礦用一氧化碳傳感器的優(yōu)化監(jiān)測方法

常文娟

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100）

引言

我國是煤炭生產(chǎn)大國，煤礦資源的安全生產(chǎn)是基礎(chǔ)保障。在煤礦開釆中有害氣體超限是最重要的安全隱患。生產(chǎn)區(qū)域有害氣體超限，嚴重危害煤礦生產(chǎn)和工人生命安全。一氧化碳是煤炭生產(chǎn)中常見的主要有害氣體，是一種無色、無味的有毒氣體，隨空氣進入人體后能與血液中的血紅蛋白等結(jié)合，造成一氧化碳中毒，威脅生命[1]。同時，一氧化碳易燃易爆，如果引發(fā)爆炸，嚴重危及工作人員生命安全，帶來巨大損失和惡劣影響。因此，對一氧化碳氣體濃度檢測非常必要。目前采用的一氧化碳監(jiān)測設(shè)備主要存在的問題主要有以下幾個方面：

1）設(shè)備貴。一些專業(yè)的設(shè)備太過龐大，而且最重要的是設(shè)備價格高，我國大部分的中小型煤礦無力購買這些專業(yè)的設(shè)備。

2）設(shè)備精確度低。雖然也有低價的一氧化碳傳感器，但是其精確度無法保障，不能確保發(fā)揮作用。比如部分傳感器的傳輸數(shù)據(jù)是將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，這種設(shè)計易受礦井下強電磁設(shè)備干擾，監(jiān)測結(jié)果不準確，易出現(xiàn)誤報警等現(xiàn)象，擾亂煤礦的正常作業(yè)。

3）設(shè)備測量范圍有限，并且便攜性不好，不能按照需求測量相應(yīng)位置[2]。針對以上問題，本文以紅外檢測技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，提出了光纖一氧化碳傳感器的改造方案。

1 一氧化碳傳感器的基本原理

1.1 氣體的光譜吸收原理

一氧化碳傳感器可利用光譜吸收原理。傳感器中光源的發(fā)射波長與測試氣體吸收波長相同時，會發(fā)生共振吸收現(xiàn)象。根據(jù)氣體濃度，共振吸收的強度隨之發(fā)生變化。紅外光譜吸收型光纖一氧化碳傳感器基于這種原理，根據(jù)氣體吸收光譜，對應(yīng)共振吸收強度，測得礦井中一氧化碳的體積濃度[3]。表1 為礦井下常見氣體及其在近紅外波段下對應(yīng)特征吸收峰波長。

表1 礦井常見氣體及其對應(yīng)特征吸收峰波長（近紅外波段）

根據(jù)光的衰減特性，在進行檢測時，使用一道光強為I0的平行光穿過需要進行檢測的氣體，結(jié)合比爾－朗伯特定律（Beer-Lambert Low），計算氣體體積，即可得出光的衰減情況對應(yīng)氣體體積濃度[4]。根據(jù)比爾－朗伯特定律：入射光強I0和出射光強I 及氣體的體積之間的規(guī)律：

式中：α（v）為被檢測氣體的吸收系數(shù)；C 為被測氣體的濃度；L 為平行光吸收路徑長度。

由式（1）變形可得氣體體積濃度：

1.2 一氧化碳吸收區(qū)間分析

在儀器的設(shè)計中，誤差糾正是重要的一項內(nèi)容。比如進行氣體光譜檢測時，物理測量可能產(chǎn)生誤差。尤其在多種被檢氣體的吸收譜帶重疊時，引起氣體譜帶重疊干擾。為了避免這種情況，對一氧化碳的紅外吸收譜線做研究。當氣體的紅外譜線是單峰時能夠消除上述狀況，先對一氧化碳氣體進行整體的區(qū)間透射比分析來確定吸收峰。資料查閱和驗證得出，一氧化碳氣體的吸收峰處于近紅外區(qū)域的1.567 μm 和遠紅外區(qū)域的4.65 μm 處[4]。在遠紅外區(qū)域為基頻吸收，一氧化碳吸收峰強烈，但是測量不穩(wěn)定，易受外界各種因素的干擾。同時由于遠紅外測量時信號傳輸不便，放棄此方案。在近紅外區(qū)域，受到外界干擾小。此處使用LED 燈管作光源，傳輸信號可使用光纖，整體光源效果好，費用低廉，維護方便。因此在改造后，使用波長為近紅外區(qū)域的光源進行研究。

2 傳感器改造的硬件設(shè)計

改造煤礦一氧化碳傳感器的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。組成部分包括光源、傳感器、光電轉(zhuǎn)換部分、數(shù)據(jù)處理部分和鎖相濾波部分等。

圖1 改造后一氧化碳傳感器系統(tǒng)原理圖

2.1 光源的設(shè)計與傳輸

采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為傳感器光源。優(yōu)點在于其譜線窄，反應(yīng)靈敏，效率高。傳輸采用光纖傳感器，優(yōu)點在于光纖傳感器的光纖長且細，光強易達到，體積結(jié)構(gòu)合理，穩(wěn)定性好，且維護方便。項目數(shù)據(jù)情況如表2 所示。

表2 分布反饋式半導(dǎo)體激光器各項數(shù)據(jù)

2.2 光電探測器的設(shè)計

光電探測器要將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。使用光電二極管型號為InGaAs G8371-03，此種型號二極管光源發(fā)射的光波長能夠被探測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，其具有以下?yōu)點：靈敏度高，能夠被探測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺槐Ｕ娑雀?，噪聲低；響?yīng)時間短，滿足短時間內(nèi)響應(yīng)大量信息的要求。

2.3 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計

信號處理系統(tǒng)工作原理如下：首先用傳感器收集數(shù)據(jù)，將電信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；與標準數(shù)據(jù)進行對比，若數(shù)據(jù)超過標準限定，觸發(fā)警報系統(tǒng)。系統(tǒng)信號處理數(shù)據(jù)處理量大，通過ARM 的ARM7TDMI 處理器實現(xiàn)，新的信號處理系統(tǒng)高效且抗干擾性強。

3 傳感器的軟件設(shè)計

設(shè)計程序聯(lián)系硬件功能，完成整體運行。根據(jù)所需設(shè)計軟件系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 煤礦一氧化碳傳感器軟件設(shè)計流程圖

對傳感器收集到的數(shù)據(jù)采取數(shù)字濾波處理方式。采用平均值濾波方式防止周期性干擾，同時提高系統(tǒng)信噪比。同時收集測量兩路采樣的電壓幅值，對其進行積分求得平均值，再計算轉(zhuǎn)換為顯示屏上的濃度值。

4 結(jié)語

煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中有害氣體超標，不僅影響開釆工作的安全進行，還影響煤礦開釆的經(jīng)濟效益，影響采礦工作人員的生命安全。對一氧化碳氣體濃度檢測非常必要，一氧化碳傳感器的合理運用是礦井安全作業(yè)的基礎(chǔ)。本文分析了一氧化碳傳感器存在的問題，提出改造方案，改善軟件與硬件方面的設(shè)計。經(jīng)改造的一氧化碳傳感器，以光纖傳輸為基礎(chǔ)，比以往設(shè)計抗干擾性更強，更穩(wěn)定，效率更高，價格成本更低，能提高煤礦安全生產(chǎn)水平，具有應(yīng)用推廣價值。