一种井下激光多气体束管采样检测器的制作方法

本实用新型涉及煤矿井下气体监测技术领域，具体涉及一种井下激光多气体束管采样检测器。

背景技术：

为保障煤矿安全生产和职工人身安全，防止煤矿事故，根据国家煤矿安监局的规定，开采容易自燃的煤层时，必须针对易燃、有毒有害气体制定相应的防、灭火方案。在防、灭火设计中，要求煤矿必须设计安设束管防、灭火自动监测系统。

近年来，在煤矿的实际应用中，煤矿束管监测系统并未发挥其有效监测作用，究其原因有很多方面，一部分原因是因为这些年我国煤矿开采深度和开采强度的不断增加，导致矿井越挖越深，敷设束管的线路越来越长，从井下采空区抽出来气体分析实时性差，而且长距离的抽气，很难保证延续束管线路没有漏气，分析的气体未必是采空区内真实气体；另一部分原因目前我国主要的束管控制系统大多是井上固定式系统，气体分析时间长，系统操作复杂，需要专业技术人员培训才能操作，系统监测实时性差。

在当前的生产过程中，急需一种监测装置，能够直接在井下对多种标志性气体就地检测并快速得到结果进行分析判断，实现对灾害隐患的实时监测判断，解决传统束管监测系统需要在井上分析的弊端，提高气体分析的实时性、快速性和准确性。

技术实现要素：

针对上述提出的问题，本实用新型提供一种井下激光多气体束管采样检测器，直接在井下实时分析采空区内多种标志性气体，避免长距离束管传输漏气不准确、检测延迟问题；采用可调谐激光光谱吸收技术对气体进行检测，测量精度高、耗时短；基于arm架构的主控处理单元能够控制多个通道检测并收集采空区内多种标志性气体浓度数值，实时判断异常数据。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术解决方案如下：

一种井下激光多气体束管采样检测器，包括控制器、气体采集部件和气体分析部件，所述气体采集部件与气体分析部件连通，所述气体采集部件、气体分析部件分别与控制器电连接，所述控制器包括arm主控处理单元，所述气体采集部件包括滤尘滤水器、抽气执行机构、多通道电磁阀控制模块、排气单元和若干进气束管，所述气体分析部件包括激光多气体分析模块，所述进气束管的一端与采样气体接触，所述进气束管的另一端依次通过滤尘滤水器和抽气执行机构后连接至多通道电磁阀控制模块的输入口，所述多通道电磁阀控制模块的排气口与排气单元连通，所述多通道电磁阀控制模块的输出口与激光多气体分析模块连通，所述arm主控处理单元通过电缆分别与抽气执行机构、多通道电磁阀控制模块和激光多气体分析模块电连接。

通过提出上述方案，将本实用新型直接安装在井下，实时采集分析采空区内多种标志性气体，多根进气束管用于对多个区域的气体进行采样，具体由arm主控处理单元控制多通道电磁阀控制模块切换抽气管线，避免了井上监测带来的长距离束管传输漏气不准确、检测延迟问题；激光多气体分析模块采用可调谐激光光谱吸收技术对气体进行检测，测量精度高、耗时短；基于arm架构的主控处理单元能够控制多个通道检测并收集采空区内多种标志性气体浓度数值，实时检测判断异常数据。

如上所述的一种井下激光多气体束管采样检测器，所述抽气执行机构包括防爆真空抽气泵和防爆真空磁启动器驱动模块，所述进气束管依次经过滤尘滤水器和防爆真空抽气泵后与多通道电磁阀控制模块的输入口连接，所述arm主控处理单元和防爆真空抽气泵间的电缆上连接有防爆真空磁启动器驱动模块；所述arm主控处理单元和防爆真空磁启动器驱动模块间还连接有光电隔离模块，所述光电隔离模块包括隔离安全栅。抽气执行机构选择具有防爆功能的防爆真空抽气泵和防爆真空磁启动器驱动模块相配合，再加上光电隔离模块，保证了控制信号由arm主控处理单元发送至防爆真空磁启动器驱动模块以及防爆真空磁启动器驱动模块驱动防爆真空抽气泵进行动作的两个过程中，不会有电火花与气体接触，同时，光电隔离模块也避免了arm主控处理单元受到异常电信号冲击干扰的风险，实现电气隔离，更加稳定。

如上所述的一种井下激光多气体束管采样检测器，所述arm主控处理单元和多通道电磁阀控制模块间的电缆上连接有光电隔离驱动器。同样，在arm主控处理单元和多通道电磁阀控制模块间也连接了类似的光电隔离驱动器，以避免arm主控处理单元受到异常电信号干扰，做到电气隔离，同时，光电隔离驱动器还要求具有一定的带负载驱动能力，能够驱动多通道电磁阀控制模块执行切换动作。

如上所述的一种井下激光多气体束管采样检测器，所述气体分析部件还包括预检测模块，所述多通道电磁阀控制模块的输出口与预检测模块连通，所述预检测模块与激光多气体分析模块连通，所述arm主控处理单元通过电缆分别与预检测模块和激光多气体分析模块电连接。

如上所述的一种井下激光多气体束管采样检测器，所述气体分析部件还包括样气排气单元，所述激光多气体分析模块与样气排气单元连通，所述样气排气单元与排气单元连通。样气排气单元与排气单元连通后，可将检测后的气体一同作安全处理。

如上所述的一种井下激光多气体束管采样检测器，所述arm主控处理单元和预检测模块间的电缆上连接有adc采集模块。

如上所述的一种井下激光多气体束管采样检测器，所述预检测模块包括流量计、温湿度采集模块和气压采集模块，所述流量计、温湿度采集模块和气压采集模块与adc采集模块连接。adc采集模块连接流量计、温湿度采集模块和气压采集模块，监测束管中气体的流量、温湿度、压力是否符合检测要求，保证激光多气体分析模块在正常条件分析气路中气体参数。

如上所述的一种井下激光多气体束管采样检测器，所述arm主控处理单元和激光多气体分析模块间的电缆上连接有隔离型rs485通讯模块。隔离型rs485通讯模块具备电气隔离功能，能够避免电磁干扰，将激光多气体分析模块的数据完整传输至arm主控处理单元。

本实用新型相对于现有技术所取得的有益效果在于：

本实用新型提供了一种更适合煤矿采空区发火监测需求的井下激光多气体束管采样检测器，实时采集分析采空区内多种标志性气体，多路进气束管可用于抽取分析多个区域的气体状况，具体由arm主控处理单元控制多通道电磁阀控制模块切换抽气区域，避免井上监测带来的长距离束管传输漏气不准确、检测延迟问题；激光多气体分析模块采用可调谐激光光谱吸收技术对气体进行检测，测量精度高、耗时短；基于arm架构的主控处理单元能够控制多个通道检测并收集采空区内多种标志性气体浓度数值，实时检测判断异常数据；多处增加隔离模块，提升了控制器的抗干扰能力；抽气执行机构选择了具有防爆功能的防爆真空抽气泵和防爆真空磁启动器驱动模块，避免了电火花与易燃气体的接触；利用样气排气单元与通道预抽排气单元，可将检测后的气体一同作安全处理，防止气体泄露。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实施例1的一种结构框图。

图中各附图标记所代表的组件为：

1-1、arm主控处理单元，1-2、进气束管，1-3、滤尘滤水器，1-4、防爆真空抽气泵，1-41、防爆真空磁启动驱动模块，1-42、光电隔离模块，1-5、多通道电磁阀控制模块，1-51、光电隔离驱动器，1-6、预检测模块，1-61、adc采集模块，1-7、激光多气体分析模块，1-71、隔离型rs485通讯模块，1-8、样气排气单元，1-9、排气单元。

具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。

实施例1

参见图1，图1是本实施例1的一种井下激光多气体束管采样检测器的结构框图，主要结构为控制器、气体采集部件和气体分析部件，所述气体采集部件与气体分析部件连通，所述气体采集部件、气体分析部件分别与控制器电连接。

其中，控制器使用基于arm架构的arm主控处理单元1-1，所述气体采集部件包括滤尘滤水器1-3、抽气执行机构、多通道电磁阀控制模块1-5、排气单元1-9和若干进气束管1-2，所述气体分析部件的主要功能部件为激光多气体分析模块1-7，所述进气束管1-2的一端与采样气体接触，所述进气束管1-2的另一端依次通过滤尘滤水器1-3和抽气执行机构后连接至多通道电磁阀控制模块1-5的输入口，所述多通道电磁阀控制模块1-5的排气口与排气单元1-9连通，所述多通道电磁阀控制模块1-5的输出口与激光多气体分析模块1-7连通，所述arm主控处理单元1-1通过电缆分别与抽气执行机构、多通道电磁阀控制模块1-5和激光多气体分析模块1-7电连接。

在本实施例中，控制器采用基于arm架构的arm主控处理单元1-1，arm处理器广泛使用在嵌入式系统设计，具有高性能低耗电的特点，能够满足处理分析气体数据参数的需求；矿用束管或称管缆，具有一定的拉伸、耐压强度和抗冲击性。当前广泛应用在石化系统的气动控制、煤矿井下气体监测用途的束管监测系统，本实用新型使用了16路进气束管1-2，进气束管1-2的一端与采样气体接触，所述进气束管1-2的另一端依次通过滤尘滤水器1-3和抽气执行机构后连接至多通道电磁阀控制模块1-5的输入口，所述多通道电磁阀控制模块1-5的排气口与排气单元1-9连通，所述多通道电磁阀控制模块1-5的输出口与激光多气体分析模块1-7连通，多通道电磁阀控制模块1-5的输入口的通道数量为16，与16路进气束管1-2一一对应，每一通道控制一路采样气体的通断，其数量可根据现场情况决定。

为保证在井下的防爆安全和信号传输要求，抽气执行机构选择防爆真空抽气泵1-4和防爆真空磁启动器驱动模块1-41，所述进气束管1-2依次经过滤尘滤水器1-3和防爆真空抽气泵1-4后与多通道电磁阀控制模块1-5的输入口连接；所述arm主控处理单元1-1和防爆真空抽气泵1-4间的电缆上连接有防爆真空磁启动器驱动模块1-41，因arm主控处理单元1-1输出的仅为控制信号，无法驱动防爆真空抽气泵1-4，故加入防爆真空磁启动器驱动模块1-41，在防爆的前提下，具备足够的驱动能力，能够驱动防爆真空抽气泵1-4正常运行；所述arm主控处理单元1-1和防爆真空磁启动器驱动模块1-41间还连接有光电隔离模块1-42，所述光电隔离模块1-42使用隔离安全栅。光电隔离在矿用防爆设备中十分常见，通过电-光-电这种转换,利用“光”这一环节完成隔离功能,使输入和输出在电气上是完全隔离的，其目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使测控装置与现场仅保持信号联系,而不直接发生电的联系，隔离的实质是把引进的干扰通道切断,从而达到隔离现场干扰的目的。

抽气执行机构选择具有防爆功能的防爆真空抽气泵1-4和防爆真空磁启动器驱动模块1-41相配合，再加上光电隔离模块1-42，保证了控制信号由arm主控处理单元发送至防爆真空磁启动器驱动模块1-41以及防爆真空磁启动器驱动模块1-41驱动防爆真空抽气泵1-4进行动作的两个过程中，不会有电火花与气体接触，同时，光电隔离模块1-42也避免了arm主控处理单元1-1受到异常电信号冲击干扰的风险，实现电气隔离，更加稳定。

出于同样的考虑，所述arm主控处理单元1-1和多通道电磁阀控制模块1-5间的电缆上连接有光电隔离驱动器1-51，以避免arm主控处理单元受到异常电信号干扰，做到电气隔离，同时，光电隔离驱动器1-51还要求具有一定的带负载驱动能力，能够驱动多通道电磁阀控制模块1-5执行切换动作。多通道电磁阀控制模块1-5接收arm主控处理单元1-1的控制信号，控制电磁阀，使其在任意时刻至多只有一路进气束管中的气体进入预检测模块1-6，其他路进气束管内的气体进入排气单元1-9妥善处理。

所述气体分析部件还包括预检测模块1-6，所述多通道电磁阀控制模块1-5的输出口与预检测模块1-6连通，所述预检测模块1-6与激光多气体分析模块1-7连通，所述arm主控处理单元1-1通过电缆分别与预检测模块1-6和激光多气体分析模块1-7电连接。

所述气体分析部件还包括样气排气单元1-8，所述激光多气体分析模块1-7与样气排气单元1-8连通，所述样气排气单元1-8与排气单元1-9连通。样气排气单元1-8与排气单元1-9连通后，可将检测后的气体一同作安全处理，采样气体沿如图1箭头所示的路径通过，废气最终汇总至排气单元1-9进行处理。

所述arm主控处理单元1-1和预检测模块1-6间的电缆上连接有adc采集模块1-61，负责接收预检测模块1-6的信号，所述预检测模块1-6包括流量计、温湿度采集模块和气压采集模块，adc采集模块1-61连接流量计、温湿度采集模块和气压采集模块，监测束管中气体的流量、温湿度、压力是否符合检测要求，保证激光多气体分析模块在正常条件分析气路中气体参数。

adc即模拟数字转换器，是用于将模拟形式的连续信号转换为数字形式的离散信号的一类设备。adc的作用是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，真实世界的模拟信号，例如温度、湿度、压力、流量、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。上述流量计、温湿度采集模块和气压采集模块的选型和应用可根据具体场景灵活选择，由流量计、温湿度采集模块和气压采集模块等传感器采集生成的模拟信号发送至adc采集模块1-61继而转换为转换为数字信号，再发送给arm主控处理单元1-1的过程，对本领域内的技术人员来说是容易实现的，既可使用市面上成熟的模块也可自行设计电路。

所述arm主控处理单元1-1和激光多气体分析模块1-7间的电缆上连接有隔离型rs485通讯模块1-71。采用隔离型rs485通讯模块1-71同样是为了避免在数据传输过程中的干扰，rs485应用广泛，其传输距离为几十米到上千米，支持总线形式通讯。隔离型rs485通讯模块1-71采用新型rs485通讯协议，并具备电气隔离功能，能够避免电磁干扰，将激光多气体分析模块1-7的数据完整传输至arm主控处理单元1-1。

激光多气体分析模块1-7采用可调谐激光光谱吸收技术，不受背景气体影响，相比传统光谱吸收技术，激光光谱采用单线吸收光谱技术,单色性好,并且激光波长扫描范围仅覆盖被测气体的吸收光谱,从而避免了气体分析中的交叉干扰,保证了测量的准确性；不受粉尘和视窗污染的影响，采用激光光谱分析气质组份时,气体的浓度是由投射光强的二次谐波信号与直流信号的比值决定的，因此,当激光在传输过程中遇到粉尘或视窗脏污时,二次谐波信号与直流信号会同比下降,不会对气体浓度的测量造成影响；自动修正温度、压力对测量的影响，对于某些被测过程气体,其温度和压力变化较大,这样会导致二次谐波信号波形的幅值与形状发生相应的变化,影响测量准确度。可调谐激光光谱吸收技术可以接受外部输入的温度和压力信号,进行温度和压力补偿计算,自动修正温度和压力变化对气体浓度测量的影响。

下面结合图1，说明一种井下激光多气体束管采样检测器的工作原理及控制方法：arm主控处理单元1-1通过i/o引脚将信号传输到光电隔离模块1-42进行信号光电隔离，信号经过光电隔离后驱动防爆真空磁启动器驱动模块1-41，从而驱动防爆真空抽气泵1-4；防爆真空抽气泵1-4开启后采空区的气体通过16路进气束管1-2进入滤尘滤水器1-3，将气体中粉尘、水蒸气进行过滤后再进入防爆真空抽气泵1-4，arm主控处理单元1-1通过控制多通道电磁阀控制模块1-5选取某一路气体进入预检测模块1-6和激光多气体分析模块1-7，其它气体通过排气单元1-9排放出去。采样气体的气路参见图1箭头所示。

本实施例中为了保证激光多气体分析模块1-7分析气体的准确性和稳定性，设有预检测模块1-6，预检测模块1-6包括流量计、温湿度采集模块和气压采集模块，保证进入激光多气体分析模块1-7的气体流量、湿度、压力在合理范围，预检测模块1-6的信号通过adc采集模块1-61将模拟信号转换成数字信号传输给arm主控处理单元1-1；激光多气体分析模块1-7分析出来的实时气体浓度通过隔离型rs485通讯模块1-71传输给arm主控处理单元1-1。

在具体实施中，通过隔离型rs485通讯模块1-71与激光多气体分析模块1-7连接交换数据信息时，为了抑制矿井大型设备电磁信号对通讯质量的影响，也为了增强控制器对外部干扰的抗扰能力，可在rs485接口处增加emc抗干扰电路进行抑制；作为较佳的实施方式，在arm主控处理单元1-1的rx/tx通讯引脚处，除了连接传统的光电隔离器件，也可连接adum1201隔离模块，用adum1201代替传统的光电隔离器件，既降低了系统功耗，简化系统结构，又增加了控制器与激光多气体分析模块通讯的稳定性，提高了控制器的性能，此处可根据具体要求选择合适的隔离方案，并不局限于所述方案。

通过本实施例的方案，提供了一种更适合煤矿采空区发火监测需求的井下激光多气体束管采样检测器，能够实时采集分析多个采空区域内多种标志性气体状况，由arm主控处理单元1-1控制多通道电磁阀控制模块1-5切换抽气区域，避免井上监测带来的长距离束管传输漏气不准确、检测延迟问题；激光多气体分析模块1-7采用可调谐激光光谱吸收技术对气体进行检测，测量精度高、耗时短；基于arm架构的arm主控处理单元1-1能够控制多个通道检测并收集采空区内多种标志性气体浓度数值，实时检测判断异常数据；多处增加隔离模块，提升了控制器的抗干扰能力；抽气执行机构选择了具有防爆功能的防爆真空抽气泵1-4和防爆真空磁启动器驱动模块1-41，避免了电火花与易燃气体的接触；利用样气排气单元1-8与排气单元1-9，可将检测后的气体一同作安全处理，避免气体泄漏。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。