基于非分光红外的煤矿井下多组分气体传感技术的研究.pdf

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1、机械管理开发总第146期MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELoPMENTTotalof1462015年第4期No．42015设计试验基于非分光红外的煤矿井下多组分气体传感技术的研究郑文贤。田晓平(1．西山煤电官地矿，山西太原030053；2．西山煤电技术中心，山西太原030053)摘要：研究了一种基于非分光红外(NDIR)探测技术的多组分气体成分检测的光纤气体传感器，同时检测气体的浓度，实现多组分气体的快速检测。关键词：煤矿环境检测；红外吸收；光纤气体传感器中图分类号：TD71文献标识码：A文章编号：

2、1003．773X(2015)04．0012．03DoI：1O．16525／i．cnki．cnl4．1134／th．2015．04．004引言入射光谱范围内，那么光通过气体以后，在相应谱煤矿工作环境已成为业界关注的焦点问题，线处会发生光强的衰减。涉及以人为本的施政和管理理念，而且工作环境()一()e-k(A)Lc(1)的特殊性也从另一个侧面反映了该工作环境状态式中：。()为入射光的强度；J()为透射光的强下的安全问题，对煤矿井下甲烷、一氧化碳、二氧度；L为辐射通过气体A层的厚度；C为被测气体化碳这几种气体的动态变化监测成

3、为关乎到煤矿A的浓度；k()为吸收截面，即每克吸收气体吸收科学管理和安全生产的基本监测内容或重要参系数，是波长的函数。数，越来越受到业界的关注和重视。传统的用于整个系统输出的传感器电压信号经过调理电检测气体的传感器其监测原理为通过监测传感器路和放大电路再经A／D转换后，进入微处理器，的电阻或电容变化来测定气体浓度，存在的致命最后得到反应的是几种待测气体对中红外光的吸弱点为灵敏度低、抗干扰能力差；由于光纤气体传收情况的数据，根据朗伯比尔定律，气体吸收通道感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防和参考通道的输出电压值是l

4、_】]：电磁干扰、防燃防爆、不易中毒等特点，也能实现Ugas一，gas·(P)·Rg·Cgas(2)远距离数据采集及监控。因此，研究基于非分光Uf===Ie{·Rf·Cef(3)红外的井下多组分气体光纤传感器，对于煤矿安式中：J、分别为不同气体的测量通道和参考全生产环境监测具有十分重要的意义。通道的出射光强；R、R分别为不同气体的测量1基本原理通道和参考通道的滤光片透射率；C、C分别为在2～14．5m的红外吸收光谱范围内，物质不同气体的测量通道和参考通道的热电堆探测器对红外辐射的吸收是有选择性的。当红外辐射通的响应度；k

5、为气体吸收系数；C为被测气体B的过被测气体时，分子吸收光能量，吸收关系遵循朗浓度；z为被测气体的吸收总长度。伯一比尔(Lamber-Beer)定律，如果气体吸收谱线在将上式(2)中两式相比得到待测量气体通道和参考气体通道输出的电压比为：收稿日期：2015—04—02UgJ·(e一)·Rg。·Cgas^rr—一第一作者简介：郑文贤(1976一)，男，山西繁峙Ueff·Rf·Cf人，工程师，现就职于西山煤电官地矿，从事煤矿一鲤：．：鲤．(4)并下安全生产工作。工f·Rd·Cd。一郑文贤，田晓平：基于非分光红外的煤矿井下多组分

6、气体传感技术的研究2015年第4期·13·假设3．3m处，所以选择此处的吸收谱线来测量甲烷气体，如图1所示为中红外范围内甲烷气体吸收K。一鲁㈣谱。同理，二氧化碳气体(COz)选择4．26m，一当气室内被测气体浓度为零时，即C一0，能够氧化碳(CO)选择4．6m作为滤波片的中心得出：波长。AU—K·e一(6)，△U、0f一一一——㈩，嘿上式能够写成：AU一厂(c)(8)光谱峰值以上为理论推导，在实际应用中，基本方法是图1中红外范围内甲烷气体吸收谱通过用化学分析的方法首先确定并实现已知浓度2．3探测器的选择的标准气体的测量，

7、得到一系列的标定值，由标定本系统选用了某公司的Q21热电堆探测器如值对装置中的待测值修正，并由此来拟得待测气图2所示，基本工作原理与热电偶测量温度原理体的浓度C的关系曲线。一致[。直接吸收法的基本原理是从光源射出的红外辐射直接经过充有待检测气体的气室，用光电探测器来检测光强的强弱变化。当气室里面没有充入被检测气时，光源光线照射到光电探测器后输出的光强，而充人对光源发出的红外光有吸收作用的被测气体后，光电探测器输出的光强对比和的差异，就能够反映出被测气体的浓度信息。2系统设计图2Q21热电堆探测器2．1系统的构成根据上述计

8、算和标定的检测波长选择相应的基于光源吸收式气体传感系统由三部分组红外带通滤波片。确定二氧化碳气体选用G2滤成：可控的红外光源部分，气体实时传感部分和微光片，G1．2作为测量CO浓度的滤光片，对于甲烷电子和数据转化处理部分。气体，选择G5．1滤光片。光源部分由红外光源及其驱动电路组成；光源2．4气室的设计驱动电压的波动