礦井煤焦氣化中多組分氣體傳感器的設(shè)計(jì)

袁杰

摘 要：本次設(shè)計(jì)是基于紅外線傳感器技術(shù)對(duì)于煤焦氣化過程中的多組分氣體（如一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、甲烷（CH4）等）的檢測。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娮酉到y(tǒng)對(duì)傳感器系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換、處理以及顯示。用紅外檢測傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)煤焦氣化過程中的氣體成分分析將會(huì)更加的智能化、微型化及高性能化。

關(guān)鍵詞：煤焦氣化；紅外多組分氣體分析；單片機(jī)處理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TD84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）13-157-2

0 引言

我國煤礦生產(chǎn)的安全狀況與世界其他產(chǎn)煤大國相比有不小的差距，煤礦安全問題關(guān)系到重大的生命財(cái)產(chǎn)損失，安全監(jiān)測更是重中之重，分析研究煤焦氣化過程中的多組分氣體具有重要意義。紅外線是波長介乎微波與可見光之間的電磁波，波長范圍在0.76um至1000um之間。當(dāng)紅外線在空氣中傳播時(shí)，不同的氣體分子只能吸收某一種或某幾種波長范圍的紅外線，這便是利用紅外光譜進(jìn)行定性和定量分析的依據(jù)。

1 傳感器部分的選擇及設(shè)計(jì)

本次研究所需檢測的幾種氣體的主要吸收峰分布如下：二氧化碳在4.3um附近，甲烷在3.4um附近，一氧化碳在4.7um附近，水的吸收峰值在1.4um和1.9um之間。因此需要在傳感器或紅外光源前增加一片窄帶濾光片。

紅外探測器建議使用熱電探測器，工作原理是利用紅外輻射熱效應(yīng)。通過安裝不同的紅外濾波片在每個(gè)熱電探測器前面的入射窗口處，作為不同氣體參考光路的分光，可根據(jù)檢測波長選擇相應(yīng)的紅外帶通濾波片。二氧化碳可選G2濾光片，一氧化碳可選G1.2濾光片，甲烷可選G5.1濾光片，參考光路可選G20.3濾光片。這四個(gè)窄帶濾光片對(duì)應(yīng)于各自的測量波長，相互之間沒有明顯的重疊。

圖1中部件1為壓板，壓緊濾光片通過螺栓與光錐套4連接。部件2為氣體特征波長窄帶濾光片，平放在光錐套3端部的沉孔中。擰下螺栓，去掉壓板1，更換濾光片即可測量其他氣體。光錐安裝在光錐套4的7個(gè)臺(tái)階孔中。焊接了7個(gè)熱釋電探測器電路板5通過螺釘固定在光錐套上。探測器裝在光錐套4的臺(tái)階小孔中，與前端光錐對(duì)應(yīng)，目的是分別接收不同特征波長的紅外線。其它所有電子元器件的封裝形式均采用表貼類型。電路板與后蓋板由套管7隔開。通過螺栓把蓋板、電路板、光錐套緊固連接。采用一根10芯屏蔽電纜線將電源線（+12V和地線）與7根信號(hào)輸出線由蓋板6中心孔引出。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路由信號(hào)放大濾波電路、光源驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)控制電路等幾個(gè)組成部分。光源驅(qū)動(dòng)電壓的波動(dòng)直接影響到所輻射的紅外線的穩(wěn)定性，所以對(duì)于光源應(yīng)當(dāng)選用恒壓驅(qū)動(dòng)。需要設(shè)計(jì)高放大倍數(shù)、高精度的放大電路，因?yàn)闊犭娞綔y器輸出的電壓信號(hào)微弱。由于信號(hào)放大的倍數(shù)很大，所以采用兩級(jí)放大電路。

氣體壓強(qiáng)信號(hào)、經(jīng)過放大的信號(hào)以及環(huán)境溫度信號(hào)等需要通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換才能輸入到單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。本設(shè)計(jì)選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為ADC0809芯片。其中的低壓片選端、數(shù)字信號(hào)輸出端、串行信號(hào)轉(zhuǎn)換和輸出的時(shí)鐘同步信號(hào)都與單片機(jī)相連。

系統(tǒng)中所選擇的單片機(jī)為AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)主要完成的功能有：紅外光源的控制，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的控制，與上位機(jī)的串口通信，以及測試過程的控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要采用C語言編程。此設(shè)計(jì)單片機(jī)在完成系統(tǒng)初始化后進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)預(yù)熱到系統(tǒng)穩(wěn)定之后，就可測出各個(gè)測試通道在各濃度為零時(shí)的測量值，以便矯正標(biāo)定曲線。（如圖4）

整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，反映的是幾種待測氣體對(duì)中紅外光的吸收情況，根據(jù)朗博比爾定律，氣體吸收通道和參考通道的輸出電壓比值。

4 實(shí)際測量

在實(shí)際煙氣監(jiān)測應(yīng)用中，為了對(duì)比測量時(shí)的探測器輸出信號(hào)和參比探測器輸出信號(hào)，裝一個(gè)濾光片陣列模塊。測量出的幅值不同是由于探測器的響應(yīng)率和其對(duì)應(yīng)放大倍數(shù)不同引起，不影響參比的作用。對(duì)四路信號(hào)分別進(jìn)行小波消噪，求取有效值U1，U2，U3，U4。假設(shè)U1，U2，U3分別對(duì)應(yīng)測量光路，U4對(duì)應(yīng)參考光路，用U4/U1，U4/U2，U4/U3的對(duì)數(shù)值表征SO2，CO，CO2氣體的濃度。先對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，然后進(jìn)行測量。（表1）

表1所給出的為二氧化硫及二氧化碳的測量結(jié)果，由上表可以看出無論是在較小的干擾或是在較大的干擾下，經(jīng)過補(bǔ)償，測量結(jié)果的相對(duì)誤差都在正負(fù)百分之五以內(nèi)，由此可以說明本系統(tǒng)達(dá)到了較好的精度。該系統(tǒng)通過結(jié)合軟硬件技術(shù)優(yōu)勢，大大簡化此分析儀系統(tǒng)，提高了性價(jià)比和可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4] 王霞，金偉其，王汝琳.紅外氣體傳感器多光路光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù)，2002，28（2）：152-154.