专利名称：一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置及方法
技术领域：
本发明涉及瓦斯爆燃瞬间紫外、红外辐射的探测及火警信号输出，特别是一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置及方法，用于快速探测煤矿环境中可能出现的火灾或瓦斯管路中出现的爆燃现象，防止火灾或瓦斯爆燃对煤矿及人身安全造成伤害。
背景技术：
近年来我国重特大瓦斯爆炸事故频繁发生，国内外对此都表示了极大的关注，防止瓦斯事故的发生已经成为保证煤矿安全生产的首要任务。同时，煤层瓦斯(煤层气)作为一种优质、高热、洁净、方便的“绿色”能源，其开发的重要性正开始为人们所认识。近年来煤与瓦斯安全共采理论与技术被提出并得到了较大的发展，在煤与瓦斯安全共采的过程中，势必造成瓦斯在抽采设备或抽采巷道当中积聚，如何采取有效措施防止瓦斯在抽采过程中发生爆炸，是煤与瓦斯安全共采理论与技术研究的一个重要课题。对瓦斯爆炸传播机理及危害的研究表明，瓦斯爆炸冲击波超压、冲击波速度、波后气体温度、火焰速度等，在相当长的一段距离中都具有巨大的破坏作用，实现瓦斯早期抑爆，可以增大抑爆几率，缩小爆炸影响范围，降低因爆炸造成的损失。目前瓦斯早期抑爆技术主要存在以下3个技术难题:1、及时探测到瓦斯爆炸感应期和高灵敏度探测器的研发；2、具有阻爆抑爆功能的超细材料的研发；3、在爆炸感应期瞬时喷射抑爆材料技术和高可靠性设备的研发。同时矿井井下环境为人工照明，背景光单一，易于辨识因瓦斯爆炸产生的异常光辐射信号，因此针对瓦斯爆炸前期特别是感应期内光学特征，研制快速响应、准确探测的光学探测器具有绝对重要的意义。我国传统使用的井下隔爆方式均为隔爆岩粉棚和隔爆水棚等被动式隔爆方式，实践研究证明，瓦斯煤尘爆炸强度很弱时，被动式隔爆措施失效，即不能阻止爆炸火焰的继续传播；同时由于现场使用过程中，通风蒸发、煤粉污染、潮湿结块等原因，很难起到预期的隔爆效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置及方法，以便针对煤矿瓦斯管路的特定环境，长期可靠工作、并能快速准确探测火焰光谱辐射的探测器，满足煤矿环境安装及工作要求的结构设计。本发明的目的是这样实现的，一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置，其特征是:包括探测器壳体，探测器壳体内部设计有单片机、紫外敏感元、红外敏感元、石英窗，在石英窗内外侧分别有红外接收管和红外发射管，紫外敏感元、红外敏感元、红外接收管和红外发射管分别与单片机电连接，单片机通过控制红外发射管向石英窗内发射红外光，单片机通过检测红外接收管接收到的红外发射管发出的红外光，以确定石英窗的透光性，若污染大于报警阈值，则立即给出污染提示信号，单片机设定紫外敏感元和红外敏感元的报警阈值，通过检测外部瓦斯气体燃烧产生的紫外0.2 μ m和红外2.7 μ m的信号幅度，给出火警信号。所述的探测器壳体为Φ90Χ 120mm的圆柱体,底部为Φ220mm的圆形法兰盘，圆形法兰盘通有8个Φ 18_的安装孔，探测器顶部为熔融石英窗光学窗口，石英窗、底部法兰盘与探测器结合处均采用密封垫圈进行密封处理，探测器内部设计有印制电路板，电路板上安装紫外敏感元、红外敏感元、火警、状态指示灯和红外发射管，其中红外发射管安装在石英窗外部，通过导线将信号引入印制电路板，红外接收管安装在探测器内部电路板上，两个管子形成180°对射关系；通过定时检测红外发射管、红外接收管的电信号，实现对石英窗(803)污染检测。所述的石英窗为斜坡。所述的紫外敏感元和红外敏感元分为紫外光电管和PbS红外敏感元。所述的红外敏感元处安装I个微型白炽灯用于红外敏感元的定时校准，在红外敏感元与白炽灯的光学通路上，将红外敏感元管壳开孔，保证白炽灯点亮时可照射到红外敏感元，单片机定时输出点亮白炽灯的驱动信号，点亮白炽灯后，再采集红外敏感元的信号幅度，将该信号幅度存储在单片机内，作为该时段的背景环境，当该时段内采集到红外敏感元的信号幅度超过背景环境值时，即认定为红外火警信号。所述的红外接收管和红外发射管采用一对辐射峰值为0.89 μ m的红外发射管，由单片机每60s —次驱动红外发射管，使发射管输出0.89 μ m的红外线，输出时间持续约IOOms左右，然后检测红外接收管的输出信号幅度，红外接收管采用电阻分压，当接收到红外线福射时，由光电转换输出电压信号，经过后级取样放大整形，输出模拟电压信号，模拟信号直接送入单片机的AD端口，经过AD转换后，与设定的报警阈值进行比较后。所述的单片机是嵌入式ARM单片机。一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的方法，其方法是:
1)进入初始阶段；
2)清除石英窗表面；
3)单片机通过红外接收管接收向石英窗内发出的红外光；
4)检测红外接收管光强；
5)将检测的红外接收管光强信号做为标准值进行存贮；
6)进入检测阶段；
7)单片机通过红外接收管接收向石英窗内发出的红外光；
8)检测红外接收管光强；
9)将检测的红外接收管光强信号与初始阶段的标准值进行比较；
10)是否大于；是转步骤11)，不是转步骤12)；
11)输出清除石英窗表面提示信息，重新进入步骤6)；
12)单片机通过驱动标准源光工作，检测紫外敏感元4或红外敏感元的接收光强信号是否正常，不是，转步骤13)，是，转步骤14)；
13)输出紫外敏感元或红外敏感元电路异常提示信息，重新进入步骤6)；
14)分时检测紫外敏感元或红外敏感元的接收光强信号；
15)紫外敏感元或红外敏感元接收光强信号是否到达报警值，是转步骤16)，不是，转步骤 17)； 16)输出瓦斯管路火灾报警提示信息，重新进入步骤6)；
17)重新进入步骤6)。本发明的优点是:1、分别采用紫外、红外敏感元对火焰辐射光谱进行探测，通过软件算法将两路信号相“与”后，输出火警信号；2、通过结构设计，将一对红外发射管、接收管安装在探测器窗口的内外，通过判断红外发射管、接收管信号特性，判断探测器窗口的污染程度，输出污染提示信号；3、设计CAN总线接口，按照通讯协议上报探测器火警及状态信息；4、按照煤矿标准要求进行结构设计，通过光学材料选取保证探测器的光学窗口，选择适合矿井管道使用的金属材料进行合理的结构设计，即保证探测器的密封等级，又满足探测器抗振动、抗冲击和耐腐蚀的要求。
下面结合实施例附图对本发明作进一步详细说明:
图1是矿用瓦斯管路火灾探测器外形 图2是矿用瓦斯管路火灾探测器原理框图。图中:1、火警、状态指示灯；2、红外发射管；3、状态指示灯；4、紫外敏感元；5、红外接收管；6、红外敏感元;7、安装法兰盘;8、探测器壳体；9、单片机；801、底部；802、安装孔；803、石英窗；804、探测器。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。如图1所示，探测器壳体8为Φ90Χ 120mm的圆柱体，底部801为Φ220πιπι的圆形法兰盘，通过8个Φ18πιπι的安装孔802安装到瓦斯管道的安装附座上。探测器壳体8材料选用不锈钢316，其强度和耐腐蚀性满足矿用标准。探测器顶部为熔融石英窗803光学窗口，其熔点高、硬度好、化学稳定性好、耐热和抗冲击性能等优点。石英窗803对紫外、红外均有较好的透射率。石英窗803、底部兰盘801与探测器804结合处均采用密封垫圈进行密封处理，保证了探测器ΙΡ65的密封等级要求。探测器804内部设计有印制电路板，电路板上安装紫外敏感元4、红外敏感元6、火警、状态指示灯I和红外发射管2，其中红外发射管2安装在石英窗803外部，通过导线将信号引入印制电路板，红外接收管5安装在探测器804内部电路板上，两个管子形成180°对射关系，通过定时检测红外发射管2、红外接收管5的电信号，实现对石英窗803污染检测。石英窗803部分结构设计为30°斜坡，通过精确计算，选择红外敏感元6、紫外敏感元4的安装位置，保证了整个探测器±50°光学视场的要求。内部电路板通过4个螺钉安装在壳体上，整个探测器抗振动、抗机械冲击的强度均满足矿用设备要求。图2是矿用瓦斯管路火灾探测器壳体框图，探测器壳体包括:单片机9、紫外敏感元4、红外敏感元6、石英窗803，在石英窗803内外侧分别有红外接收管5和红外发射管2，紫外敏感元4、红外敏感元6、红外接收管5和红外发射管2分别与单片机9电连接，单片机9通过控制红外发射管2向石英窗803内发射红外光，单片机9通过检测红外接收管5接收到的红外发射管2发出的红外光，以确定石英窗803的透光性，若出现污染，影响探测器对慧眼辐射的探测能力，则立即给出污染提示信号，从而保证紫外敏感元4和红外敏感元6对火焰辐射的探测能力；单片机内部设定紫外敏感元4和红外敏感元6的报警阈值，通过检测外部瓦斯气体燃烧产生的紫外0.2 μ m和红外2.7 μ m的信号幅度，按照软件算法给出火警信号，实现对火焰辐射的快速准确探测和识别。我们知道瓦斯气体的燃烧特性符合碳氢类化合物燃烧特性曲线，其在紫外0.2 μ m和红外2.7 μ m存在两个辐射峰值，通过选用合适的紫外敏感元4和红外敏感元6，即可实现对这两个波段的信号提取，紫外敏感元4和红外敏感元6经过光电转换，输出电信号给单片机9，单片机9通过软件算法，判断是否为真实的火信号，从而实现对瓦斯爆燃的快速准确探测和识别。本发明选用的紫外敏感元4和红外敏感元6分为在紫外光电管和PbS红外敏感元，根据这两个敏感元的工作特性分别设计了其工作回路。紫外敏感元为高压真空光电管，其工作需要300V左右的直流供电，设计合适的放电工作回路，通过调整工作电压，使其工作频率达到IKHz以上。当接收到紫外线辐射时，快速形成放电脉冲，该脉冲信号通过整形驱动后送入单片机I/O 口，当输入脉冲数满足报警要求时，输出紫外火警信号。红外敏感元通过提取电压变化信号，经过跟随整形驱动，送入单片机的AD端口，单片机通过检测该端口模拟信号的幅值，经过AD转换为数字量后，与内部设定的报警阈值进行比较，一旦超出报警阈值门槛，即输出红外火警信号。当同时采集到紫外火警信号、红外火警信号后，单片机通过硬线接口直接输出火警信号，同时通过CAN总线上报火警信号。这样就完成了一次火警信号采集判断输出的全过程。紫外敏感元为高压工作，驱动电源包括，DC12V直流电源、逆变电源，逆变电源将探测器DC12V直流电源转换为DC600V，输出ImA的高压源，为紫外敏感元提供高压工作电源，紫外敏感元的放电脉冲为连续的尖峰脉冲，电压幅度参差不齐，通过设计带施密特触发器的反相器电路实现对放电脉冲的整形工作，经过整形后的放电脉冲为连续方波，经隔离后送入单片机I/O 口，即实现了紫外光电信号的采集、转换，又达到了隔离效果。在红外敏感元附近安装I个微型白炽灯用于红外敏感元的定时校准，在红外敏感元与白炽灯的光学通路上，将红外敏感元管壳开孔，保证白炽灯点亮时可照射到红外敏感元，单片机定时输出点亮白炽灯的驱动信号，点亮白炽灯后，再采集红外敏感元的信号幅度，将该信号幅度存储在单片机内，作为该时段的背景环境，当该时段内采集到红外敏感元的信号幅度超过背景环境值时，即认定为红外火警信号。红外接收管5和红外发射管2采用一对辐射峰值为0.89 μ m的红外发射管，由单片机每60s —次驱动红外发射管，使发射管输出0.89 μ m的红外线，输出时间持续约IOOms左右，然后检测红外接收管的输出信号幅度，红外接收管采用电阻分压，当接收到红外线辐射时，可由光电转换输出电压信号，经过后级取样放大整形，输出模拟电压信号，因接收管输出信号较微弱，因此放大电路设计的增益较大，适当增加滤波和带宽抑制，从而保证了信号的稳定性和输出幅度。该模拟信号直接送入单片机的AD端口，经过AD转换后，与设定的报警阈值进行比较后，这样监控接收管接收到的光强度变化，即可得到窗口玻璃污染程度，当接收管接收到的光强度降到一定程度，单片机通过CAN总线给出污染提示信号。单片机由嵌入式ARM单片机实现，该单片机自身带有2路CAN控制器，因此外部采用标准的CAN驱动电路即可实现探测器的CAN总线通讯功能。矿用瓦斯管路火灾探测器软件流程是:
I)进入初始阶段； 2)清除石英窗803表面；
3)单片机9通过红外接收管5接收向石英窗803内发出的红外光；
4)检测红外接收管5光强；
5)将检测的红外接收管5光强信号做为标准值进行存贮；
6)进入检测阶段；
7)单片机9通过红外接收管5接收向石英窗803内发出的红外光；
8)检测红外接收管5光强；
9)将检测的红外接收管5光强信号与初始阶段的标准值进行比较；
10)是否大于；是转步骤11，不是转步骤12)；
11)输出清除石英窗803表面提示信息，重新进入步骤6)；
12)单片机9通过驱动标准源光工作，检测紫外敏感元4或红外敏感元6的接收光强信号是否正常，不是，转步骤13)，是，转步骤14)；
13)输出紫外敏感元4或红外敏感元6电路异常提示信息，重新进入步骤6)；
14)分时检测紫外敏感元4或红外敏感元6的接收光强信号；
15)紫外敏感元4或红外敏感元6接收光强信号是否到达报警值，是转步骤16)，不是，转步骤17 ；
16)输出瓦斯管路火灾报警提示信息，重新进入步骤6)；
17)重新进入步骤6)。
权利要求
1.一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置，其特征是:包括探测器壳体(8)，探测器壳体(8)内部设计有单片机(9)、紫外敏感元(4)、红外敏感元￠)、石英窗(803)，在石英窗(803)内外侧分别有红外接收管(5)和红外发射管(2)，紫外敏感元(4)、红外敏感元(6)、红外接收管(5)和红外发射管(2)分别与单片机(9)电连接，单片机(9)通过控制红外发射管⑵向石英窗(803)内发射红外光，单片机(9)通过检测红外接收管(5)接收到的红外发射管(2)发出的红外光，以确定石英窗(803)的透光性,若污染大于报警阈值，则立即给出污染提示信号，单片机设定紫外敏感元⑷和红外敏感元(6)的报警阈值，通过检测外部瓦斯气体燃烧产生的紫外0.2 μ m和红外2.7μπι的信号幅度，给出火警信号。
2.根据权利要求1所述的一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置，其特征是:所述的探测器壳体(8)为Φ90X 120mm的圆柱体，底部(801)为Φ220πιπι的圆形法兰盘，圆形法兰盘通有8个OlSmm的安装孔(802)，探测器顶部为熔融石英窗(803)光学窗口，石英窗(803)、底部法兰盘与探测器(804)结合处均采用密封垫圈进行密封处理，探测器(804)内部设计有印制电路板，电路板上安装紫外敏感元(4)、红外敏感元(6)、火警、状态指示灯(I)和红外发射管(2)，其中红外发射管(2)安装在石英窗(803)外部，通过导线将信号引入印制电路板，红外接收管(5)安装在探测器(804)内部电路板上，两个管子形成180°对射关系；通过定时检测红外发射管(2)、红外接收管(5)的电信号，实现对石英窗(803)污染检测。
3.根据权利要求1所述的一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置，其特征是:所述的石英窗(803)为斜坡。
4.根据权利要求1所述的一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置，其特征是:所述的紫外敏感元(4)和红外敏感元(6)分为紫外光电管和PbS红外敏感元。
5.根据权利要求1所述的一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置，其特征是:所述的红外敏感元(6)处安装I个微型白炽灯用于红外敏感元的定时校准，在红外敏感元与白炽灯的光学通路上，将红外敏感元管壳开孔，保证白炽灯点亮时可照射到红外敏感元，单片机定时输出点亮白炽灯的驱动信号，点亮白炽灯后，再采集红外敏感元的信号幅度，将该信号幅度存储在单片机内，作为该时段的背景环境，当该时段内采集到红外敏感元的信号幅度超过背景环境值时，即认定为红外火警信号。
6.根据权利要求1所述的一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置，其特征是:所述的红外接收管(5)和红外发射管(2)采用一对辐射峰值为0.89 μ m的红外发射管，由单片机每60s —次驱动红外发射管，使发射管输出0.89 μ m的红外线，输出时间持续约IOOms左右，然后检测红外接收管的输出信号幅度，红外接收管采用电阻分压，当接收到红外线福射时，由光电转换输出电压信号，经过后级取样放大整形，输出模拟电压信号，模拟信号直接送入单片机的AD端口，经过AD转换后，与设定的报警阈值进行比较后。
7.根据权利要求1所述的一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置，其特征是:所述的单片机是嵌入式ARM单片机。
8.一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的方法，其方法是: 1)进入初始阶段； 2)清除石英窗表面； 3)单片机通过红外接收管接收向石英窗内发出的红外光；4)检测红外接收管光强； 5)将检测的红外接收管光强信号做为标准值进行存贮； 6)进入检测阶段； 7)单片机通过红外接收管接收向石英窗内发出的红外光； 8)检测红外接收管光强； 9)将检测的红外接收管光强信号与初始阶段的标准值进行比较； 10)是否大于；是转步骤11)，不是转步骤12)； 11)输出清除石英窗表面提示信息，重新进入步骤6)； 12)单片机通过驱动标准源光工作，检测紫外敏感元4或红外敏感元的接收光强信号是否正常，不是，转步骤13)，是，转步骤14)； 13)输出紫外敏感元或红外敏感元电路异常提示信息，重新进入步骤6)； 14)分时检测紫外敏感元或红外敏感元的接收光强信号； 15)紫外敏感元或红外敏感元接收光强信号是否到达报警值，是转步骤16)，不是，转步骤 17)； 16)输出瓦斯管路火灾报警提示信息，重新进入步骤6)； 17)重新进入步骤6)。
全文摘要
本发明涉及瓦斯爆燃瞬间紫外、红外辐射的探测及火警信号输出，特别是一种提升矿用瓦斯管路火灾探测器可靠性的装置及方法，其特征是包括探测器壳体，探测器壳体内部设计有单片机、紫外敏感元、红外敏感元、石英窗，在石英窗内外侧分别有红外接收管和红外发射管，紫外敏感元、红外敏感元、红外接收管和红外发射管分别与单片机电连接，单片机通过控制红外发射管向石英窗内发射红外光，单片机通过检测红外接收管接收到的红外发射管发出的红外光，以确定石英窗的透光性，若污染大于报警阈值，则立即给出污染提示信号，单片机设定紫外敏感元和红外敏感元的报警阈值，通过检测外部瓦斯气体燃烧产生的紫外0.2μm和红外2.7μm的信号幅度，给出火警信号。用于快速探测煤矿环境中可能出现的火灾或瓦斯管路中出现的爆燃现象，防止火灾或瓦斯爆燃对煤矿及人身安全造成伤害。
文档编号G08B17/12GK103198604SQ20131010889
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者李海峰, 李磊, 朱铁冬, 汪晶, 郗春艳, 陈莹, 李春良, 金亮, 张银平, 周礼兵, 曾建, 寇娟利 申请人:西安北方光电科技防务有限公司