[doc] 矿用红外甲烷传感器的研制

[doc] 矿用红外甲烷传感器的研制 矿用红外甲烷传感器的研制 煤矿现代化2009年第6期总第93期 题. 矿用红外甲烷传感?的研嗣 安徽省煤炭科学研究院 兖州煤业榆林能化公司 北京思优特科技发展有限公司 刘永平 郭世寨 董康宁白伟岩杨晋芳 摘要阐述了矿用红外甲烷传感器的原理,性能,组成.提出了矿用红外甲烷传感器要解决的关键问 关键词红外技术传感器甲烷 l引言 我国煤矿因瓦斯爆炸造成的损失是巨大的,瓦斯监测与 预报工作一直是煤炭安全生产的首要问题.虽然矿井都安装 了安全监测系统,配备了检测仪器,但由于现使用的仪器性能 欠佳,尤其是传感器的探测不准确,监测工作仍困难重重,难 以发挥应有的作用. 红外甲烷传感器较目前煤矿常用的光干涉,载体催化燃 烧式甲烷传感器具有较大的优越性.它具有测量的范围宽,灵 敏度高,测量精度高,响应时间快,选择性好,不中毒,维护方 便,寿命长,无需用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 气样进行定期调校,还可用于二氧化 碳等气体的测量. 2红外气体检测的基本原理 矿用红外甲烷传感器的研制依据的是被测气体对特定波 长的红外辐射具有强烈的吸收作用.非对称双原子和多原子 分子气体(耍口CHCO,H:,SO:,NO和C02等)在红外波段均有 特征吸收峰.在2,14.5m范围内,CO有三个吸收峰 2.78m,4.28m,14.3m;CO的吸收峰在4.65m处,SO2 的吸收峰有二个4.0m,7.35m;CH吸收峰在3.39m处. 因此,可以根据各种气体光谱曲线上某些特定波长处吸收峰 的变化来测定气体的浓度. 当红外辐射通过被测气体时,其分子吸收辐射能量,气体 对红外辐射的吸收遵循朗伯一比尔(Lambert—Beer)定律: I=~exp(-kc1)(1) 式中:10是红外辐射的初始能量,I是红外辐射被气体吸收后的 能量,l是辐射通过气体层的厚度,c是被测气体的浓度,k是 吸收系数. 可见,通过测量红外辐射的初始能量和红外辐射被气体 吸收后的能量,就能检测出气体浓度.随着光电器件技术和微 电子技术的迅速发展,目前已经出现了性能良好的红外辐射 光源,窄带滤光片和性能稳定的红外敏感元件,这为矿用红外 甲烷传感器的研究,开发创造了条件. 3矿用红外甲烷传感器的产品的性能 (1)采用以单片机为核心的高集成度电路,使电路结构更 简单,性能更可靠,便于维护与调试. (2)采用红外吸收测量原理制成的新型敏感元件,使传感 器性能更加稳定,无需用标准气样进行调校,特别适合无标准 气样进行定期调校的地方. (3)克服了井下水汽与粉尘对红外光学系统的影响. (4)采用了红外遥控清零,精度调节,设置报警点与断电 点,量程选择等功能,使调节与设置更方便,更简单. (5)具有断电控制功能和实时测量环境温度功能.既可用 于测量甲烷浓度,又可作为温度传感器使用. (6)具有故障自检功能,便于使用与维护. (7)能在0,lO0%CI-h范围内自由设定测量量程,既可以用 于测量低浓度,又可以用于从低浓度直到高浓度的测量;不存 在n2s中毒与高浓度瓦斯的冲击. (8)采用新型开关电源技术,降低了整机功耗,增加了传感 器传输信号的距离,可达5km. (9)寿命长.平均故障间隔时间(MTBF)大于5年. (10)防爆型式为矿用本质安全型,防爆标志为ExibI (150?o符合GB3836.1—2000和GB3836.4-2000的要求.取 得了矿用产品安全标志准用证. 4矿用红外甲烷传感器的组成 矿用红外甲烷传感器组成如图1所示.甲烷气体对特定 波长的红外辐射(3.39m)具有强烈的吸收作用,甲烷的浓度 越大,吸收越强烈.由单片机产生的调制信号经驱动调制电路 对红外光源进行调制,调制光经气室中的光学部件反射,聚焦 到红外敏感元件上,由于甲烷气体的吸收,红外敏感元件接收 的辐射信号减弱,通过对减弱的辐射信号进行比较,转换成电 信号.同时经输出接口,所检测的甲烷浓度值也被转换成相应 的电流量和频率量信号,由电缆传输给关联设备.当检测的甲 烷浓度高于设定值与断电值时,传感器发出声光报警,断电信 号,矿用红外甲烷传感器的调校,设置由红外遥控器来实现. 硐??__-?-?-_?-?_II一-III一 龅 片 机 . I垫!堕.芏 夏’ 面砑蕊蕊网 i 蠹 气铒,; 红外敏感元{.外溜光片. 图1红外甲烷传感器的组成 4.1气室 矿用红外甲烷传感器的气室采用英国E2V公司生产的产 品,它由光源,光学器件,红外敏感元件等组成,如图1所示的 气室部分.光源由钨丝绕制而成,对光源进行电调制.椭球聚 集光学系统使光的利用率增大,也增加了光程.钽酸锂热释电 红外敏感元件性能稳定.干涉滤光片产生两路光辐射,即:参 考光路与测量光路.整个气室的结构简单,体积,重量较小,无 可动部件.为防止水汽,粉尘的侵入,以及光源产生的热量对 ? 67? 煤矿现代化2009年第6期总第93期 防爆性能的影响,气室进气口安装了巾2m的不锈钢防护网. 4.2光源的调制 矿用红外甲烷传感器,因钨丝绕制的光源功耗较大,且发 光效率低.矿用红外甲烷传感器研制的首要的关键技术就是 要将本质安全电源高效率地转换成光源.解决的方法:一是要 采用开关电源技术将本质安全电源高效率地转换为光源供电 的电源,二是要有一个合适的电调制电路. 钨丝光源供电的电调制频率要求为2,4Hz,电压脉冲高 度为4,5V,占空比是50%.给矿用红外甲烷传感器供电的本 质安全电源电压为9—21V,最大输出电流为2o0—300mA.因 此,本质安全电源与光源之间应采用开关电源技术进行转换 成,开关电源的效率要达到80%以上. 钨丝光源冷态电阻值较小(约8Q),热态时电阻值大(约 800).冷态启动时,因阻值小,启动电流大,本质安全电源不 能适应.因此,电调制的深度决定了所研制的矿用红外甲烷传 感器能否适合井下应用.电调制时,钨丝不发光,调制电流为 10mA;钨丝发光,调制电流为60mA.这样的电调制,钨丝不会 从冷态启动,不会对本质安全电源造成冲击. 4.3双敏感元件检测技术 井下的水汽,粉尘对光路中的红外辐射产生散射与吸收, 影响了甲烷气体对红外辐射的吸收,造成了测量误差.光源经 电调制,不是每个周期产生的光功率都是恒定的;钨丝光源随 着时问的变化,光源的发光功率是不稳定的;光源的不稳定也 造成了测量误差.因此.矿用红外甲烷传感器的研制,消除环 境变化(水汽,粉尘)和光源的不稳定是至关重要的,这是矿用 红外甲烷传感器要解决的又一个关键技术问题.采用双敏感 元件检测技术,就可消除环境,光源功率变化引起的漂移. 如图l所示的气室部分,光源的红外辐射经甲烷气体吸 收后,分别到达参考敏感元件和测量敏感元件.参考敏感元件 上加装了3.9m的干涉滤光片,对3.9m的红外辐射,被测 环境气体均不吸收;测量敏感元件上加装了3.39m的干涉 滤光片,甲烷气体对3.39m的红外辐射具有强烈的吸收.甲 烷气体对参考敏感元件所接收到的光源的红外辐射不吸收, 只吸收测量敏感元件所接收到的光源的红外辐射,将测量敏 感元件和参考敏感元件输出信号相比,就可消除环境,光源功 率变化引起的漂移. 弱,对信号检测存在一定的难度,设计性能优良的放大电路是 解决红外甲烷传感器在井下长期工作稳定关键所在.在井下 强的噪声背景下,信号往往淹没在噪声中,传感器显示值不稳 定.光源采用4Hz电调制,则参考敏感元件和测量敏感元件输 出信号也具有4Hz的特征波形.放大电路设计成能检测出4Hz 特征波形的带通滤波器,中心频率为4Hz,为抗干扰,带通滤波 器应为窄带带通滤波器,带宽为8Hz,能滤去高频及工频噪声. 为防止放大电路自激振荡,放大电路的品质因数应小于1.采 用低噪声,高精度的集成运算放大器组成的有源滤波器,滤去 噪声,放大了微弱信号,放大后的信号才能进行A/D转换. 4.5MD转换 矿用红外甲烷传感器技术指标要满足煤炭行业标准的要 求,其分辨率与测量精度要满足要求,关键是要选择合适的 A/D转换器.采用12位的MAX197A/D转换器,分辨率达 0.01%CH4,精度达?5%. 4.6单片机 采用价廉的通用型AT89C52单片机,对A/D转换器采集 的红外敏感元件的信号进行数字滤波,计算,线性化校正,温 度补偿等处理,完成电源电压检测,温度检测,甲烷浓度显示, 超限报警,断电或复电,远传频率信号等功能. 单片机程序中,最主要的功能是对参考敏感元件和测量 敏感元件信号的处理和温度补偿,这是矿用红外甲烷传感器 准确地测量井下环境中甲烷浓度的关键.依据公式(1),甲烷 的浓度与参考敏感元件和测量敏感元件信号的比值为指数关 系,单片机程序要在满足测量精度的情况下,对指数关系进行 线性化处理.温度对参考敏感元件和测量敏感元件的输出信 号产生较大的影响,单片机程序要在满足测量精度的情况下, 根据温度的变化,对计算的浓度值进行温度补偿. 4.7遥控功能 使用红外遥控器,是矿用红外甲烷传感器使用方便,调节 可靠的关键.在井下可在线调节报警值和断电值,可显示环境 温度.在有标准气样的情况下,使用红外遥控器,可对传感器 进行零点与精度调校.另外,使用红外遥控器,还可对传感器 的输出接口信号进行控制,防止误传信号到井上监控室. 5红外型与载体催化型甲烷传感器的比较 参考敏感元件和测量敏感元件接收红外辐射,参考敏感5.1工作原理及测量范围 元件和测量敏感元件输出信号的电压分别为: Vm~Im×Rr(2) Vmm=I×R××t0(3) 式中:Vmr为参考敏感元件输出信号的电压值,Im为光源的红 外辐射能量,m为参考敏感元件的响应率,Vmm为测量敏感 元件输出信号的电压值,Rm为测量敏感元件的响应率,ta为 被测甲烷气体的透射比,to为气室的透射比. 将(3)/(2)作为反映被测甲烷气体浓度的变化, K:=(4) 由(4)式可知由气室决定,为固定值,t_的变化代表了 被测甲烷气体浓度的变化;消除环境,光源功率变化引起的漂 移. 4.4放大电路 由于参考敏感元件和测量敏感元件输出信号的电压较微 ? 68? 矿用红外甲烷传感器采用甲烷气体对特征波长的红外辐 射吸收的原理,不与井下环境气体直接接触,不改变环境气体 的性质,不与环境气体发生物理或化学反应;由于是甲烷气体 的特征吸收波长,测量值只反映的是甲烷气体的浓度.其测量 范围可达100%CH,且测量精度在0—100%C~范围内相差 不大. 载体催化型甲烷传感器通过甲烷气体燃烧,产生热量,使 载体催化元件的电阻值发生变化来反映所检测的甲烷气体的 浓度,甲烷和氧气发生了化学反应,消耗了甲烷和氧气,释放 了二氧化碳和水蒸汽,并产生热量,对井下环境气体造成了影 响,必须要与环境气体接触,一旦与载体催化元件接触的气体 中可燃气燃尽,或是释放的二氧化碳和水蒸汽充满了反应的 气室,就不能检测到甲烷气体的浓度.由于载体催化元件的化 学反应,只能有效地,可靠地测量可燃气体的爆炸下限(LEL) (下转第页7O页) 煤矿现代化2009年第6期忌第93期 印更高质量,更大幅面的供电系统图提供了可能. 使用AutoCAD绘制供电系统图的一般步骤如图3所示. 图3绘图步骤 4数据提取与管理 井下电器,电缆的使用情况不仅要以供电系统图的形式 直观地反映出来,而且还需要以数据报表的形式反应出来,同 时,随着矿井生产的延伸,井下供电系统日益复杂,电器,电缆 投入多,分布广,回收和发放频繁,这些反映井下电器,电缆使 用状况的庞大数据量以人工方式操作既不明晰,也不利于保 证图纸中数据的一致性,可能造成统计报表中的数据与图纸 中的数据冲突. 为了解决数据的提取和管理问题,同时也为了进一步使 成图更为 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ,统一,我们根据煤矿井下供电系统的实际,制 作了多个统一的电器和电缆图块,通过图块迅速”搭建”起供 电系统图,同时,这张供电系统图中的设备,电缆信息不是以 孤立的图形形式出现的,而是包含于图块的属性之中,它们是 图块信息的一部分,这样,就可以提取相应的属性,用于数据 库管理(如表一所示),极大地提高了数据管理的效率,把原来 供电设计与绘图,设备管理,电缆管理有机整合,形成了供电 信息系统,而不再是简单的供电系统图. 表1通过提取供电系统图中的属性整理得到的 电器,电缆数据表示例 5结束语 使用AutoCAD绘制井下供电系统图,大大提高了绘图,出 图的速度和质量,修改十分方便,这对于需要跟随频繁变动的 井下供电实际不断修改的井下供电系统图意义十分重大.同 时,图块及其属性的设计及应用使得供电系统图已不仅仅是 简单的图形,而且内在的包含了诸多的可供提取的供电管理 信息,整合了供电管理的各部分,形成了供电信息系统. 计算机技术应用于煤矿井下电气管理领域已展现出广阔 的前景.随着计算机技术的发展,计算机在井下电气管理中 的应用必将更加深入. 作者简介 王朝水,男,现年4|D岁,1996年淮南矿院机电工程专业毕 业,现任皖北煤电集团公司刘桥安全培训中心教务副科长. (收稿日期:2009-4-29) (上接第68页) 值,对甲烷气体,只能测量到5%CH.井下所有的可燃气体都 可与载体催化元件进行燃烧反应,因此,测量到的甲烷气体的 浓度还含有其他可燃气体的贡献,不能准确反映井下气体中 甲烷气体的浓度. 5.2响应时间 矿用红外甲烷传感器的光源采用电脉冲调制,气室中的 气体由于电调制而膨胀和收缩,气室就象呼吸一样,提高了在 井下使用中,对环境气体变化的响应速度. 载体催化型甲烷传感器燃烧产生热量及二氧化碳与水蒸 汽,在反应气室中形成了一个正压强,阻止了井下环境中的新 鲜气体的进入,实际使用中,减缓了对环境气体变化的响应速 度. 5.3调校 矿用红外甲烷传感器依据其工作原理,只需要在清洁的 空气中校准零点,其精度一般不用频繁地调校. 载体催化型甲烷传感器由于载体催化元件与可燃气体的 6 结论 圆锥曲线的二级结论椭圆中二级结论圆锥曲线的二级结论圆锥曲线的二级结论探究欧姆定律实验步骤 经多年的研究,开发,由北京思优特科技发展有限公司批 量生产的矿用红外甲烷传感器已在全国的多个矿井得到了应 用,取得了良好的效果,积累了有益的技术与经验.矿用红外 甲烷传感器测量范围为0,100%CH,克服了井下水汽与粉尘 的影响,符合防爆要求,其测量精度达到了行业标准的要求. 参考文献 [1】刘永平.红外技术在煤矿井下测温和测气中的应用【J】.红外 技术,2000,22(4):59-62. [2】朱志英.新型矿用红外瓦斯检测仪的研制【D】?E京:中国矿业 大学(北京校区)硕士 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ,2005. [3】IRlxxxSeriesMiniatureInfraredGasSensorsforHazardous Areas.e2vtechnologieslimited2003 作者简介 刘永平高级工程师,主要从事红外技术在煤矿中的应用 研究. 化学反应,其零点和精度必须定期进行调校.(收稿日期:2009—9—19) ResearchandManufactureofMine—UsedInfraredMethaneTransducer LiuYongpingAnWeiCoalResearchInstitute GuoShizhaiYulinEnergy&ChemicalsCo..1ld.ofYanzhouCoalMiningCo.1td. DangKangning,BaiWei’anYangJinfangBeijingSiyoutekeTechnology&DevelopmentCo..1ld. Abstract:rrhispaperoffersthetheory,performanceandcompositionofmine-usedinfraredmethanetransducer.andkeyproblemsthat neededtobesettledformine-usedinfraredmethanetransduceraswel1. Keywords:infraredteehnologytransducercoalmine ? 7O?