应的教学动画，教师一边解释反应原理。

【讲】上述反应没有到此终止，CH3Cl与Cl2继续依次反应。现在请同学们试写出其余方程式。

光

光

光

【学生板书】 CH3Cl＋Cl2――→CH2Cl2＋HCl；CH2Cl2＋Cl2――→CHCl3＋HCl；CHCl3＋Cl2――→CCl4＋HCl

止，那甲烷与氯气的产物应该有几种？哪一种物质最多？

【答】五种，生成了四种有机物，一种无机物氯化氢，氯化氢最多。

【讲】这四种取代产物都难溶于水，常温下，一氯甲烷是气体，另外三种都是油状液体。【讲】甲烷与氯气的取代反应是一种连琐反应，第一步反应一开始，后续反应立即进行，且前面的反应也没有停【过渡】刚才我们用方程式分析了甲烷与氯气的取代反应，再通过动画来模拟这个反应，请同学们归纳取代反应的概念。

【动画演示】甲烷与氯气的四步取代反应

【学生】像这样，有机物分子里的原子或原子团被其它原子或原子团替代的反应，被称为——取代反应。【课件】判断下列反应属于取代反应的是（）高温A．CH4――→C＋2H2 B．2HI＋Cl2===2HCl＋I2 点燃C．CH4＋2O2――→CO2＋2H2O 光D．CH4＋Cl2――→CH3Cl＋HCl 【小结】从以上几个取代反应，我们可以看出，取代反应的反应物可以有单质，也可以没有单质，生成物一般没有单质,而置换反应的反应物和生成物都有单质，取代反应和置换反应是不同的。

【强调】甲烷发生取代反应常注意的问题。

【课件】甲烷取代反应注意：反应条件是光照，暗处不发生反应，日光直射会爆炸；反应物是纯卤素；取代产物是4中卤代物的混合物。

【过渡】性质决定用途，甲烷燃烧放出大量热，可以做燃料，甲烷的取代反应有什么应用吗? 【讲】反应生成的一氯甲烷可做局部麻醉剂，三氯甲烷，四氯甲烷都是重要的有机溶剂，四氯化碳还可做灭火剂。所以说甲烷是化工生产的重要原料。

【合作探究4】学生总结本节主要内容。【板书】

四、用途

1.清洁能源

2.化工原料

【讲】甲烷的用途还不止这些，同学们有兴趣的话，可以在网上收集整理甲烷的更多用途。【总结】总结本节课所讲的相关内容。【布置作业】《化学固学案》P129相应习题。【板书设计】

第一节：最简单的有机化合物——甲烷

一、甲烷的结构

结构式 ：用短线来表示一对共用电子的图式叫结构式

立体结构：正四面体型

二、甲烷的物理性质

无色、无味，密度比空气小，极难溶于水，容易燃烧的气体。

三、甲烷的化学性质

1、氧化反应

CH4（g）+ 2O2（g）

CO2（g）+ 2H2O（l）

2、取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应

篇6：甲烷教学反思

伊宁县二中林晓红

这堂课是学生首次接触有机化学，对于有机的学习还没有思路，更没有学习的基础。从无机化学到有机化学的学习，学生会觉得困难。所以，有条理，有方向，引起学生的学习兴趣尤为重要，能帮助学生后期有机的学习形成好习惯。

课后反思：问题的设置是课堂成功的关键，而问题要能激发学生的学习兴趣。所以，为了引发学生的学习兴趣，我从身边熟知的新闻入手，便于激发学生的兴趣，热情，还有学生的思考积极性。然后介绍天然气的存在，俗称，以及物理性质。同时做一个铺垫，让学生明白为什么要西气东输。

进入正式课题以后，关键是帮助学生建立学习有机化学的方法，以及培养其建立模型的空间思维能力，体现在本节课上便是甲烷空间构性的建立。通过球棍模型的摆置，视频的播放，并通过学生的参与探究，并展示自己制作的模型，以及二氯甲烷的球棍模型，帮助学生清楚掌握甲烷的构型是正四面体，而不是平面构型。

本节课的另一个重点及难点内容----取代，也是以探究的形式展开的。由于甲烷取代反应实验现象不是很明显，所以，教学中我用了视频，让学生看到反应过程，并设置了相关问题。但是，实验现象还是不够明显，不能达到探究的明显效果，也没有让学会参与进来，效果没有取得预想的效果。从反馈上看，学生掌握的还不错。由于课堂容量大，内容较多，课后练习没时间完成，这是本节课最大的遗憾。

篇7：《甲烷》教学反思

研究甲烷结构时，学生之间相互讨论，相互评价课前学生制作的甲烷模型，课堂气氛轻松活泼，学习效果较好;当学习到甲烷的性质──氧化反应时，及时解释了新闻报道中煤矿的矿井发生瓦斯爆炸的原因，并指导学生阅读教材上的资料卡片等教学资源，让学生认识到甲烷点燃前必须检验其纯度。

本节课的另一个重点及难点的内容――取代反应，由于取代反应的实验现象不是很明显，所以在实际的教学实践中，用了视频片段让学生清楚地看到反应的过程，也用真实的实验予以支撑，并设置了相关探究问题，以期望学生能够积极参与近来。但是其具体实施过程还不能够完全让学生参与进来，所以还不能完全体现探究的成果。此方面需做进一步的改进和再设计，以达到学生最大程度理解和掌握的目的。从课堂上反馈的信息可知，学生对取代反应和初中学过的置换反应、复分解反应概念模糊不清，须课后通过练习强化。

篇8：甲烷教学设计免费

甲烷是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分,约占天然气成分的87%。甲烷在标准压力的室温环境中,是无色无味气体,是一种日常生活中普遍使用的很重要的燃料。同时甲烷也是重要的工业原料,大量应用于合成氨、尿素和炭黑的工业生产,也可用于生产甲醇、氢、乙炔、乙烯、甲醛、二硫化碳、硝基甲烷、氢氰酸和1,4-丁二醇等[1,2],与国民经济及人民生活息息相关。

甲烷气体对人基本无毒,但其含量浓度过高时,会造成空气中的氧气含量降低,导致窒息。当空气中甲烷含量达到25%～30%时,可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸及心跳加速、共济失调等症状,若不及时远离,可能导致死亡。我国规定其接触限值MAC为250mg/m3。甲烷气体属于易燃易爆物质,爆炸上限为15.4%(V/V),爆炸下限为5.0%(V/V),闪点为-188℃,引燃温度为538℃[2,3]。我国国家标准《常用危险化学品的分类及标志》(GB13690-92)将其划分为第2.1类易燃气体。

天然气的输运越来越多地采用管道运输的方式[4]。管道在运行过程中受到多种内、外因素的干扰,如管道材料腐蚀、加工制造缺陷、施工遗留隐患、第三方破坏等等,从而可能导致天然气泄漏[5]。在城镇人口密集区,天然气的泄漏、积聚可能造成严重的爆燃事故,危及人身和财产安全[6]。例如,2013年发生的“11·22青岛输油管道爆炸”事件,主要原因就是山东青岛中石化东黄输油管道泄漏原油进入市政排水暗渠,在形成密闭空间的暗渠内油气(主要是甲烷成分)积聚遇火花发生爆炸。事故造成62人死亡、136人受伤,直接经济损失7.5亿元[7]。天然气管道输运距离长,经由的城镇人口密集区多,特别是对一些长期服役的老旧管道,疏于维护,危险性大,但目前对其全区域监测还缺乏必要的技术手段和设备[8,9]。本文对移动式甲烷检测及远程处置系统进行了研究和开发,以期为天然气事故防范提供技术支持。

1 系统构成

本系统设计目标为,实现对特定区域中(例如埋地天然气管道沿线,城镇管井等相对密闭空间等区域)可能存在的甲烷气体的泄漏、积聚的日常快速巡检和处置。因为采用移动快速检测的方式,移动现场的信息处理受到诸如供电、空间、设备、人员等等因素制约,处理能力有限,而应急处置事关重大,其形势研判、报警级别和实施时机都至关重要,如果决策不当,可能造成灾难性后果,必须科学地严肃对待。因此,将本系统主要划分为两个部分组成,其一为现场移动式快速甲烷检测模块,其二为远程处置模块。

移动式快速甲烷检测模块,主要实现对甲烷气体浓度的快速检测,获取甲烷浓度含量、地理坐标、检测时间、移动速度、报警信号等现场信息,这些信息被实时发送至位于主控制室的远程处置模块进行处理。

远程处置模块,实时接收移动检测模块发送的数据,然后进行相应的计算处理,视必要时分发信息或发布应急处置指令。

以上两个模块之间通过公用无线网络实现信息交互。二者之间关系如图1所示。

两个模块,分别由现场主控制器和远程主控制器分别控制。现场主控制器选用16位单片机,远程主控制器选用工业控制机或普通PC机。其组成如图2所示。

2 移动式甲烷检测

2.1 移动方式

对甲烷气体的日常巡检,其地理范围一般比较大,这就要求设备移动快捷、高效。因此移动方式优先选用汽车车载方式,视不同情况也可以考虑摩托车、轻便电动车、电动自行车、手推车等等。但移动方式选择时应注意如下问题:

1)供电容量。可以提供12V直流电源,供电电流5A以上。

2)足够的设备安装空间。

3)移动速度限制。移动速度与检测器的响应速度紧密关联。例如,当移动时速为36km/hr,即l0m/s时,如果检测器响应速度为2s,则理论上设备的空间分辨率为20m;如果检测器响应速度提升至0.5s,则设备的空间分辨率相应减小为5m。

2.2 甲烷检测器的选择

2.2.1 甲烷检测器的主要技术要求

对本文中设计的移动巡检设备,适用的甲烷检测器至少应具有如下特点:

1)巡检设备的空间分辨率越低则漏检率越高。如前所述,巡检设备的空间分辨率与其选用的甲烷检测器的响应速度相关,为减小漏检率,希望甲烷检测器的响应速度越高越好,最好优于0.5s。

2)探测目标大多为诸如埋地管道的甲烷泄漏、近似密闭空间的甲烷积聚等等,对于泄漏初期或封闭状态较好的空间,逸出的甲烷浓度通常不太高。因此为及时发现隐患,要求甲烷探测器灵敏度高,最好达到ppm量级。

3)在移动巡检中,环境中各种气体成分含量较复杂,特别是在城镇街道等场所,存在严重的汽车尾气的影响。要求设备对甲烷气体的检测特异性强,也就是仅对甲烷气体有反应。否则环境气体可能影响探测准确性,出现较高误报率,降低了实用性。

2.2.2 目前普遍应用的甲烷检测器的主要不足点

目前普遍使用的甲烷气体探测器,主要采用两类传感器,分别是电化学传感器和非分光红外(NDIR)传感器。它们存在以下不足[10]:

1)响应速度慢。以上两类常用探测器的T90时间通常高达15s以上。T90时间在业内用于衡量传感器的响应速度,其定义为从被测量物发生阶跃变化的瞬间起,至测量指示达到两个稳态值之差的90%为止,期间所经过的时间,以T90标注。

2)灵敏度不够高。灵敏度只能达到100ppm左右。

3)容易受其他气体成分干扰,特异性不好。

2.2.3 系统中甲烷检测器的选择

本文设计的系统中,选用可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,简称TDLAS)的传感器[11]作为甲烷检测器。可调谐半导体激光器的光谱线宽很窄、具有波长随注入电流而改变的特性,以此通过测量甲烷分子的吸收光谱及其强度变化,获取甲烷气体浓度。TDLAS技术具有如下优点:

1)在保证灵敏度的情况下,理论上TDLAS技术的时间分辨率可以达到ms量级,实际应用时可以实现优于0.5s的检测速度。

2)对探测信号采用锁相放大技术,其灵敏度可至1 ppm甚至更高。

3)由于气体分子光谱具有“指纹”特征,即不同气体所对应光谱不同,这样这种技术不易受其它气体的干扰。具有良好的特异性。系统的光路采用反射式光路,如图3所示,也有效降低了光学系统及整体结构的设计难度,并同时使测量光程倍增,提高了灵敏度。

2.3 现场其他相关信息的获取

不同于固定位置的检测,移动检测设备的地理位置处于不断动态变化中。远程主控制室只有实时了解其位置坐标等信息,才能对形势进行综合分析、科学判断。所以在获取甲烷浓度值的同时,还需要取得设备的地理坐标信息、时间信息、移动速度等等,这些信息通过系统内置的全球定位系统[9]获取。同时在甲烷浓度达到设定的不同阈值时自动生成相应的报警信号。

2.4 现场数据传输、与远程处置中心信息交互

移动巡检的数据及其他相关信息,实时发送至远程处置中心进行处理并进行信息交互。信息传输采用基于全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications,简称GSM系统)的无线分组交换技术的通用无线分组业务,即GPRS (General Packet Radio Service)来实现。GPRS可以提供端到端的、广域的无线网络连接,使用方便,同时由于其工作时对数据实行分组发送和接收,这意味着设备总是处于在线状态,而且仅按实际发生的信息流量计费,使用费用较低。

2.5 工作环境适应性

巡检设备工作中,可能遭遇强光、阴雨、大风、尘雾、夜间等各种气候环境,还有还面临诸如车辆清洗、车辆长时间搁置等情况。在进行设备的结构设计时充分考虑到这些因素,采取了必要的、适当的应对措施,尤其注重细节要求,确保设备的全天候正常工作。

3 远程处置

3.1 数据获取与传输

如前所述,远程主控制器使用工业控制机或PC机作为服务器,编写专用的应用软件,利用套接字接口socket获取巡检设备的数据,整个流程是“打开-读写-关闭”模式的一种实现,具体步骤如下:

1)建立服务器端的Socket,开始侦听整个网络中的连接请求。

2)当检测到来自客户端(巡检设备)的连接请求时,向其发送收到连接请求的信息,并建立相互之间的连接,读写相关数据。

3)当完成通信后,服务器关闭与客户端(巡检设备)的Socket连接。

3.2 数据的处理

对所获取的数据,例如甲烷浓度值、地理坐标、车速、时间等等数据进行处理。在甲烷浓度值低于设定值(如0.5ppm)时,系统忽略所有处理过程;在甲烷浓度值高于设定值时,系统根据不同的甲烷浓度值自动对危险程度进行分级,报警。

3.3 报警与数据分发

应用软件对数据进行分析,在必要时自动报警,并向相关责任人员、责任单位分级发送必要数据,例如报警级别、甲烷浓度、地理坐标、时间等等。同时系统将巡检设备的地理坐标与地图GIS信息融合,使现场情况一目了然,以便及时、科学决策,采取相应措施确保安全。

4 结论

本文所设计的系统,可以应用于各种需要对甲烷浓度实时巡检的区域,特别是城镇油气管道沿线、地下暗井等等。由于采用了可调谐半导体激光吸收光谱技术,同时在机械结构、信号获取、信号处理和传输、信息分发等方面进行了综合优化考虑,使系统具有实时性好、灵敏度高、特异性强等特点,可以及时发现安全隐患,以利于应急处置。

参考文献

[1]徐寿昌.有机化学[M].北京:高等教育出版社,1993

[2]庞名立.天然气百科辞典[M].北京:中国石化出版社,2007

[3]李威,柴向春,郭忠贵.天然气知识问答手册[M].北京:石油工业出版社,2012

[4]黄春芳.天然气管道输送技术[M].北京:中国石化出版社,2009

[5]张城,耿彬.天然气管输与安全[M].北京:中国石化出版社,2009

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