礦用激光甲烷遙測儀動態(tài)響應(yīng)時間測定裝置研究*

梁 龍，向艷芳，何 巍

礦用激光甲烷遙測儀動態(tài)響應(yīng)時間測定裝置研究*

梁 龍1，向艷芳2，何 巍1

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000)

礦用激光甲烷遙測儀基于可調(diào)諧激光吸收光譜的氣體測量技術(shù)（TDLAS），與傳統(tǒng)的光干涉型和催化燃燒式甲烷測量儀相比，響應(yīng)迅速，通常其響應(yīng)時間在1 s以內(nèi)，因此用傳統(tǒng)的響應(yīng)時間測量方法無法實現(xiàn)精確測量。通過對礦用激光甲烷監(jiān)測儀器動態(tài)性能的分析，研究一種新的針對礦用激光甲烷遙測儀動態(tài)響應(yīng)時間的測定裝置，其測量精度可達(dá)毫秒級。

可調(diào)諧激光吸收光譜；響應(yīng)時間；動態(tài)性能

0 前 言

礦山甲烷檢測方法傳統(tǒng)上有熱催化法、光干涉測量法等，上述檢測方法都具有各自的局限性，如基于熱催化法測量儀使用壽命短、抗干擾能力差，光干涉式測量儀測量容易出現(xiàn)誤差、精度不高，同時均具有響應(yīng)時間慢等缺點[1]。近些年，隨著TDLAS技術(shù)的發(fā)展，激光式甲烷檢測逐漸成為礦山甲烷檢測的重要手段[2-3]，激光檢測具有響應(yīng)時間短，適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力強(qiáng)，抗交叉干擾能力強(qiáng)、測量精度高、誤差小、安全耐用等優(yōu)勢[3-4]。然而由于其響應(yīng)迅速的特點，無法采用傳統(tǒng)的甲烷檢測儀動態(tài)響應(yīng)時間測量方法有效準(zhǔn)確地測試驗證儀器的可靠性。本文提出一種采用調(diào)節(jié)有效透射時間的方法實現(xiàn)礦用測試空間甲烷濃度的瞬變控制，從而實現(xiàn)響應(yīng)時間的測試。

1 動態(tài)響應(yīng)時間測定裝置構(gòu)成

由于礦用甲烷遙測儀是通過向監(jiān)測區(qū)域發(fā)射甲烷分子強(qiáng)吸收波長的激光束，經(jīng)巷道壁等反射物反射后，反射回的激光束經(jīng)甲烷氣體的吸收，光強(qiáng)度將發(fā)生變化，根據(jù)實際光強(qiáng)度的變化反演出甲烷氣體濃度的儀器設(shè)備。為精確測量礦用激光甲烷遙測儀的動態(tài)響應(yīng)時間，根據(jù)其測量原理搭建了測試實驗系統(tǒng)，主要由標(biāo)準(zhǔn)氣室、動態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、基準(zhǔn)傳感器、控制系統(tǒng)及采集系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。以基準(zhǔn)遙測儀的信號得到精確的激光投射時間，采集在有效的投射時間內(nèi)遙測儀的響應(yīng)能力是否達(dá)到指定的要求，并逐級呈梯度的縮小激光投射時間，驗證響應(yīng)能力。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.1 標(biāo)準(zhǔn)氣室

標(biāo)準(zhǔn)氣室用于針對不同量程傳感器，配置標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動或手動配氣。為保證激光束在標(biāo)氣室投射面的衰減，在投射材料表面涂敷增透材料[5]。為保證氣室內(nèi)的標(biāo)氣濃度，外接氧分析儀實時監(jiān)測配氣過程中氣室內(nèi)的氧氣濃度，達(dá)到指標(biāo)后可自動切斷標(biāo)準(zhǔn)氣室氣路[6]。

1.2 動態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

動態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由開有半圓形透光孔的遮光板及直流電機(jī)構(gòu)成。目的是實現(xiàn)毫秒級的有效透射時間的控制。遮光板上的半圓形透光孔可根據(jù)需要進(jìn)行角度的調(diào)整，同時直流電機(jī)可在0~100 r/min間實現(xiàn)無極調(diào)速，通過兩者的調(diào)節(jié)可控制動態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的有效透射時間。通過多通道高速數(shù)據(jù)采集器得到的有效透射時間曲線如圖2所示。目前得到最快有效透射時間可達(dá)26 ms，最小調(diào)節(jié)分辨率可達(dá)2 ms。

圖2 動態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有效透射時間曲線

1.3 基準(zhǔn)傳感器

基準(zhǔn)傳感器主要用于記錄動態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的有效透射時間。為保證整個系統(tǒng)的測量精度，選用國外進(jìn)口的高靈敏度光纖傳感器，其響應(yīng)速度可達(dá)微秒級，在配置鏡頭后其輻射光斑大小達(dá)0.4 mm，可實現(xiàn)精確定位。

1.4 采集及控制系統(tǒng)

通過高速數(shù)據(jù)采集器同步實現(xiàn)兩通道信號的采集，并能自動計算有效透射時間，打印實時曲線?？刂葡到y(tǒng)采用西門子PLC作為核心控制器，配置AD/DA模塊、繼電器、電磁閥、流量控制器、壓力傳感器、濃度監(jiān)測設(shè)備及電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，搭載上位機(jī)組態(tài)軟件，用于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)氣室配氣、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電機(jī)控制、采集控制、參數(shù)配置等功能。

2 測試方案與試驗驗證

按照傳統(tǒng)儀器儀表動態(tài)響應(yīng)時間的定義，通常取被試樣機(jī)測量量程50%的標(biāo)準(zhǔn)氣體作為試驗氣體，以樣機(jī)實際顯示濃度值作為基準(zhǔn)值，再次測量并記錄從零點到顯示90%基準(zhǔn)值的時間即為動態(tài)響應(yīng)時間[7]。通過使用本裝置，可連續(xù)調(diào)節(jié)有效透射時間，并監(jiān)測記錄樣機(jī)在有效透射時間內(nèi)的最大顯示值，當(dāng)最大顯示值超過基準(zhǔn)值的90%，則進(jìn)一步縮小有效透射時間，直至最大顯示值達(dá)到基準(zhǔn)值的90%，此時的有效透射時間即為樣機(jī)的動態(tài)響應(yīng)時間[8]。

為有效驗證本測試裝置的可行性。分別選用兩款型號的礦用甲烷遙測儀（A和B），其測量范圍均為0~100000 ppm·m。按照上述方案分別通入量程50%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷標(biāo)氣進(jìn)行試驗，同時采用有計量證的高精度存儲記錄儀采集有效透射時間曲線。最終得到的實測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 動態(tài)響應(yīng)時間測試結(jié)果

通過上述測試數(shù)據(jù)，樣機(jī)B響應(yīng)時間大于0.22 s，樣機(jī)A響應(yīng)時間大于0.10 s，若需得到更加精確的測量值，可通過進(jìn)一步縮小有效透射時間變化梯度來實現(xiàn)，最終可使得測量結(jié)果精度達(dá)毫秒級。

3 結(jié) 論

本裝置可實現(xiàn)礦用激光甲烷遙測儀的動態(tài)響應(yīng)時間的測試，其測量精度可達(dá)毫秒級，可滿足目前大多產(chǎn)品的需求。同時，此測試裝置可推廣至其他領(lǐng)域的遙測式激光氣體探測器使用，能夠有效解決目前快速響應(yīng)類氣體探測器動態(tài)響應(yīng)時間 無法精準(zhǔn)測量的問題。下一步將進(jìn)一步優(yōu)化測試裝置性能參數(shù)，并對整套裝置核心監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行計量校準(zhǔn)，確定其精度，保證整套裝置測量數(shù)據(jù)的有效性。

[1] 李 傳,楊炳雄,范 凌,張文斌.基于近紅外光譜差分吸收法的甲烷激光式檢測系統(tǒng)研究[J].煤炭技術(shù),2015(10):251-253.

[2] 姚 華.采用可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)遙測甲烷氣體濃度的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2011.

[3] 李 寧.基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的氣體在線檢測及二維分布重建研究[D].杭州:浙江大學(xué),2008.

[4] 張瑞峰,王曉洋.可調(diào)諧激光遙測甲烷濃度的研究[J].電子測量技術(shù), 2011,34(6):76-79+84.

[5] 張玉發(fā),李雙剛,孫曉泉.激光大氣傳輸透射原理及應(yīng)用[J].紅外與激光工程,2007(36):452-454.

[6] 張 毅,莊 志,王昆毅.一種易于實現(xiàn)的氣敏傳感器動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計[J].計量與測試技術(shù),2013,40(7):5-6+8.

[7] 屈仁超.光電傳感器響應(yīng)時間的準(zhǔn)確測量方法[J].電子質(zhì)量, 2014(4):64-66.

[8] 毛衛(wèi)平,劉 強(qiáng),趙國光,唐亞新,余承業(yè).激光燒結(jié)快速成型系統(tǒng)中激光電源開關(guān)的設(shè)計和激光動態(tài)響應(yīng)時間的測試[J].應(yīng)用激光, 1999(6):358-366.

(2019-05-08)

梁 龍(1986—)，男，甘肅慶陽人，碩士，工程師，主要從事自動控制技術(shù)與檢測檢驗技術(shù)的研究和開發(fā)，Email：252626419@qq.com。

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFF0205502).