[發明專利]基于光譜吸收的煤礦瓦斯多點在線檢測裝置

有效

• 申請號: 200910060461.7
• 申請日: 2009-01-09
• 公開（公告）號: CN101477042A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 向雄;林楠;宋玲艷;黃國濤;樊士彬;曾憲勇
• 申請（專利權）人: 武漢電信器件有限公司
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35;E21F11/00
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所
• 代理人: 黃瑞棠

技術領域

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

背景技術

我國人口眾多，礦產豐富；但煤礦瓦斯煤塵爆炸事故嚴重影響煤礦的安全生產。煤礦中瓦斯的主要成分是CH₄，約占83～89％，瓦斯是煤礦自然災害的重要根源。瓦斯達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烈的動力現象和嚴重的災害，瓦斯事故已占全國煤礦重大事故總數的70％以上；實時監測瓦斯氣體含量、防止其爆炸意義重大。為了預防與控制事故的發生，最大限度地減少人員傷亡事故，必須設置能在線實時快速檢測甲烷氣體濃度的儀器和設備。

目前，我國絕大多數大型國有煤礦的瓦斯預警裝置都是一種電催化探測裝置，然而長期以來我國載體催化元件一直存在使用壽命短、工作穩定性差和調校期頻繁的缺點，嚴重制約著礦井瓦斯的正常檢測，因而需要開發一種能實時檢測、安全有效的傳感技術。光纖氣體傳感技術是把光纖作為信號傳輸通道的傳感技術，是一項正在發展中的具有廣闊前景的新型技術。由于光纖本身在傳輸信息過程中具有許多特有的性質，如光纖傳輸信息時能量損耗很小，給遠距離遙測帶來很大的方便；光纖材料性能穩定，信號不受電磁場干擾，在高溫、高壓、低溫、強腐蝕等惡劣環境下保持不變；所以光纖傳感器從問世到如今，一直都在飛速地發展。

近年來，采用光纖傳感原理設計的便攜式光纖傳感器和單點在線監測裝置不斷問世，但存在成本過高、檢測靈敏度不高、沒有形成網絡化等諸多缺點。

發明內容

本發明目的就在于克服現有煤礦瓦斯檢測技術存在的缺點和不足，提供一種基于光譜吸收的煤礦瓦斯多點在線檢測裝置，它是一種靈敏度高、反應時間短、成本低、穩定性和可靠性較高的，能夠在線實時監測CH₄濃度的高精度監測裝置。

本發明的目的是這樣實現的：

1、設計原理

當光源的發射波長與氣體的吸收波長相吻合時，就會發生共振吸收，其吸收強度與該氣體的濃度有關，通過測量光的吸收強度就可測量氣體的濃度。根據Beer-Lambert定律，出射光強I與入射光強I₀和氣體的體積分數之間的關系式為：

I＝I₀exp[-α(λ)CL]

其中：

α(λ)為氣體吸收系數，即氣體在一定波長λ處的吸收線型；

L為吸收路徑的長度；

C為氣體的濃度。

通過各項推導以及傅里葉變換，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等共模噪聲。

裝置的核心部分包括信號源、多點檢測、參考氣室、裝置的控制與反饋、濃度信號的處理。

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

采用光分路器將光源發出的光分為多束；

采用單光源、多氣室、多探測器的結構；

采用參考氣室，通過單片機控制電子開關進行來回切換，通過對比參考氣室的諧波比值來得出當前氣體的濃度，消除了電路參數的偏差帶來的測量誤差和激光器波長漂移帶來的誤差，同時參考氣室也檢驗傳感系統是否正常工作；

反饋主要有兩路，一路是通過檢測諧波比值來調整信號的相位；另一路就是通過參考氣室的方法來鎖定激光器的輸出波長。

2、具體結構