专利名称：矿井内单光束多波长混合气体浓度检测技术及装置的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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。
本发明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，从而使本发明提出方法部分的技术问题得到基本解决。
本发明所述检测光测定前，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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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对上述发明方法所需要的数据进行采集和处理，开腔式气室简化了气样的采集过程，并使检测更易于接近待检测气体的现场实际；从而为实现本发明技术方法提供了设备条件，解决了本发明关于设备部分所提出的技术问题。
本发明所述调制电路是可对光源供电电路进行开关控制的相应单片机控制电路，或使光源供电电流以一定频率和幅度震荡的电调制电路，这是可以对光源成功进行调制的两种电学方法。
本发明所述低温热辐射红外电光源采用了通路时电压值恒定的基准电源，以稳定调制后的检测光。
本发明所述传感器还包括可感受待检气体现场氧含量的氧化锆传感器，处理电路还含有待检气体成分含量危险度计算的电路。以获得在现场氧含量条件下，待检测气体的危险程度。
本发明所述接收装置包括，分别接收参考光和对应各待检气体特征吸收峰透射光的探测器，及分置其前、有相应过滤性能的滤光部件。这样，在单一检测光源条件下，各探测器可以基本同步的方式，接收相应气体含量的透射光和双波长法所必须的参考光，为得到气样中不同组分含量检测结果提供结构基础。
本发明所述气室的始、终端，分别为与光源和接收装置保持密封联接、位于检测光路的透明部件，在其外侧临近处，设有面向透明部件的电风扇。这样，在保证检测光通路的情况下，可以排除现场条件对气室以外检测光路的影响，并防止和清除光路中透明部件暴露表面的附尘与结露。
本发明选用低温热辐射红外电光源，调制电路，按检测计算精度设定双波长法、不同区段温度下特定气体浓度反演式，对应多种特征吸收峰波长、同一参考光波长的滤光接收，对滤过光每调制周期上升沿等时间隔多点采集所得光强做算术平均，光源功率自身漂移修正，混合气体爆炸界限与危险程度的计算，和基准稳压电源与密封透明部件的保洁部件，使开腔气样采集、多种危险气体同步检测得以在井下进行，且使检测结果与现场危险程度直接相关。经过调查得知，数字化瓦斯远程监控网络系统的成功运用使得乡、县、市、省煤炭安全部门可以实时的监控到任何一个煤矿的瓦斯活动情况，但由于传统瓦斯传感器所造成的误报(测量范围受限)和漏报(大浓度瓦斯冲击后恢复时间长)，往往难于及时发现煤矿中的安全隐患。若将本煤矿瓦斯红外检测技术实用化于数字化瓦斯远程监控网络系统，可实现矿井现场瓦斯浓度的宽范围(0～99.9％)、高灵敏度、高精度、快响应及真实的测量。
本发明针对目前传统瓦斯传感器的缺点和不足，借鉴现有的红外气体分析器的设计思路，基于红外光谱吸收技术，采用开腔气室结构及单光束双波长探测技术，实现了对具有C-H结构的多种可燃性气体及一氧化碳(CO)有害气体的井下安全检测，而且测量范围宽(0％～99.9％)、灵敏度高、测量精度高、响应速度快、设备不会中毒、便于操作维护、无需频繁调校及使用寿命长、设备启动后的预热时间短、可迅速进入工作状态；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。
附图给出了本发明实施例原理及结构示意。
图1为矿井内单光束多波长混合气体浓度检测装置的结构布置及工作流程示意图；图2为矿井内单光束多波长混合气体浓度检测装置的结构示意图；图3为图2的A-A剖视图；图4为图2的B-B剖视局部放大图；图5为光源供电电路图；图6为红外探测器组的前置放大电路图；图7为红外探测器组的二级放大电路图；图8为数据采集与处理电路的电路图；图9为通讯电路的电路图；图10为低温热辐射红外电光源的频谱特性图；
图11为参考光功率不同时与所对应的I′gas/I′ref值的关系图；图12为实验建立的标准校准气体发生系统与测试系统的流程图；图13为实验中未加光功率自身漂移修正项时所测的Ii′gas/I′ref值的稳定性图；图14为实验中加光功率自身漂移修正项后所测的(Ii′gas/I′ref)′值的稳定性图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在图1、2、3、4中引出序号代表的含义1光源供电电路 2检测光源 3透明部件 4斜置微型电风扇 5红外探测器组 6温度传感器 7电信号放大电路 8调制信号模块 9数据采集与处理电路 10氧浓度传感器 11壳体 12开腔式测量气室 13声光报警系统 14显示模块 15、16、17、18、19为在各探测器的接收窗口上所加的不同波长的滤光片。
第一实施例是矿井内单光束多波长混合气体浓度检测装置，其外形尺寸为200×145×40毫米，重约0.7千克，供电电源为12-24V的直流稳压电源，使用寿命大于3年。
本例装置结构可参见图1、2、3、4。在设备上部的一端是被透明部件3及壳体11密封的检测光源2和其供电电路1。设备上部的另一端是信号接收装置，它包括被透明部件3及壳体密封的红外探测器组5、温度传感器6和电信号放大电路7，红外探测器组5有五个热电堆探测器，其前在垂直于光路的接收窗口上分别粘贴有参考光滤光片15，其峰值波长位于4μm处，及四个波长值分别对应于甲烷、乙烷、丙烷和一氧化碳吸收峰的滤光片16、17、18、19，它们的峰值波长分别为3.39μm、3.36μm、3.56μm和4.61μm。检测光源2与红外探测器组5的两个透明部件3之间的部分即为开腔式测量气室12。设备下部是主壳体11，其内部装有数据采集与处理电路9，此电路包含了调制信号输出模块8，壳体11的正面外侧的上部是声光报警系统13，其下是显示模块14。设备上部在检测光源2及接收装置的透明部件3外侧分别装有微型电风扇4，它们倾斜面向相应的透明部件。与红外探测器组5同侧的侧面还装有氧浓度传感器10。其中，检测光源2为低温热辐射红外电光源IRL715，温度传感器6为热敏电阻式传感器，调制信号输出模块8是单片机AT89C52，氧浓度传感器10为氧化锆传感器，显示模块14为LED七段码显示，壳体11为不锈钢设计。
本例装置中的电路可参见图5、6、7、8、9。其主要分为五部分，包括光源供电电路、接收信号前置放大电路、二级放大电路、数据采集与处理电路及通讯电路。其中，光源供电电路选用了芯片ADP200和开关型场效应管IRF7401，分别作为光源供电的基准电压源和调制电路中的光源开关，如图5所示。光信号接收装置含有六路输出信号，包括温度信号、参考信号和接收气体吸收后信号，它们与各自相应的前置放大电路相联，这里选用了AD8552运算放大器，如图6所示。电信号二级放大电路分别与图5的六路输出相联，所选用的运算放大器均为LMV358，如图7所示。数据采集与处理电路中包括+5V和+6V供电电源、数据采集芯片MAX187、单片机AT89C52、锁存地址芯片SNJ54HCT573AJ、存储模块HM62256、片选SNJ54HCT138J以及看门狗MAX813等，如图8所示。其中，供电电源电路的输入为+24V，选用MC7805和MC7806分别产生+5V和+6V的供电电压，除光源供电电路中需要+6V供电外，其余均为+5V供电；数据采集芯片的输入端16、17、18、19、20和21脚分别与二级放大电路中的六路输出信号相联，其22脚与氧化锆传感器的信号输出端相联，这七路由此芯片的14、13、12、11、10、9和8脚输出，它们分别与单片机的39、38、37、36、35、34、33脚、锁存模块的2、3、4、5、6、7、8脚以及存储模块的11、12、13、15、16、17、18脚相联，数据采集芯片的24脚与片选的15脚相联；锁存地址芯片的19、18、17、16、15、14、13脚分别与存储模块的10、9、8、7、6、5、4脚相联。对于单片机，其7、9脚分别与看门狗的6、7脚相联，其16、17脚分别与数据采集芯片的3、4脚及存储模块的27、22脚相联，其21、22、23、24、25、26、27、28脚分别与存储模块的25、24、21、23、2、26、1、20脚相联，其31、40脚均与+5V供电电源相联。通讯电路则由芯片MAX232和SN75176组成，如图9所示，其中，MAX232的11、12脚和SN75176的4、1脚分别与单片机的11、10脚相联，MAX232的13、14脚分别与SN75176的7、6脚相联。单片机中所存储的开关程序通过8脚对光源供电电路中的场效应管进行开关控制，构成了光源的调制电路。
同时将如下所述的参数、公式及判断等法则编成程序存入单片机中，来实现本装置软件部分的设定。
即设定了对光源进行调制和对红外探测器信号进行解调的程序；设定了每当有检测光通过时对红外探测器的接收信号进行采集的点数n为128；设定了对采集到的信号进行平均计算，即(a1+a2...+ai+...a128)/128，其中，ai表示所采集到的第i个点的数值；设定了各检测光经吸收后被其相应的探测器接收并进行平均后的光强与平均后的参考光强的比值Ii′gas/I′ref，其中，i＝1，2，3，4，分别代表甲烷、乙烷、丙烷和一氧化碳气体；设定光功率自身漂移的修正公式为(Ii′gas/I′ref)′＝Ii′gas/I′ref+6.21713×10-6×(I′ref-8000)，其中，Ii′gas表示位于波长λigas处的检测光通过第i种待测气体并被其吸收后的相对光强，I′ref表示位于波长λref处的参考光通过待测气体后的相对光强，8000表示检测光源稳定工作时其参考光的相对光强值，Ii′gas/I′ref和(Ii′gas/I′ref)′分别表示进行光功率漂移修正前后的数值；设定了待测气体浓度反演式Pi＝-a×ln[((Ii′gas/I′ref)′-b)/c]，其中，a、b、c为常数，存储在单片机中，Pi为相应气体成分的浓度；设定了判断温度传感器接收到的温度信号属于哪个温度段(总范围为-15～30℃，每5℃为一温度段)的程序；设定了利用相应温度段来调出所对应a、b、c值，并将(Ii′gas/I′ref)′值代入浓度反演式中分别计算P1、P2、P3、P4，并通过显示模块进行显示；设定了总浓度式PT＝P1+P2+P3+P4，并显示PT值；设定了运算爆炸下限计算公式LTL＝PT/(P1/5+P2/3.22+P3/2.4+P4/12.5)，和爆炸上限公式LTU＝PT/(P1/16+P2/12.45+P3/9.5+P4/75)，并显示LTL值及LTU值；设定了PT是否大于LTL且小于LTU的判断式；设定了上述判断若为假，则程序停止运行，等待处理新的数据信号，若为真，则触发报警信号并继续执行下述程序设定；设定了对混合气体是否处于爆炸三角形内的判断公式，m＝PT/(P1/6.1+P2/3.9+P3/3.1+P4/13.9)，n＝0.2093×[100-m(6P1+2.96P2+3.14P3+4.12P4)/PT-m]，x＝(PO2-21-0.21PT)(m-21-0.21n)，y＝[(LTU-m)PO2+(n-21+0.21LTU)PT+21m-0.21mLTU-nLTU][(LTU-m)(21-0.21LTL)+(n-21+0.21LTU)LTL+21m-0.21mLTU-nLTU]，z＝[(LTL-m)PO2+(n-21+0.21LTL)PT+21m-0.21mLTL-nLTL][(LTL-m)(21-0.21LTU)+(n-21+0.21LTL)LTU+21m-0.21mLTL-nLTL]；设定了x，y，z是否同时大于0的判断；设定了上述判断若为假，则程序停止运行，等待处理新的数据信号，若为真，则显示“可爆”。以上为本例设备的结构描述。
工作时，启动设备进入工作状态，单片机中的开关程序通过其8脚，向光源供电电路中的开关场效应管，发出频率恒定的电压信号控制其开断，以实现对检测光的调制。其中，所采用的检测光源为低温热辐射红外电光源IRL715，其正常工作时温度为200℃左右，远低于瓦斯的点燃温度500～600℃，而传统的红外光源一般采用加热至1000℃的瓷土棒，这无疑给井下带来了严重的安全隐患。本低温热辐射红外电光源的频谱特性如图10所示，其光谱范围为2～4.6um，完全覆盖了参考光带以及甲烷、乙烷、丙烷及一氧化碳的吸收带，从而给多种危险气体检测提供了可能；光源的供电电路中采用了芯片AD200作为其基准电源，从而使得检测光源工作时的检测光功率更加稳定；采用了以单片机AT89C52和场效应管IRF7401为核心的电调制系统，省去了传统的机械斩波器，使得设备轻巧、简单且成本低。当带有调制信息的检测光通过开腔气室时，现场气体所含待检成分就会吸收与其对应特定波长处的入射光。这里，采用开腔气室可以使被测气体自由通过测量光路，设备响应速度快，灵敏度高，测量精度高，能更好地反映井下瓦斯浓度。而传统的红外气体分析仪器采用封闭式气室，长时间使用后气室极易被腐蚀性气体如H2S、SO2等污染，而且它需要利用气泵和管道抽气输送样品气，不仅降低了环境瓦斯浓度的检测真实度，且使整机的电功率和体积都比较大，若再加上防爆外壳，显得更加笨重，而开腔式测量气室则省去了气泵和复杂的气路，使整机体积小，功耗低，方便携带，成本也大大降低。
采用了单光束多波长的光谱吸收法原理，是通过对五个红外探测器前对应设置的参考光滤光片、以及分别对应于甲烷、乙烷、丙烷、一氧化碳气体吸收峰的滤光片，进行单光束多波长测量，以基本实现对具有C-H结构的多种可燃性气体及一氧化碳有害气体含量的同步测定。此处以甲烷为例，单片机对探测器接收到的带有调制信息的电信号进行滤波、解调和A/D转换后，得到I1′gas＝13130，I′ref＝9288。其中，I1′gas和I′ref分别是由加有对应于3.39μm处甲烷吸收峰的滤光片、和4μm处参考光滤光片的两个红外探测器对其接收值进行处理后得到，此处理过程包括对信号的采集和计算。其中，采集为采集芯片对各红外探测器每次接收到的电压信号上升沿，按设定次数、等时间隔进行数据采集，计算则为平均计算，即按设定所述对每次所采集到的数据进行求和之后再除以数据个数128。按预设公式得I1′gas/I′ref＝13130/9288＝1.4136。这里采用I1′gas与I′ref比值的方法即单光束双波长法，可以消除由于散射、反射及环境光等所造成的干扰。
然后进行光功率漂移的修正，由设定公式得，(I1′gas/I′ref)′＝1.4136+6.21713×10-6×(9288-8000)＝1.4216。其中，光功率漂移修正系数k＝6.21713×10-6来自于如图11所示的直线的斜率，在环境温度变化不大或加入浓度不同的待测气体时此斜率值基本不变，8000为检测光源正常工作情况下参考光的相对光强值。如此进行线性补偿后，就可以消除由于光源光功率不稳定所引起的测量误差，使检测精度可以符合井下气体的检测要求；同时，启动设备不久，在检测光源光功率即将接近其稳定工作值时，修正项便可将其测值Ii′gas/I′ref修正为正常工作时的值，即可进行检测，因此，加有光功率漂移修正项后，设备启动后的预热时间从5～10分钟缩短为2～3分钟，迅速进入工作状态。
接下来进行温度修正和计算甲烷浓度。由热敏电阻测得环境温度为17℃，因其属于15～20℃的温度段，则单片机将调出a＝11.07774，b＝1.210366，c＝0.32901，从而知甲烷浓度反演式为P1＝-11.07774×ln[((I1′gas/I′ref)′-1.210366)/0.32901]，将(I1′gas/I′ref)′＝1.4216代入此式中进行计算，得到P1＝4.91(％)。这里，温度修正时所采用的方法为，把环境温度设定范围(-15℃～30℃)按每5℃为一温度段进行划分，而每一温度段对应有各待测气体浓度反演式，此5℃的划分区段基本可以满足井下环境的测量精度的要求，如此进行温度修正后，可以减小温度变化对检测结果的影响，使设备能够适用于不同的井下温度条件。与此同时，单片机利用与上述对甲烷处理相同的方法，先后对乙烷、丙烷及一氧化碳的信号进行处理和计算，得到P2＝2.05(％)，P3＝3.88(％)，P4＝1.03(％)，显示器上显示“甲烷4.91％ 乙烷2.05％ 丙烷3.88％一氧化碳1.03％”。按设定计算待测气体中上述四种气体的总浓度得，PT＝4.91+2.05+3.88+1.03＝11.87(％)，显示器上显示“总浓度11.87％”。此被测混合气体为实验室经仪器精确配制而成，其各成分的标准浓度为甲烷——5.0％，乙烷——2.0％，丙烷——4.0％，一氧化碳——5.0％.由此可见，本设备具有极高的检测精度，完全可以满足井下的要求。
再按设定公式计算此混合气体的爆炸上、下限得，LTL＝11.87/(4.91/5+2.05/3.22+3.88/2.4+1.03/12.5)＝3.58(％)，LTU＝11.87/(4.91/16+2.05/12.45+3.88/9.5+1.03/75)＝13.28(％)，显示器显示“下限3.58％ 上限13.28％”。其中，LTL和LTU分别表示此混合气体的爆炸下限和上限。按设定程序进行比较得，LTL＜PT＜LTU，由此判断出混合气体位于爆炸限内，则单片机在触发声光报警信号命令的同时，会继续执行设定程序。再判断待测气体是否处于柯瓦德爆炸三角形内，按设定公式进行计算得，m＝11.87/(4.91/6.1+2.05/3.9+3.88/3.1+1.03/13.9)＝4.4687(％)，n＝0.2093×[100-4.4687×(6×4.91+2.96×2.05+3.14×3.88+4.12×1.03)/11.87-4.4687]＝15.9009(％)，再将氧化锆传感器测得的氧含量PO2＝18.1(％)代入设定公式中计算得，x＝(18.1-21-0.21×11.87)×(4.4687-21-0.21×15.9009)＝107.1556，y＝[(13.28-4.4687)×18.1+(15.9009-21+0.21×13.28)×11.87+21×4.4687-0.21×4.4687×13.28-15.9009×13.28]×[(13.28-4.4687)×(21-0.21×3.58)+(15.9009-21+0.21×13.28)×3.58+21×4.4687-0.21×4.4687×13.28-15.9009×13.28]＝91.9249，z＝[(3.58-4.4687)×18.1+(15.9009-21+0.21×3.58)×11.87+21×4.4687-0.21×4.4687×3.58-15.9009×3.58]×[(3.58-4.4687)×(21-0.21×13.28)+(15.9009-21+0.21×3.58)×13.28+21×4.4687-0.21×4.4687×3.58-15.9009×3.58]＝1377.4370。由设定程序判断出x＞0，y＞0，z＞0，根据位于柯瓦德三角形内的充要条件——x，y，z均大于0，即可知此时混合气体处于爆炸三角形内，显示器上显示“可爆”字样。检测功能中加有对待测气体爆炸极限、是否位于柯瓦德爆炸三角形内的计算和判断，可使检测结果能够更加全面反映井下的信息，从而使安全决策人员在紧急情况下可以及时采取正确的补救措施，避免事故的发生。
为保证维持设备的检测精度，设备上的斜置微型电风扇4对两个透明部件进行实时清洁，其产生的气流吹向透明部件外侧，将其表面附近的煤粉及灰尘等带走，以实现镜面的除尘保洁和防止结露。
本例中也对设备运算程序中未加光源功率自身漂移修正项，与加上此修正项时对由甲烷和空气所组成的混合气体的检测情况进行了对比。
实验建立了的标准校准气体发生系统与测试系统，如图12所示。以甲烷为例，标准校准气体发生系统主要由BML-9551型零气发生器、BML-9550型气体动态稀释仪、以及浓度不低于99.9％的甲烷标准气瓶等组成，可输出各种浓度的标准甲烷混合气；测试系统则主要由能输入和输出校准气的密闭测试槽、数据通信接口、微机及数据通信软件等组成。将本设备放入测试系统中的密闭测试槽内，由计算机通过RS232串口对设备的各项数据进行同步采集并将其保存为文件格式以供分析。
在温度为16～18℃、无待测气体的环境中，对本设备中没有加光功率自身漂移修正项时的I1′gas/I′ref值，和加上此修正项后的(I1′gas/I′ref)′值的稳定性同时进行采集并作对比，测试时间为8小时左右，测试结果分别如图13和14所示。由图可看出，未加光功率自身漂移修正项时，由于各种不确定因素的影响而导致检测光源自身发出的对应于甲烷吸收峰(3.39μm处)的检测光、参考光(4μm处)的光功率很不稳定，从而造成它们的比值I1′gas/I′ref很不稳定。此时设备由15～20℃所对应的甲烷浓度反演式得出的甲烷浓度值的变化范围为-2.01％～11.20％，误差很大，几乎无法应用。当加上修正项后，(I1′gas/I′ref)′值就非常稳定，此时测出的甲烷浓度值变化范围为-0.07％～0.10％，完全符合井下瓦斯的精度要求。
在环境温度为18℃时，用标准校准气体发生系统，向测试槽内通入配比标准浓度为5％的甲烷气体，用本设备进行测试。某一时刻，测得I1′gas为13130，I′ref为9288，则I1′gas/I′ref＝1.4136。若无光功率自身漂移修正项时，将此比值代入15～20℃所对应的甲烷浓度反演式中，测得甲烷浓度值为5.34％；而有此修正项时，根据修正项得出(I1′gas/I′ref)′＝1.4216，将其代入上述反演式中，测得甲烷浓度值为4.91％。可看出，有此修正项比无此项时的检测结果更为精确。
第二实施例是接收装置中采用四元红外探测器，其余结构与上述基本一致。
接收装置上装有四个热电堆探测器，其上加有参考光滤光片及分别对应于甲烷、乙烷及一氧化碳吸收峰的滤光片。此时设备的单片机程序中去除了有关丙烷计算的简单修改，即可实现甲烷、乙烷及一氧化碳浓度的测量。
第三实施例为设备在环境温度为14℃时的工作情况。
环境温度为14℃的条件下，用上述实施例中所述的实验系统对配比浓度为5％的甲烷气体进行检测。某一时刻，测得I1′gas为12974，I′ref为9094，则I1′gas/I′ref＝1.4267，经过光功率自身漂移修正后得，(I1′gas/I′ref)′＝1.4335，而10～15℃所对应的甲烷浓度反演式为P1＝-11.83677×ln[((I1′gas/I′ref)′-1.038984)/0.60445]，由此测得甲烷浓度值为5.05％。
第四实施例为设备在环境温度为9℃时的工作情况。
环境温度为9℃的条件下，用上述实施例中所述的实验系统对配比浓度为5％的甲烷气体进行检测。某一时刻，测得I1′gas为12823，I′ref为8796，则I1′gas/I′ref＝1.4578，经过光功率自身漂移修正后得，(I1′gas/I′ref)′＝1.4627，而5～10℃所对应的甲烷浓度反演式为P1＝-11.95685×ln[((I1′gas/I′ref)′-1.002134)/0.70385]，由此测得甲烷浓度值为5.07％。
第五实施例为设备的检测精度设为10℃，而环境温度为14℃时的工作情况。
即把环境温度设定范围(-15℃～35℃)按每10℃为一温度段进行划分，而每一温度段对应有各待测气体浓度反演式。环境温度为14℃的条件下，用上述实施例中所述的实验系统对配比浓度为5％的甲烷气体进行检测。某一时刻，测得I1′gas为12974，I′ref为9094，则I1′gas/I′ref＝1.4267，经过光功率自身漂移修正后得，(I1′gas/I′ref)′＝1.4335，而5～15℃所对应的甲烷浓度反演式为P1＝-11.95685×ln[((I1′gas/I′ref)′-1.002134)/0.70385]，由此测得甲烷浓度值为5.85％。
由上知，在所选温度区段范围为5℃时，其检测误差为测值的±2％左右；而所选温度区段范围为10℃时，其检测误差为测值的±20％左右。可见，随着所选的温度区段范围的减小，其检测精度也迅速提高。一般选择5℃的温度区段范围即可完全满足井下的精度需求进行精确测量。
权利要求
1.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。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于所述检测光测定前还需经滤过光波长为相应气体成分特征吸收峰波长，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。
3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于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。
4.如权利要求1或2所述方法，其特征在于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。
5.如权利要求3所述方法，其特征在于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的修正。
6.如权利要求1或2所述方法，其特征在于所述方法包还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。
7.如权利要求3所述方法，其特征在于所述方法包还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。
8.如权利要求4所述方法，其特征在于所述方法包还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。
9.如权利要求5所述方法，其特征在于所述方法包还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。
10.如权利要求1或2所述方法，其特征在于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。
11.实现权利要求1所述方法的装置包括，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数据、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、并固定于机体的采集与处理电路，接收处理电路输出、与机体相联的检测结果显示器；其特征在于所述气室为与现场气体环境保持畅通的开腔式结构(12)；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(AT89C52)；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(2)；并设有可感受待检气体现场温度的传感器(6)；采集与处理电路含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运算的电路(9)。
12.如权利要求11所述装置，其特征在于所述调制电路是可对光源供电电路进行开关控制的相应单片机控制电路(AT89C52)，或使光源供电电流以一定频率和幅度震荡的电调制电路。
13.如权利要求11或12所述装置，其特征在于所述传感器还包括可感受待检气体现场氧含量的氧化锆传感器(10)，处理电路还含有待检气体成分含量危险度计算的电路(9)。
14.如权利要求11或12所述装置，其特征在于所述接收装置包括，分别接收参考光、和对应各待检气体特征吸收峰透射光的探测器组(5)，及分置其前、有相应滤过性能的滤光部件(15、16、17、18、19)。
15.如权利要求13所述装置，其特征在于所述接收装置包括，分别接收参考光、和对应各待检气体特征吸收峰透射光的探测器组(5)，及分置其前、有相应滤过性能的滤光部件(15、16、17、18、19)。
16.所如权利要求11或12所述装置，其特征在于所述低温热辐射红外电光源采用了通路时电压值恒定的基准电源(ADP200)。
17.所如权利要求11或12所述装置，其特征在于所述气室的始、终端，分别为与光源和接收装置保持密封联接、位于检测光路的透明部件，在其外侧临近处，设有面向透明部件的电风扇(4)。
全文摘要
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
文档编号G01N21/31GK1844893SQ200610012519
公开日2006年10月11日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者尹王保, 贾锁堂, 张雷, 董磊, 李霖锋, 窦海鹏 申请人:山西大学