紅外瓦斯傳感器在小煤礦應用的可行性分析

【摘要】紅外瓦斯傳感器以其測量精度高，穩(wěn)定性好的特點，通過對紅外檢測原理的詳細分析，并結合小煤礦使用的實際情況，分析出紅外瓦斯傳感器能夠在小煤礦應用是可行的。

【關鍵詞】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)測系統(tǒng)和設備中的關鍵設備，它肩負著檢測礦井瓦斯?jié)舛鹊闹厝?，也作為礦井瓦斯綜合治理和災害預測數據的提供者。

煤礦井下常用的瓦斯傳感器，按檢測原理分類可分為催化燃燒式、紅外吸收式、光纖式、半導體氣敏法、和光干涉法等，其中固定式瓦斯傳感器煤礦應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瓦斯傳感器用量的95%以上。紅外瓦斯傳感器隨著國家政策的引導在煤礦上也逐步的進行了應用。

本文主要從重點分析紅外瓦斯傳感器工作原理、對比分析各類瓦斯傳感器的優(yōu)缺點、分析小煤礦應用的實際情況，最后總結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]，是通過檢測氣體透射光強或反射光強的變化來檢測氣體濃度的方法。該方法的基礎是每種氣體分子都有自己的吸收（或輻射）譜特征，只有當光源的發(fā)射譜與氣體吸收譜重疊時才會發(fā)生吸收現象，吸收后的發(fā)射譜光強將發(fā)生變化，因而具有高度的選擇特性。當一束紅外光通過充有氣體的氣室時，如果紅外光光譜恰好覆蓋一個氣體吸收線，那么部分光就能被該氣體吸收并轉化為分子振動和能量，使紅外光的光強發(fā)生相應的衰減。根據朗伯-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有關的常數；

C為被測氣體的濃度；

L為紅外光透過的氣體層厚度。

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，礦方相關人員容易理解和接受，便于傳感器的日常管理與維護。

圖2.1 紅外吸收瓦斯傳感器組成圖

圖2.2 紅外檢測元件結構示意圖

2.3 紅外檢測元件組成

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

2.4 紅外光源

為了最終得到有效的測量信號，紅外光源在氣體強烈吸收紅外輻射的波段處應具有較高的輻射能量，也就是說，它必須提供測量所需的足夠的光強。目前，一些中紅外區(qū)域的大功率紅外線發(fā)射管其價格偏高，所以紅外氣體檢測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，到達探測器的時會包含多個氣體的吸收譜線。

為了確保傳感器對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以甲烷氣體特征吸收波長為中心波長的紅外濾光片（選取3.39μm），使該波段內的紅外輻射得以通過到達探測器，而其他波段的光強受到抑制無法通過。探測器檢測到的即為甲烷氣體特征吸收線處的光強。參考光路使用的紅外濾光片的中心波長選在絕大多數氣體都不會涉及的波段，通常在選取4.0μm附近波長。其示意圖如圖2.3所示。由此可以看到紅外檢測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 紅外探測器

透過濾波片的光能量需轉換成電信號才能用于處理，而這一過程是通過紅外探測器來完成的，探測器的光敏層由鋰、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，當它被加熱時便反向承載[5]。如圖2.4所示，描述的是紅外輻射線變成為電信號的過程，通過一個窗口或紅外過濾器，傳輸率t的射線到達熱點元件，該射線被吸收并在熱電裝置中產生一個溫度△T。由熱向電的轉化取決于△T的變化和電極的承載密度，這之后伴隨著電信號的轉化△U。

圖2.4 紅外光轉換成電信號的過程示意圖

通過探測器的工作過程，了解到紅外探測器影響著整個紅外檢測元件的測量精度和響應時間，而探測器對光子強度反應靈敏度高，其測量分辨率也較高，這就決定了紅外檢測元件具有較高測量精度和較快的響應時間。

2.7 光學檢測元件工作原理

目前光學檢測元件基本都采用的是國外進口檢測元件（以英國E2V公司生產的IR12GJ為例），其元件都采用的是雙探測器、單光源、雙光路、折疊式氣室，此種設計大大增加了光路長度，減少了檢測元件的體積，其光路模型如圖2.5所示。

圖2.5 紅外吸收檢測元件光路模型圖

鎢絲通電后發(fā)出紅外光，光路經過折疊通過氣室，在經過兩個濾光片分別濾出3.9μm和3.39μm的參照光（虛線）和測量光（實線），照射在兩個鉭酸鋰熱電探測器上。這種設計可使紅外光線多次經過氣室，相當于增大了氣室的路徑，可以提高檢測精度和靈敏度，同時也減小了傳感器的體積。這兩個鉭酸鋰熱電探測器，一個稱為“參考端”探測器1，另一個稱為“測量端”探測器2。那么，到達“測量端”探測器的3.39μm波長的紅外光經過甲烷氣體后有明顯的吸收現象，而到達“參考端”探測器的3.9μm波長的紅外光基本無變化。

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

Fa=1-

式中：S1、S2分別為測量端和參考端的輸出信號電壓峰峰值；其中R定義為：

R=

式中：s'1和s'2為沒有甲烷氣體時探測器1（測量端）和探測器2（參考端）各自輸出電壓的峰峰值，例如在校準時使用的氣體是100%體積的N2（氮氣的容積占氣瓶容積的100%，即氣瓶內為純氮氣），不含瓦斯氣體。

根據朗伯-比爾定律，兩路信號都與當前光強成正比，假設兩個通道的比例因子分別為k1和k2。對于氣體測量信號：GAS∝k1I0e，對于參考信號：REF∝K2I0。由于光強I0很難準確測量，為了消除光強因子的影響，對測量信號GAS和參考信號REF求比值，從而消除了光源的影響，提高了測量的準確性。

由甲烷檢測元件工作原理可以得出，檢測元件對甲烷濃度檢測范圍不受限制，只要內部光源的光強度足夠，其光被甲烷吸收后能夠被探測器采集就能實現對甲烷濃度的測量，所以紅外瓦斯傳感器能夠實現0-100%CH4的測量。

2.8 電氣部分工作原理

電氣部分工作原理即整個傳感器的工作原理：首先由單片機產生4Hz、50%占空比的方波信號加載到鎢絲上，調制鎢絲使其發(fā)出一定頻率的探測光，該探測光經過被測氣體區(qū)域后被加有對應不同波長濾光片的光電探測器接收并進行光電轉換，轉換來的信號經放大電路放大后送至單片機進行A/D采樣、轉換、計算，同時測量的溫度信號也被傳送到單片機，經過濾波、計算、溫度補償等相關處理，最后由顯示模塊顯示出瓦斯的濃度測量值。

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度、紅外探測器件的響應度、信號處理前端電路中分離元件（如耦合電容）的特性等方面。溫度影響具體表現為：在無甲烷氣體時零點值會隨溫度的升高而增加；線性度的測量值也會隨溫度的升高而增加。因此，在數據處理上，相應的零點和線性都需要做單獨的溫度補償。

通過傳感器整機做溫度補償，將檢測元件溫度影響和硬件電路部分器件的溫度影響一起進行溫度補償。根據零點和線性的溫度補償流程進行溫度實驗，并通過計算公式計算得到溫度補償的各項參數。另外溫度實驗數據也可直接輸入到廠家提供的軟件中進行反算得到溫度補償的各項參數，并可根據軟件進行仿真出溫度補償的效果，其溫度補償后示意圖如圖3.6、3.7，圖3.7以2.00%CH4點為例。

通過對紅外瓦斯傳感器進行溫度補償，其整個線性段內其精度可以達到0-1.00%CH4時±0.06，而在1.00%-100%CH4內測量精度滿足測量值的±6%。其測量精度遠高于催化瓦斯傳感器的測量精度。

3.各類型瓦斯傳感器特性對比分析

根據對紅外瓦斯傳感器濃度檢測工作原理的詳細分析和特性總結，并結合其它各檢測原理特性做一綜合對比，其對比表見表3.1。

表3.1 各類瓦斯傳感器特性對比表

催化燃燒型熱導型紅外吸收型光干涉型

物質消耗有有無無

測量范圍窄較寬寬寬

測量精度一般差高高

免標校時間15天15天2個月以上——

高濃沖擊影響有無無無

元件中毒問題有有無無

其他氣體影響有有無有

濕度影響有有有有

使用壽命短短長長

響應時間快一般較快慢

維護周期頻繁頻繁較少較頻繁

在線監(jiān)測是是是否

煤礦應用時間長長較長長

從對比表中可看到紅外瓦斯傳感器的各項性能都較為突出，特別是測量范圍寬、測量精度高、免標校時間長、使用壽命長和較少量的維護，正是當前煤礦所需要的。特別是一些人手不足且技術實力薄弱的小型煤礦，通過紅外瓦斯傳感器的應用可提高瓦斯監(jiān)測的準確性和降低傳感器的維護工作量，進一步保證小型煤礦的瓦斯監(jiān)測的可靠性。

4.紅外瓦斯傳感器在小煤礦推廣的可行性

4.1 國內小煤礦催化瓦斯傳感器使用現狀

目前，國內小煤礦井下用于檢測瓦斯的固定式在線監(jiān)測用傳感器，主要為采用載體催化式檢測元件的瓦斯傳感器，主要不足表現在：

（1）測量范圍只能測量0-4%濃度段，高于4%后無法正確測量，并且受高濃沖擊后檢測元件性能不穩(wěn)定，導致傳感器出現誤報警等異常現象；

（2）部分礦井煤層含硫化氫等氣體，載體催化元件會發(fā)生中毒問題，嚴重影響瓦斯傳感器的正確測量，影響礦井安全生產的同時，增加了產品的維修成本；

（3）工作穩(wěn)定性短，往往達不到10天就需要進行標校，大大增加了對傳感器的維護工作量，部分小煤礦無法投入更多的人力進行傳感器的日常維護。

由于催化式瓦斯傳感器存在著上述問題，越來越多的煤礦特別是小型煤礦，由其人手不足且技術實力相對薄弱，對傳感器的日常維護很難落實到位。需要一種具備全量程測量能力、長時間不用標校、工作相對穩(wěn)定的瓦斯傳感器替代現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

隨著煤礦對紅外瓦斯傳感器需求的增加，國內主要的礦用傳感器生產廠家都對紅外瓦斯傳感器進行了開發(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證件，紅外瓦斯傳感器在煤礦應用也越來越多，對傳感器各項性能也在不斷的進行完善。經過多年煤礦的實際使用，紅外瓦斯傳感器使用過程中出現的問題已得到有效的解決。紅外瓦斯傳感器的測量范圍寬、測量精度高、免標校時間長、使用壽命長和較少量的維護等優(yōu)勢也得到了煤礦用戶的認可。

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格相對較高，而紅外瓦斯傳感器的價格主要取決于紅外檢測元件的價格，元件成本相對較高，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元件的壽命遠長于催化瓦斯傳感器，同時其工作穩(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、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，其檢測元件的用量將逐步增加，相應的紅外檢測元件的價格也將有所下降。同時，國外元件生產企業(yè)陸續(xù)開始在國內建設生產基地，紅外檢測元件的價格也有望逐步的降低。所以，紅外瓦斯傳感器的成本也會逐步降低。

5.結論

紅外瓦斯傳感器具有測量范圍寬、測量精度高、免標校時間長、使用壽命長和較少量的維護，完全適用于人手不足且技術實力薄弱的小型煤礦，通過紅外瓦斯傳感器的應用，既能提高小型煤礦瓦斯監(jiān)測的準確性，又能降低了傳感器的維護工作量。

參考文獻

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