紅外瓦斯傳感器在小煤礦應(yīng)用的可行性分析

【摘要】紅外瓦斯傳感器以其測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)紅外檢測(cè)原理的詳細(xì)分析，并結(jié)合小煤礦使用的實(shí)際情況，分析出紅外瓦斯傳感器能夠在小煤礦應(yīng)用是可行的。

【關(guān)鍵詞】小煤礦；紅外吸收；瓦斯傳感器

1.引言

瓦斯傳感器作為煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，它肩負(fù)著檢測(cè)礦井瓦斯?jié)舛鹊闹厝危沧鳛榈V井瓦斯綜合治理和災(zāi)害預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的提供者。

煤礦井下常用的瓦斯傳感器，按檢測(cè)原理分類可分為催化燃燒式、紅外吸收式、光纖式、半導(dǎo)體氣敏法、和光干涉法等，其中固定式瓦斯傳感器煤礦應(yīng)用最主要就是催化燃式型和紅外吸收式。其中催化燃燒式占到整個(gè)瓦斯傳感器用量的95%以上。紅外瓦斯傳感器隨著國(guó)家政策的引導(dǎo)在煤礦上也逐步的進(jìn)行了應(yīng)用。

本文主要從重點(diǎn)分析紅外瓦斯傳感器工作原理、對(duì)比分析各類瓦斯傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)、分析小煤礦應(yīng)用的實(shí)際情況，最后總結(jié)分析了紅外瓦斯傳感器在小煤礦推廣的可行性。

2.紅外瓦斯傳感器的工作原理

2.1 紅外吸收型原理

紅外吸收型的全稱是紅外光譜吸收型[1][2]，是通過(guò)檢測(cè)氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化來(lái)檢測(cè)氣體濃度的方法。該方法的基礎(chǔ)是每種氣體分子都有自己的吸收（或輻射）譜特征，只有當(dāng)光源的發(fā)射譜與氣體吸收譜重疊時(shí)才會(huì)發(fā)生吸收現(xiàn)象，吸收后的發(fā)射譜光強(qiáng)將發(fā)生變化，因而具有高度的選擇特性。當(dāng)一束紅外光通過(guò)充有氣體的氣室時(shí)，如果紅外光光譜恰好覆蓋一個(gè)氣體吸收線，那么部分光就能被該氣體吸收并轉(zhuǎn)化為分子振動(dòng)和能量，使紅外光的光強(qiáng)發(fā)生相應(yīng)的衰減。根據(jù)朗伯-比爾（Beer-Lambert）定律[2]，即可推算出氣室中氣體的濃度。

I（）=I0（）e-KCL （2.1）

式2.1中：I（）為紅外光被氣體吸收后的能量；

I0（）為紅外光的初始能量；

K為與氣體及紅外光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)；

C為被測(cè)氣體的濃度；

L為紅外光透過(guò)的氣體層厚度。

2.2 紅外瓦斯傳感器的組成

紅外瓦斯傳感器主要由光學(xué)部分和電氣部分組成，如圖2.1所示[3]。從其傳感器組成中可以看到其主體電氣處理部分和傳統(tǒng)傳感器類似，礦方相關(guān)人員容易理解和接受，便于傳感器的日常管理與維護(hù)。

圖2.1 紅外吸收瓦斯傳感器組成圖

圖2.2 紅外檢測(cè)元件結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 紅外檢測(cè)元件組成

紅外檢測(cè)元件一般包括紅外光源、采樣氣室、濾光片和紅外探測(cè)器四部分[4]。為了減小紅外光源的背景干擾，一般采用兩路信號(hào)的結(jié)構(gòu)，一路作為測(cè)量信號(hào)，一路作為參考信號(hào)，如圖2.2所示。

2.4 紅外光源

為了最終得到有效的測(cè)量信號(hào)，紅外光源在氣體強(qiáng)烈吸收紅外輻射的波段處應(yīng)具有較高的輻射能量，也就是說(shuō)，它必須提供測(cè)量所需的足夠的光強(qiáng)。目前，一些中紅外區(qū)域的大功率紅外線發(fā)射管其價(jià)格偏高，所以紅外氣體檢測(cè)元件一般采用以鎢絲為燈絲的白熾燈作為紅外光源。

2.5 紅外濾光片

紅外光源發(fā)出的光覆蓋很寬的頻譜，光源發(fā)出的光被氣體吸收以后，到達(dá)探測(cè)器的時(shí)會(huì)包含多個(gè)氣體的吸收譜線。

為了確保傳感器對(duì)甲烷氣體的高選擇性，防止混合氣體的干擾，須將其他氣體的吸收線濾除。采取的方法是，將氣體吸收后的透射光通過(guò)以甲烷氣體特征吸收波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)的紅外濾光片（選取3.39μm），使該波段內(nèi)的紅外輻射得以通過(guò)到達(dá)探測(cè)器，而其他波段的光強(qiáng)受到抑制無(wú)法通過(guò)。探測(cè)器檢測(cè)到的即為甲烷氣體特征吸收線處的光強(qiáng)。參考光路使用的紅外濾光片的中心波長(zhǎng)選在絕大多數(shù)氣體都不會(huì)涉及的波段，通常在選取4.0μm附近波長(zhǎng)。其示意圖如圖2.3所示。由此可以看到紅外檢測(cè)元件的氣體選擇性較好，不受其它氣體的影響。

圖2.3 氣體吸收峰示意圖

2.6 紅外探測(cè)器

透過(guò)濾波片的光能量需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能用于處理，而這一過(guò)程是通過(guò)紅外探測(cè)器來(lái)完成的，探測(cè)器的光敏層由鋰、鉭酸鹽單一晶體化合物組成的薄板電容器組成，鋰鉭是一種熱電晶體，當(dāng)它被加熱時(shí)便反向承載[5]。如圖2.4所示，描述的是紅外輻射線變成為電信號(hào)的過(guò)程，通過(guò)一個(gè)窗口或紅外過(guò)濾器，傳輸率t的射線到達(dá)熱點(diǎn)元件，該射線被吸收并在熱電裝置中產(chǎn)生一個(gè)溫度△T。由熱向電的轉(zhuǎn)化取決于△T的變化和電極的承載密度，這之后伴隨著電信號(hào)的轉(zhuǎn)化△U。

圖2.4 紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的過(guò)程示意圖

通過(guò)探測(cè)器的工作過(guò)程，了解到紅外探測(cè)器影響著整個(gè)紅外檢測(cè)元件的測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間，而探測(cè)器對(duì)光子強(qiáng)度反應(yīng)靈敏度高，其測(cè)量分辨率也較高，這就決定了紅外檢測(cè)元件具有較高測(cè)量精度和較快的響應(yīng)時(shí)間。

2.7 光學(xué)檢測(cè)元件工作原理

目前光學(xué)檢測(cè)元件基本都采用的是國(guó)外進(jìn)口檢測(cè)元件（以英國(guó)E2V公司生產(chǎn)的IR12GJ為例），其元件都采用的是雙探測(cè)器、單光源、雙光路、折疊式氣室，此種設(shè)計(jì)大大增加了光路長(zhǎng)度，減少了檢測(cè)元件的體積，其光路模型如圖2.5所示。

圖2.5 紅外吸收檢測(cè)元件光路模型圖

鎢絲通電后發(fā)出紅外光，光路經(jīng)過(guò)折疊通過(guò)氣室，在經(jīng)過(guò)兩個(gè)濾光片分別濾出3.9μm和3.39μm的參照光（虛線）和測(cè)量光（實(shí)線），照射在兩個(gè)鉭酸鋰熱電探測(cè)器上。這種設(shè)計(jì)可使紅外光線多次經(jīng)過(guò)氣室，相當(dāng)于增大了氣室的路徑，可以提高檢測(cè)精度和靈敏度，同時(shí)也減小了傳感器的體積。這兩個(gè)鉭酸鋰熱電探測(cè)器，一個(gè)稱為“參考端”探測(cè)器1，另一個(gè)稱為“測(cè)量端”探測(cè)器2。那么，到達(dá)“測(cè)量端”探測(cè)器的3.39μm波長(zhǎng)的紅外光經(jīng)過(guò)甲烷氣體后有明顯的吸收現(xiàn)象，而到達(dá)“參考端”探測(cè)器的3.9μm波長(zhǎng)的紅外光基本無(wú)變化。

在兩個(gè)鉭酸鋰熱電探測(cè)器表面上熱量的變化轉(zhuǎn)換為引腳上的電壓信號(hào)，由于參考光和測(cè)量光是在同一個(gè)環(huán)境下工作，取兩者的電位差進(jìn)行比較即可得到待測(cè)的濃度值。當(dāng)光輻射通過(guò)甲烷氣體時(shí)，從測(cè)量端引腳輸出的電壓峰峰值幅度比從參考端輸出的小。通過(guò)研究探測(cè)器輸出電壓信號(hào)峰峰值的比值，就可以知道周圍目標(biāo)氣體濃度的變化。為此定義吸收百分比Fa：

Fa=1-

式中：S1、S2分別為測(cè)量端和參考端的輸出信號(hào)電壓峰峰值；其中R定義為：

R=

式中：s'1和s'2為沒(méi)有甲烷氣體時(shí)探測(cè)器1（測(cè)量端）和探測(cè)器2（參考端）各自輸出電壓的峰峰值，例如在校準(zhǔn)時(shí)使用的氣體是100%體積的N2（氮?dú)獾娜莘e占?xì)馄咳莘e的100%，即氣瓶?jī)?nèi)為純氮?dú)猓缓咚箽怏w。

根據(jù)朗伯-比爾定律，兩路信號(hào)都與當(dāng)前光強(qiáng)成正比，假設(shè)兩個(gè)通道的比例因子分別為k1和k2。對(duì)于氣體測(cè)量信號(hào)：GAS∝k1I0e，對(duì)于參考信號(hào)：REF∝K2I0。由于光強(qiáng)I0很難準(zhǔn)確測(cè)量，為了消除光強(qiáng)因子的影響，對(duì)測(cè)量信號(hào)GAS和參考信號(hào)REF求比值，從而消除了光源的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

由甲烷檢測(cè)元件工作原理可以得出，檢測(cè)元件對(duì)甲烷濃度檢測(cè)范圍不受限制，只要內(nèi)部光源的光強(qiáng)度足夠，其光被甲烷吸收后能夠被探測(cè)器采集就能實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷濃度的測(cè)量，所以紅外瓦斯傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)0-100%CH4的測(cè)量。

2.8 電氣部分工作原理

電氣部分工作原理即整個(gè)傳感器的工作原理：首先由單片機(jī)產(chǎn)生4Hz、50%占空比的方波信號(hào)加載到鎢絲上，調(diào)制鎢絲使其發(fā)出一定頻率的探測(cè)光，該探測(cè)光經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體區(qū)域后被加有對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)濾光片的光電探測(cè)器接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)經(jīng)放大電路放大后送至單片機(jī)進(jìn)行A/D采樣、轉(zhuǎn)換、計(jì)算，同時(shí)測(cè)量的溫度信號(hào)也被傳送到單片機(jī)，經(jīng)過(guò)濾波、計(jì)算、溫度補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)處理，最后由顯示模塊顯示出瓦斯的濃度測(cè)量值。

2.9 環(huán)境溫度影響

環(huán)境溫度直接影響著紅外光源的輻射強(qiáng)度、紅外探測(cè)器件的響應(yīng)度、信號(hào)處理前端電路中分離元件（如耦合電容）的特性等方面。溫度影響具體表現(xiàn)為：在無(wú)甲烷氣體時(shí)零點(diǎn)值會(huì)隨溫度的升高而增加；線性度的測(cè)量值也會(huì)隨溫度的升高而增加。因此，在數(shù)據(jù)處理上，相應(yīng)的零點(diǎn)和線性都需要做單獨(dú)的溫度補(bǔ)償。

通過(guò)傳感器整機(jī)做溫度補(bǔ)償，將檢測(cè)元件溫度影響和硬件電路部分器件的溫度影響一起進(jìn)行溫度補(bǔ)償。根據(jù)零點(diǎn)和線性的溫度補(bǔ)償流程進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)計(jì)算公式計(jì)算得到溫度補(bǔ)償?shù)母黜?xiàng)參數(shù)。另外溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可直接輸入到廠家提供的軟件中進(jìn)行反算得到溫度補(bǔ)償?shù)母黜?xiàng)參數(shù)，并可根據(jù)軟件進(jìn)行仿真出溫度補(bǔ)償?shù)男Ч錅囟妊a(bǔ)償后示意圖如圖3.6、3.7，圖3.7以2.00%CH4點(diǎn)為例。

通過(guò)對(duì)紅外瓦斯傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其整個(gè)線性段內(nèi)其精度可以達(dá)到0-1.00%CH4時(shí)±0.06，而在1.00%-100%CH4內(nèi)測(cè)量精度滿足測(cè)量值的±6%。其測(cè)量精度遠(yuǎn)高于催化瓦斯傳感器的測(cè)量精度。

3.各類型瓦斯傳感器特性對(duì)比分析

根據(jù)對(duì)紅外瓦斯傳感器濃度檢測(cè)工作原理的詳細(xì)分析和特性總結(jié)，并結(jié)合其它各檢測(cè)原理特性做一綜合對(duì)比，其對(duì)比表見表3.1。

表3.1 各類瓦斯傳感器特性對(duì)比表

催化燃燒型熱導(dǎo)型紅外吸收型光干涉型

物質(zhì)消耗有有無(wú)無(wú)

測(cè)量范圍窄較寬寬寬

測(cè)量精度一般差高高

免標(biāo)校時(shí)間15天15天2個(gè)月以上——

高濃沖擊影響有無(wú)無(wú)無(wú)

元件中毒問(wèn)題有有無(wú)無(wú)

其他氣體影響有有無(wú)有

濕度影響有有有有

使用壽命短短長(zhǎng)長(zhǎng)

響應(yīng)時(shí)間快一般較快慢

維護(hù)周期頻繁頻繁較少較頻繁

在線監(jiān)測(cè)是是是否

煤礦應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)長(zhǎng)較長(zhǎng)長(zhǎng)

從對(duì)比表中可看到紅外瓦斯傳感器的各項(xiàng)性能都較為突出，特別是測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高、免標(biāo)校時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)和較少量的維護(hù)，正是當(dāng)前煤礦所需要的。特別是一些人手不足且技術(shù)實(shí)力薄弱的小型煤礦，通過(guò)紅外瓦斯傳感器的應(yīng)用可提高瓦斯監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和降低傳感器的維護(hù)工作量，進(jìn)一步保證小型煤礦的瓦斯監(jiān)測(cè)的可靠性。

4.紅外瓦斯傳感器在小煤礦推廣的可行性

4.1 國(guó)內(nèi)小煤礦催化瓦斯傳感器使用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)小煤礦井下用于檢測(cè)瓦斯的固定式在線監(jiān)測(cè)用傳感器，主要為采用載體催化式檢測(cè)元件的瓦斯傳感器，主要不足表現(xiàn)在：

（1）測(cè)量范圍只能測(cè)量0-4%濃度段，高于4%后無(wú)法正確測(cè)量，并且受高濃沖擊后檢測(cè)元件性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)誤報(bào)警等異常現(xiàn)象；

（2）部分礦井煤層含硫化氫等氣體，載體催化元件會(huì)發(fā)生中毒問(wèn)題，嚴(yán)重影響瓦斯傳感器的正確測(cè)量，影響礦井安全生產(chǎn)的同時(shí)，增加了產(chǎn)品的維修成本；

（3）工作穩(wěn)定性短，往往達(dá)不到10天就需要進(jìn)行標(biāo)校，大大增加了對(duì)傳感器的維護(hù)工作量，部分小煤礦無(wú)法投入更多的人力進(jìn)行傳感器的日常維護(hù)。

由于催化式瓦斯傳感器存在著上述問(wèn)題，越來(lái)越多的煤礦特別是小型煤礦，由其人手不足且技術(shù)實(shí)力相對(duì)薄弱，對(duì)傳感器的日常維護(hù)很難落實(shí)到位。需要一種具備全量程測(cè)量能力、長(zhǎng)時(shí)間不用標(biāo)校、工作相對(duì)穩(wěn)定的瓦斯傳感器替代現(xiàn)有的載體催化式瓦斯傳感器。

4.2 紅外瓦斯傳感器的使用情況

隨著煤礦對(duì)紅外瓦斯傳感器需求的增加，國(guó)內(nèi)主要的礦用傳感器生產(chǎn)廠家都對(duì)紅外瓦斯傳感器進(jìn)行了開發(fā)，并且發(fā)展較為迅速。已有20多家單位取得了紅外瓦斯傳感器的煤礦相關(guān)證件，紅外瓦斯傳感器在煤礦應(yīng)用也越來(lái)越多，對(duì)傳感器各項(xiàng)性能也在不斷的進(jìn)行完善。經(jīng)過(guò)多年煤礦的實(shí)際使用，紅外瓦斯傳感器使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題已得到有效的解決。紅外瓦斯傳感器的測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高、免標(biāo)校時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)和較少量的維護(hù)等優(yōu)勢(shì)也得到了煤礦用戶的認(rèn)可。

4.3 紅外瓦斯傳感器成本分析

與催化瓦斯傳感器相比紅外瓦斯傳感器的價(jià)格相對(duì)較高，而紅外瓦斯傳感器的價(jià)格主要取決于紅外檢測(cè)元件的價(jià)格，元件成本相對(duì)較高，直接造成了紅外瓦斯傳感器的成本較高。

但是，紅外瓦斯傳感器所用檢測(cè)元件的壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于催化瓦斯傳感器，同時(shí)其工作穩(wěn)定性也優(yōu)于催化瓦斯傳感器，從而減少了瓦斯傳感器的日常維護(hù)、管理和維修成本，所以紅外瓦斯傳感器的綜合使用成本并不高于催化瓦斯傳感器。

隨著紅外瓦斯傳感器逐步推廣，其檢測(cè)元件的用量將逐步增加，相應(yīng)的紅外檢測(cè)元件的價(jià)格也將有所下降。同時(shí)，國(guó)外元件生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)開始在國(guó)內(nèi)建設(shè)生產(chǎn)基地，紅外檢測(cè)元件的價(jià)格也有望逐步的降低。所以，紅外瓦斯傳感器的成本也會(huì)逐步降低。

5.結(jié)論

紅外瓦斯傳感器具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高、免標(biāo)校時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)和較少量的維護(hù)，完全適用于人手不足且技術(shù)實(shí)力薄弱的小型煤礦，通過(guò)紅外瓦斯傳感器的應(yīng)用，既能提高小型煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，又能降低了傳感器的維護(hù)工作量。

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