基于紅外光譜吸收原理的紅外瓦斯傳感器

基于紅外光譜吸收原理的紅外瓦斯傳感器

目前，我國最常用的三種類型的msa-2503、光譜法和熱傳導(dǎo)法，但檢測技術(shù)滯后、檢測范圍窄、調(diào)整頻繁、使用復(fù)雜、誤報和誤報容易造成事故。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，近年來，國內(nèi)外報道了大量使用近紅外激光電極或近紅外分光檢測器的msa。這種msa探測器的靈敏度和測量范圍達(dá)到了較高的水平，但近萬元的制造成本很難擴(kuò)展到礦山生產(chǎn)的實際應(yīng)用。因此，提出了基于紅外光譜吸收原理的紅外氧化傳感器，并在實驗室中成功運(yùn)行。1igas法當(dāng)某物質(zhì)受到紅外光束照射時,該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為分子的振動和轉(zhuǎn)動能量.為了消除“干擾”氣體和光源輻射不穩(wěn)定性對測量的影響,采用單光束雙波長差分吸收測量法,其中一個波長λgas處于待測氣體的吸收峰上,另一個參考波長λref處于吸收峰波長λgas外且緊鄰λgas,待測氣體對其基本無吸收.根據(jù)Beer-Lambert定律,得I′gas=Igasexp(?αCl?β1),(1)I′ref=Irefexp(?β2),(2)Ι′gas=Ιgasexp(-αCl-β1),(1)Ι′ref=Ιrefexp(-β2),(2)式中,Igas,I′gas分別為位于波長λgas處的光通過待測氣體前、后的光強(qiáng)度;Iref,I′ref分別為位于波長λref處的光通過待測氣體前、后的光強(qiáng)度;α為待測氣體在波長λgas處的吸收系數(shù);C為待測氣體濃度;l為光通過待測氣體的光程;βi為各種不確定性因素對光強(qiáng)的影響(i=1,2),β1≈β2.式(1)除以式(2),整理后得C=1αlln(I′refI′gasIgasIref).(3)C=1αlln(Ι′refΙ′gasΙgasΙref).(3)對待測氣體在λgas,λref上吸收后的紅外輻射強(qiáng)度I′gas,I′ref的測量采用在光電探測器前面加相應(yīng)的窄帶濾光片的方法實現(xiàn)(其中甲烷特征吸收濾波片在3.31μm附近透射,參考光濾波片則在4μm附近透射),其光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示.使用天津港東科技公司的GY-3型單色儀所測的光譜特性如圖2所示.2聲光報警系統(tǒng)紅外瓦斯傳感器的外型尺寸為200mm×145mm×40mm,其外型結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中光源1為熱輻射紅外光源,其光譜波長范圍為2.0～4.6μm,調(diào)制電路2的調(diào)制頻率為0.15Hz,數(shù)據(jù)測量與控制系統(tǒng)3包含了A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集模塊MAX197、數(shù)據(jù)存儲模塊HM62256、數(shù)據(jù)處理模塊AT89C52以及通訊模塊MAX232等,探測器4,5均為熱電堆探測器,溫度傳感器6為一熱電偶,模塊7為4位LED七段碼顯示,8為聲光報警系統(tǒng),殼體9為不銹鋼材料.其工作原理:首先由調(diào)制模塊產(chǎn)生0.15Hz的正弦調(diào)制信號去調(diào)制熱輻射紅外光源,由其所發(fā)出的帶有調(diào)制信息的紅外光作為探測光,該探測光經(jīng)過被測氣體區(qū)域后被加有對應(yīng)不同波長濾光片的光電探測器接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換來的電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后被單片機(jī)解調(diào)并采集,單片機(jī)對這些數(shù)據(jù)按式(3)進(jìn)行計算,同時將測量的溫度信號也送入單片機(jī),經(jīng)過數(shù)字濾波、線性插值及溫度補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)處理,最后給出瓦斯?jié)舛鹊臏y量值.若測值超過用戶的設(shè)定值就會發(fā)出聲光報警信號來督促安全管理員者即時采取斷電、通風(fēng)等防災(zāi)措施.3靜態(tài)瓦斯?jié)舛葴y量在實驗室建立了標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)氣體發(fā)生系統(tǒng)與測試系統(tǒng).標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)氣體發(fā)生系統(tǒng)由北京莫尼特爾公司生產(chǎn)的BML-9551型零氣發(fā)生器、BML-9550型動態(tài)稀釋校準(zhǔn)儀,以及北京氦普北分氣體工業(yè)公司生產(chǎn)的不低于99.9%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣組成.測試系統(tǒng)主要由能輸入、輸出校準(zhǔn)氣的密閉測試槽,紅外瓦斯傳感器,數(shù)據(jù)通信接口,微機(jī)及數(shù)據(jù)通信軟件等組成,其實驗裝置如圖4所示,為安全起見,排空管將甲烷混合氣體通向室外.測試流程:首先使標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)氣體發(fā)生系統(tǒng)輸出某一濃度標(biāo)準(zhǔn)氣,然后將該氣樣連續(xù)導(dǎo)入裝有本傳感器的密閉測試槽,等槽內(nèi)的瓦斯?jié)舛确€(wěn)定后,關(guān)閉進(jìn)出氣閥門來測量靜態(tài)瓦斯?jié)舛?微機(jī)通過數(shù)據(jù)通信接口采集探測器的輸出信號,將數(shù)據(jù)的平均值作為探測器的輸出值,變換濃度并重復(fù)以上步驟.將不同瓦斯?jié)舛认滤杉降臄?shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合,再由擬合的公式進(jìn)行濃度反演,將此反演式作為濃度測量基本式;而后研究由反演式測得的濃度值與溫度等環(huán)境因素之間的規(guī)律來進(jìn)行誤差分析和系數(shù)校正.實驗中,單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)保存在存儲模塊中,然后由微機(jī)在LabView平臺下通過RS232串口進(jìn)行同步采集、處理、顯示并保存為文件供以后分析.4甲烷濃度反演的實際檢測在20℃,101.325kPa環(huán)境中,對不同濃度的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行測試,結(jié)果如圖5所示,其中的豎直短線表示測值的方差.由圖5可看出,本傳感器能夠很明顯地反映外界瓦斯?jié)舛鹊淖兓?其I′gas/I′ref隨甲烷濃度的增加呈指數(shù)式降低,考慮到電路本身的波動等因素,其擬合公式為I′gas/I′ref=1.210366+0.32901exp(-C/11.07774),則其濃度反演式為C=-11.07774ln[(I′gas/I′ref-1.210366)/0.32901],將此式存入單片機(jī)中,每當(dāng)傳感器測出I′gas/I′ref時,就將其代入濃度反演式中求出當(dāng)前瓦斯?jié)舛戎挡⒂娠@示模塊直接顯示出來.圖6為計算值與實際瓦斯?jié)舛戎档膶Ρ?可知當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?2%時,誤差為0.1%;當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^22%時,誤差小于1%,這完全能夠滿足井下瓦斯監(jiān)測的要求.5傳感器的基本原理在設(shè)計本紅外瓦斯傳感器的光學(xué)系統(tǒng)部分時,為了減少紅外傳感器微弱信號的衰減及外界干擾,將前置放大電路一并放在光學(xué)部件上,并采取了一定的電磁屏蔽措施;為了使氣體紅外吸收信號具有較好的分辨率,紅外光源、氣室及紅外探測器設(shè)置在同一光軸上,并使用拋物線型反射鏡來提高光學(xué)效率;本傳感器的殼體為不銹鋼設(shè)計,電路板用瀝青密封,整體密閉且防水防爆,屬于本質(zhì)安全型;因本傳感器采用開腔氣室,而井下環(huán)境惡劣,粉塵等容易污染本裝置的鏡片,對此增添了鏡頭自潔和防結(jié)露功能,以減小環(huán)境影響,并且由于采用的是單光束雙波長技術(shù),所以鏡片的輕度污染對測值結(jié)果的影響幾乎可忽略;另外,為了與現(xiàn)行的煤礦瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)兼容,該紅外瓦斯傳感器不僅配備了多種數(shù)據(jù)通信口,而且還能輸出多種制式的濃度頻率信號或濃度電流信號.6本傳感器的優(yōu)點(1)傳統(tǒng)紅外氣體分析儀器采用封閉式氣室,利用氣泵和管道抽氣輸送樣品氣,這樣不僅降低了環(huán)境瓦斯?jié)舛鹊臋z測真實度,且使整機(jī)的電功率和體積都比較大,再加上防爆外殼就顯得更加笨重,而本瓦斯傳感器采用開腔測量氣室,可使被測氣體能自由通過傳感器的測量光路,能更好地反映被測環(huán)境的瓦斯?jié)舛?同時體積小,功耗低,攜帶方便,成本也低.(2)傳統(tǒng)紅外氣體分析儀一般使用機(jī)械斬波器,這導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高且不穩(wěn)定,而本傳感器則采用了電調(diào)制的方法,整機(jī)輕巧且穩(wěn)定.(3)本傳感器采用參比測量檢測技術(shù),無需進(jìn)行頻繁校正,且本身對干擾、漂移有自動糾正功能.(4)本傳感器具有測量范圍寬(0～99.9%)、精度高(瓦斯?jié)舛刃∮?2%時,誤差為0.1%;超過22%時,誤差小于1%)、響應(yīng)速度快(<8