矿井内单光束多波长混合气体浓度检测方法及装置制造方法及图纸

矿井内单光束多波长混合气体浓度检测技术及装置属光学气体检测领域，选用电调制（ＡＴ８９Ｃ５２）低温热辐射红外电光源（２），按检测精度选定双波长法特定气体浓度反演式适用温度区段的范围，以各待检气体特征吸收峰波长和皆不吸收波长为滤过波长的滤光处理（１６、１７、１８、１９、１５），对滤过光每调制周期上升沿等时多点光强做算术平均，以系数ｋ＝６．２１７１３×１０↑［－６］修正光源功率自身漂移，计算混合气体爆炸界限与危险程度等方法，和带有基准稳压电源（ＡＤＰ２００）、开腔气室（１２）、采集处理电路（９）、温度与氧化锆传感器（６、１０）及除露保洁部件（４）等结构。能在井下进行多种危险气体、各种浓度、高灵敏、高精度、快响应的现场真实检测。有与矿井现行监控系统兼容的输出信号制式，能进行连续分析和自动控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属光学气体检测技术，主要涉及矿井内气体浓度检测技术方法及其配套设备的结构改进。
技术介绍
目前国内外气体浓度检测研究的重点主要为载体催化燃烧式、光干涉式及热传导式等三种瓦斯传感器，而这三种也是目前矿井下使用最广泛、最普遍的瓦斯传感器。在这三种瓦斯传感器中，载体催化式传感器近年来得到了广泛的应用，已占据了煤矿瓦斯检测仪器的主导地位。但由于该类型传感器受催化物质的“中毒”、“激活”等固有缺陷影响，使得这类传感器存在着寿命短(一般为一年左右)、稳定性不好、需频繁调校(一般为每7～10天需调校一次)等不足；其调校工作又需要专业技术，现场调校后设备也很难达到出厂时的精度标准。同时该类型传感器输出具有二值性特点，因此其检测浓度范围不超过5％CH4，一般为0～4％CH4；而此值只是瓦斯安全含量的范围。在为数较多的高瓦斯矿井中使用这种设备，难以准确反映现场瓦斯含量超出安全范围的具体情况，不能为正确决断提供必要的检测数据，不能为及时发现瓦斯隐患和防止瓦斯灾害提供所需要的检测支持。光学干涉型瓦斯传感器或瓦斯检定器具有灵敏度高、测量速度快、测量范围宽等特点，但由于易受其它气体的干扰和环境因素的影响，这类传感器同样存在着检测误差大、稳定性不好的缺陷。例如，CO2气体的折射率(1.0004481)和瓦斯折射率(1.0004419)相近，测量结果将是两种气体浓度的叠加值，因而形成测量误差。同时任何能改变气体折射率的因素如气压的变化、温度的变化、水汽浓度的变化、其它气体成分的干扰都将严重影响到测量结果。因此，该种类型瓦斯检定器需要水汽吸收剂、二氧化碳吸收剂或分子筛以减小水汽、二氧化碳对测量结果的影响，同时需要对温度、气压变化进行校正并定期更换水汽吸收剂、二氧化碳吸收剂，这些不足使得该类型传感器的使用受到限制。热导式传感器瓦斯传感器具有检测范围大、工作稳定性好、价格便宜等特点，但受检测原理的限制存在着检测精度差、温度漂移大、灵敏度低等缺点。基于光谱学原理的瓦斯传感器因为其探测原理的先进性，天然地具有灵敏度高、响应速度快、测量范围大、不受其它气体干扰等优点，且没有载体催化型传感器特有的“中毒”、“激活”等缺陷。因此基于光谱学原理的瓦斯传感器应是今后瓦斯传感器的发展方向。基于光谱学原理的瓦斯传感器根据其检测原理一般可分为光谱吸收式、喇曼光谱式和荧光光谱式及折射率式(主要用于功能型光纤传感器)四种。喇曼光谱式和荧光光谱式瓦斯传感器由于需要较强的激发激光光源，有可能成为矿井瓦斯爆炸的引燃源，因此不适合在煤矿井下使用。光谱吸收式一般有单波长双光束法和单光束双波长法两种，较早应用于气体分析，其技术也较为成熟。无论单波长双光束法还是单光束双波长法，一般均使用红外光源(加热至1000℃的瓷土棒)，但在矿井下使用加热至1000℃的瓷土棒红外光源是一个严重安全隐患。为了提高灵敏度和检测精度，一般均使用机械斩波器进行调制，导致该类型检测设备笨重、复杂，价格高。因此导致长期以来该类型瓦斯检测仪器在煤矿井下的应用受到限制。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提出可用于井下的，矿井内单光束多波长混合气体浓度检测技术及装置的技术方案。本专利技术技术方案方法部分的具体内容是，矿井内单光束多波长混合气体浓度检测技术方法，包括测定待检气体对被调制检测光的吸收量，依该吸收量与相应混合气体成分含量间的对应关系、或该对应关系在兼含其它影响因素时的修正形式，计算待检气体混合成分含量。其中，所述检测光由低温热辐射红外电光源产生；由调制电路对检测光进行调制；以双波长法气体浓度反演式，建立所述吸收量与相应混合气体成分含量间，随检测环境温度而改变的对应关系；并按检测精度选定气体浓度反演式所适用温度区段的范围。这样，低温热辐射红外电光源提供了在危险气体环境下光源安全工作的可能；调制电路可以实现对检测光的调制，明显简化了设备的构成与对工作条件的要求，大大减轻了设备的体积与重量；设定不同大小温度区段范围下特定气体的不同反演式，既建立了检测与浓度间随温度而改变的对应关系，又兼顾了合理检测精度的实际要求；使光谱吸收式检测方法有可能在井下现场进行，从而使本专利技术提出方法部分的技术问题得到基本解决。本专利技术所述检测光测定前，还需经滤过光波长为相应气体成分的特征吸收峰波长，和波长值为该气体对光基本无吸收波长范围内的一处、并作为参考光波长的滤光处理。其中，相应特征吸收峰波长的滤光处理可以是，波长值分别为现场混合气体所含多种待检危险成分各自相应特征吸收峰波长的多个滤光处理；并选定同一参考光，其波长为该多种待检危险气体皆基本无吸收波长共同范围中的一处波长。这样，滤光处理从待检测光中，选择了双波长法气体浓度反演式所需要相应波长的滤过光；对应多种待检危险气体成分相应的多个特征吸收峰波长的滤光处理，则为以基本同步的方法实现多种目标气体含量的双波长法检测提供可能。本专利技术所述气体浓度反演式中的光强，按检测光每调制周期上升沿等时间隔多点光强的算术均值求得，借以减小噪声波动的影响。本专利技术所述对被调制检测光吸收量与相应混合气体成分含量间对应关系的修正形式还包括，对气体浓度反演式中特征吸收峰波长处光强与参考波长处光强的比值的修正，即以光源功率自身漂移系数k＝6.21713×10-6，与参考光光强正负漂移量的乘积，对特征吸收峰波长处光强与参考波长处光强的比值，予以同向增减修正。以消除光源功率自身漂移对检测结果的影响，并使设备启动后迅速进入工作状态。本专利技术所述方法还包括对混合气体爆炸界限和危险程度的计算，即以里查特(Le Chatelier)法则确定混合气体爆炸上、下限的计算，确定柯瓦德爆炸三角形范围的计算，和对待测环境现场含氧浓度条件下待测气体的爆炸性和危险级别的判断，以使检测结果进一步与现场危险程度相关。本专利技术所述方法还包括对在检测光路中暴露于现场的透明部件表面的即时强制通风处理，以清除透明部件表面附着的微尘和结露，保持正常工作状态，避免井下煤尘等污染对测量结果的影响。本专利技术技术方案装置部分的具体内容是，矿井内单光束多波长混合气体浓度检测装置包括，机体，与机体相联、容纳待检测气体的气室，位于气室始端、产生检测光、并使其通过气室、与机体相联的检测光源，对光源进行调制、与之相联并固定于机体的调制信号发生器，位于气室终端、检测气室透射光信号、与机体相联的接收装置，与机体相联、采集影响检测结果因素参量的传感器，接收接收装置和传感器输出、依对接收采集数据运算要求建立相应参数间关系、进行选择与计算、并固定于机体的数据采集与处理电路，接收处理电路输出并固定于机体的检测结果显示器。其中，所述气室为与现场气体环境保持畅通的开腔式结构；调制信号发生器为以固定频率对光源供电电路进行调制的调制电路；检测光源为工作温度低于井下危险气体燃点的低温热辐射红外电光源；并设有可感受待检气体现场温度的传感器；采集与处理电路含有对接收装置的输出信号进行多点采集、平均计算，依温度传感器输出判断其所属温度区段，依所属温度区段建立相应待检气体成分的浓度反演式，以及依浓度反演式求解相应气体浓度的运算电路。这样，低温热辐射红外电光源能保证在井下安全工作，调制电路可以实现对光源供电电路的调制，温度传感器可以感传与浓度反演式相关的温度参数，采集与处理电路可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
矿井内单光束多波长混合气体浓度检测技术方法，包括测定待检气体对被调制检测光的吸收量，依该吸收量与相应混合气体成分含量间的对应关系、或该对应关系在兼含其它影响因素时的修正形式，计算待检气体混合成分含量；其特征在于：所述检测光由低温热辐射红外电光源产生；以调制电路对检测光进行调制；依双波长法的气体浓度反演式，建立所述吸收量与相应混合气体成分含量间，随检测环境温度而改变的对应关系；并按检测精度选定气体浓度反演式所适用温度区段的范围。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹王保，贾锁堂，张雷，董磊，李霖锋，窦海鹏，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]