紅外甲烷氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱紅秀，孫連昆，王忠華，聶　哲，劉　歡

(中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083)

引言

瓦斯爆炸是煤礦開采中的重要安全問題之一。盡管國家在此投入了大量的人力和物力，但是各地礦難仍時(shí)有發(fā)生。所以，研制更安全更可靠的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。目前檢測(cè)甲烷氣體的傳感器主要是電化學(xué)傳感器，但是電化學(xué)式傳感器靈敏度低，催化劑易中毒，壽命短。而紅外甲烷氣體傳感器因?yàn)檫x擇性好、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短，受到越來越多的重視[1]。

1　紅外氣體檢測(cè)原理

紅外氣體傳感器的原理主要是利用甲烷氣體的紅外光譜吸收理論，以及朗伯-比爾定律：

I(λ)=I0(λ)e-α(λ)cl

(1)

式中：I0(λ) 為入射光強(qiáng)；I(λ)為出射光強(qiáng)；c為被測(cè)氣體體積濃度；α(λ)為氣體摩爾分子吸收系數(shù)；l為光程。

每種氣體都有其特定的吸收峰,而對(duì)吸收峰以外波長的光吸收極少。為此,采用雙波長測(cè)量方法,引入了不被探測(cè)氣體吸收的光作為參考光。設(shè)Im(λ′)和Im0(λ′)為參考光的出射光強(qiáng)和入射光強(qiáng),則有:

Im(λ′)=Im0(λ′)

(2)

把(1)式和(2)式相除并取對(duì)數(shù),可以得到：

(3)

從(3)式可以看出,測(cè)量系統(tǒng)從理論上完全消除了光路的干擾因素,并且還消除光源輸出光功率不穩(wěn)定的影響。

紅外氣體傳感器主要由紅外光源、氣室、光電轉(zhuǎn)換等器件組成。其中的光源選擇和氣室設(shè)計(jì)尤為重要。甲烷在1.33 μm,1.67 μm,和3.33 μm處的線型強(qiáng)度S分別為3.71×10-3, 3.27×10-2和5.27，他們的吸收強(qiáng)度比為 1∶8∶1 420，甲烷在3.33 μm處的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其在1.33 μm和1.67 μm處的強(qiáng)度[2-3]，所以選擇3.33 μm的紅外光源系統(tǒng)將會(huì)有較高的靈敏度，并且價(jià)格相對(duì)低廉。……