[發(fā)明專利]基于光譜吸收的煤礦瓦斯多點(diǎn)在線檢測(cè)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910060461.7
• 申請(qǐng)日: 2009-01-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101477042A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 向雄;林楠;宋玲艷;黃國(guó)濤;樊士彬;曾憲勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢電信器件有限公司
• 主分類號(hào): G01N21/35
• 分類號(hào): G01N21/35;E21F11/00
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所
• 代理人: 黃瑞棠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種煤礦瓦斯檢測(cè)裝置，尤其涉及一種基于光譜吸收的煤礦瓦斯多點(diǎn)在線檢測(cè)裝置；具體地說(shuō)，涉及一種基于甲烷(CH₄)在近紅外波長(zhǎng)1653nm附近的特征吸收線而研制的煤礦瓦斯多點(diǎn)在線檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)

我國(guó)人口眾多，礦產(chǎn)豐富；但煤礦瓦斯煤塵爆炸事故嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。煤礦中瓦斯的主要成分是CH₄，約占83～89％，瓦斯是煤礦自然災(zāi)害的重要根源。瓦斯達(dá)到一定濃度能使人窒息，遇火源爆炸；瓦斯爆炸還極易引起煤塵爆炸。煤礦中瓦斯突出也是一種強(qiáng)烈的動(dòng)力現(xiàn)象和嚴(yán)重的災(zāi)害，瓦斯事故已占全國(guó)煤礦重大事故總數(shù)的70％以上；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯氣體含量、防止其爆炸意義重大。為了預(yù)防與控制事故的發(fā)生，最大限度地減少人員傷亡事故，必須設(shè)置能在線實(shí)時(shí)快速檢測(cè)甲烷氣體濃度的儀器和設(shè)備。

目前，我國(guó)絕大多數(shù)大型國(guó)有煤礦的瓦斯預(yù)警裝置都是一種電催化探測(cè)裝置，然而長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)載體催化元件一直存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差和調(diào)校期頻繁的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯的正常檢測(cè)，因而需要開(kāi)發(fā)一種能實(shí)時(shí)檢測(cè)、安全有效的傳感技術(shù)。光纖氣體傳感技術(shù)是把光纖作為信號(hào)傳輸通道的傳感技術(shù)，是一項(xiàng)正在發(fā)展中的具有廣闊前景的新型技術(shù)。由于光纖本身在傳輸信息過(guò)程中具有許多特有的性質(zhì)，如光纖傳輸信息時(shí)能量損耗很小，給遠(yuǎn)距離遙測(cè)帶來(lái)很大的方便；光纖材料性能穩(wěn)定，信號(hào)不受電磁場(chǎng)干擾，在高溫、高壓、低溫、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下保持不變；所以光纖傳感器從問(wèn)世到如今，一直都在飛速地發(fā)展。

近年來(lái)，采用光纖傳感原理設(shè)計(jì)的便攜式光纖傳感器和單點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)裝置不斷問(wèn)世，但存在成本過(guò)高、檢測(cè)靈敏度不高、沒(méi)有形成網(wǎng)絡(luò)化等諸多缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的就在于克服現(xiàn)有煤礦瓦斯檢測(cè)技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于光譜吸收的煤礦瓦斯多點(diǎn)在線檢測(cè)裝置，它是一種靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間短、成本低、穩(wěn)定性和可靠性較高的，能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CH₄濃度的高精度監(jiān)測(cè)裝置。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

1、設(shè)計(jì)原理

當(dāng)光源的發(fā)射波長(zhǎng)與氣體的吸收波長(zhǎng)相吻合時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振吸收，其吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，通過(guò)測(cè)量光的吸收強(qiáng)度就可測(cè)量氣體的濃度。根據(jù)Beer-Lambert定律，出射光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I₀和氣體的體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系式為：

I＝I₀exp[-α(λ)CL]

其中：

α(λ)為氣體吸收系數(shù)，即氣體在一定波長(zhǎng)λ處的吸收線型；

L為吸收路徑的長(zhǎng)度；

C為氣體的濃度。

通過(guò)各項(xiàng)推導(dǎo)以及傅里葉變換，得出它的一次諧波(f)和二次諧波(2f)的系數(shù)分別為：

I_f＝I₀η

I_2f＝-κα₀CLI₀

二次諧波與一次諧波的比值為

I2fIf=-κα0CLη]]>

用二次諧波與一次諧波的比值作為裝置的輸出，可以獲得氣體濃度信息，并且可以消除光源波動(dòng)等共模噪聲。

裝置的核心部分包括信號(hào)源、多點(diǎn)檢測(cè)、參考?xì)馐摇⒀b置的控制與反饋、濃度信號(hào)的處理。

信號(hào)源采用DDS頻率合成芯片，輸出特定頻率的正弦信號(hào)，并能控制輸出信號(hào)的相位；

采用光分路器將光源發(fā)出的光分為多束；

采用單光源、多氣室、多探測(cè)器的結(jié)構(gòu)；

采用參考?xì)馐?，通過(guò)單片機(jī)控制電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行來(lái)回切換，通過(guò)對(duì)比參考?xì)馐业闹C波比值來(lái)得出當(dāng)前氣體的濃度，消除了電路參數(shù)的偏差帶來(lái)的測(cè)量誤差和激光器波長(zhǎng)漂移帶來(lái)的誤差，同時(shí)參考?xì)馐乙矙z驗(yàn)傳感系統(tǒng)是否正常工作；

反饋主要有兩路，一路是通過(guò)檢測(cè)諧波比值來(lái)調(diào)整信號(hào)的相位；另一路就是通過(guò)參考?xì)馐业姆椒▉?lái)鎖定激光器的輸出波長(zhǎng)。

2、具體結(jié)構(gòu)