一种煤矿用无线激光式甲烷测定器及测定方法与流程

本发明涉及燃气检测，尤其涉及一种煤矿用无线激光式甲烷测定器及测定方法。

背景技术：

虽然煤炭在我国国民经济建设中占有重要的地位，但是我国的煤矿安全生产问题却十分的突出，煤矿井下瓦斯爆炸是引发矿难的最主要原因。瓦斯的主要成分为甲烷，为了有效减小矿难发生的概率，煤矿需要安排专职的瓦检工作人员对井下的甲烷气体浓度及检测甲烷所使用设备的精度进行检测及校准。

现有技术中的便携式甲烷浓度检测装置中最为精确的仪器为光干涉式甲烷测定器，它既可以检测煤矿井下当前位置甲烷浓度，又可以利用其检测值对其他检测设备进行标校。但是光干涉式甲烷测定器从根本上并不是直接测定甲烷的浓度，而是通过测试由于甲烷与空气的折射率不一致而引起的光干涉条纹移动量来测定甲烷浓度的大小，它对甲烷的测定属于间接的测定，并非直接的测定，并且甲烷与二氧化碳折射率是比较相近的，实质上两种气体是无法从根本原理上进行区分的，所以在测试过程中引入了钠石灰对二氧化碳进行吸收过滤，当二氧化碳浓度较低时，光干涉式甲烷测定器能够进行有效的测试，但当二氧化碳浓度过高时，光干涉式甲烷测定器上的钠石灰不能有效的将二氧化碳吸收掉，这会造成甲烷的误测，从而引起误报，所以在二氧化碳浓度含量较高的矿井下，不适合利用光干涉式甲烷测定器进行浓度测试，同时由于光干涉式甲烷测定器不具有电子显示及数据传输、存储等功能，并且其浓度检测数据曲线不具有线性，这就需要专业人员对其刻度线进行读数，不便于操作，带来了检测和记录上的不方便，而水蒸气对其还具有一定影响，需要定期更换过滤剂，增加了仪器维护的工作量。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种响应速度快、抗干扰能力强、调校周期长、安全性能及灵敏度高的煤矿用无线激光式甲烷测定器及其测定方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤矿用无线激光式甲烷测定器，其创新点在于：包括电池管理模块、矿用电池、稳压模块、供电开关模块、中央控制器、功能显示模块、无线数据交互模块和甲烷浓度激光信号采集模块，所述电池管理模块、矿用电池、稳压模块和供电开关模块依次电连接，所述供电开关模块与中央控制器双向电连接，所述功能显示模块、无线数据交互模块和甲烷浓度激光信号采集模块分别与中央控制器电连接。

进一步的，所述中央控制器电连接有声光报警模块。

进一步的，所述中央控制器通过单向供电指示线路与声光报警模块电连接。

进一步的，所述电池管理模块、矿用电池、稳压模块和供电开关模块依次通过供电指示线路电连接。

进一步的，所述供电开关模块与中央控制器通过供电指示线路双向电连接。

进一步的，所述中央控制器与功能显示模块通过单向供电指示线路电连接，所述无线数据交互模块和甲烷浓度激光信号采集模块分别与中央控制器通过双向供电指示线路电连接。

进一步的，所述矿用电池为矿用锂电池。

进一步的，所述甲烷浓度激光信号采集模块电连接有激光发射器，所述激光发射器的外端设置有气室，所述气室的另一侧设置有光电接收器，所述激光发射器与光电接收器相对设置。

本发明的另一目的在于提供一种煤矿用无线激光式甲烷测定器的测定方法，包括步骤一，中央控制器控制供电开关模块将电流供给激光发射器，激光发射器所发出的激光经过气室中甲烷气体的吸收，含有甲烷浓度值的信号被光电接收器所接收；步骤二，光电接收器将检测到的光信号经过处理后，以电信号发送给中央控制器，中央控制器对采集到的含有甲烷浓度信息的电信号进行运算处理，甲烷浓度数据实时发送到功能显示模块进行当前甲烷浓度显示，同时数据通过无线模块进行无线数据传输。

进一步的，当中央控制器运算得到的甲烷浓度超过预先设置报警点后，中央控制器向声光报警模块发出报警信号。

采用上述结构后，本发明有益效果为：

本发明采用激光式甲烷测定器进行测定甲烷浓度，全面的克服了光干涉式甲烷测定器所存在的无数据电子显示、使用操作困难、受其他气体、粉尘、水蒸气干扰大的问题，并且其稳定性好，检测精度高，使用简单等特点可以作为其他类型的矿用传感器的标校检验设备。

附图说明

图1是本发明中的煤矿用无线激光式甲烷测定器整体结构图；

图2是本发明中的

图3是本发明中的甲烷浓度激光信号采集模块的运行电路图；

图4是本发明中的供电开关模块的运行电路图；

图5是本发明中的声光报警模块的运行电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参看图1，本具体实施方式披露了一种煤矿用无线激光式甲烷测定器，包括外部电源适配器电连接电池管理模块200，电池管理模块200通过供电指示线路电连接矿用锂电池201，矿用锂电池201电连接稳压模块202，稳压模块202电连接供电开关模块203，供电开关模块203通过供电指示线路双向电连接中央控制器100。中央控制器100电连接有声光报警模块101、功能显示模块102、无线数据交互模块103和甲烷浓度激光信号采集模块104。中央控制器100与声光报警模块101和功能显示模块102均通过单向供电指示线路进行电连接。中央控制器100与无线数据交互模块103和甲烷浓度激光信号采集模块104均通过供电指示线路双向电连接。

可行的，电池管理模块200还可以具有智能充电功能，参看图2，是电池管理模块200的电路图，u2的第6引脚u206和第7引脚u207分别与矿用锂电池p1的正负引脚连接，r7与u2的第4引脚u204连接可控制p1的充电电流，c6、c7分别与u2的第5引脚连接可控制p1的最大充电时间，led1分别与u2的第1引脚和第2引脚连接，p1开始充电时led1点亮，充电结束后led1熄灭，电池电压检测点r2、r3的一端引脚分别与u4的第2引脚u402相连。

甲烷浓度激光信号采集模块104的运行电路如图3所示，其中u4的第28引脚u428连接u3的第3引脚u303，u3的第6引脚u306通过r13连接q4的第1引脚q401，q4的第2引脚q402连接激光发射器ld1的引脚，u4的第3引脚403连接u5的第6引脚u506，u5的第2引脚u502和第3引脚u503依次顺序连接pd1的两个引脚。

声光报警模块101的运行电路图如图5所示，u4的第26引脚u426与r16连接，顺序连接q6的第1引脚q601，q6的第3引脚q603连接蜂鸣器p2的第2引脚p202来控制声报警。u4的第27引脚u427与r18连接，顺序连接q5的第1引脚q501，q5的第3引脚q503连接报警灯led2来进行控制光报警。实现了光报警和声音报警，能够有效的避免设备故障下运行和防止故障情况运行出现错误监测数据。

功能显示模块102的运行电路图如图3所示，u4的第32引脚u432、第33引脚u433分别与p3的两个引脚连接，完成u4与p3之间的数据通讯。可行的，功能显示模块102可以电连接一触屏显示屏，通过该显示屏进行显示数据，方便实用。

无线数据交互模块103的运行电路图如图3所示，u4的第17引脚u417、18引脚u418、19引脚u419、20引脚u420、21引脚u421、22引脚u422分别与p4的相对应引脚连接，进行数据的收发传输。可行的，无线信号传输采用ifrd模式，传输效率高，通过无线传输数据的方式，增加了设备的适用性，方便快捷。

供电开关模块203的运行电路图如图4所示，u4的第23引脚u423通过r8依次顺序连接q3的第1引脚q301，q3的第3引脚q303顺序连接r6和q1的第2引脚q102；u4的第24引脚u424连接d1的第1引脚d101，d1的第2引脚顺序连接s1的第1引脚s101和第3引脚s303。

可行的，甲烷浓度激光信号采集模块电连接有激光发射器，激光发射器ld1的外端设置有气室1041，气室1041的另一侧设置有光电接收器pd1，激光发射器ld1与光电接收器pd1相对设置，可行的，激光发射器ld1采用自扩散的气体采样方式，检测精度高，不容易受干扰。

上述煤矿用无线激光式甲烷测定器的测定原理为：中央控制器100通过u4的第28引脚u428将电流扫描信号发送给u3，u3通过控制q4将电流供给激光发生器ld1，激光发射器ld1所发出的激光经过气室中甲烷气体的吸收，含有甲烷浓度值的信号将会被光电接收器pd1所接收。光电接收器pd1将检测到的光信号经过u5的处理后，以电信号发送给u4,u4对采集到的含有甲烷浓度信息的电信号进行运算处理，甲烷浓度数据实时发送到显示屏p3中，进行当前甲烷浓度显示，同时浓度数据还可以通过无线模块p4进行无线数据传输，当甲烷浓度超过报警点设置后，u4将报警信号(高低电平值)分别发送到q5和q6中，控制q5和q6的导通截止，从而控制蜂鸣器p2和报警点led2的导通，发出声光报警信号。

测定器的供电方式采用的是矿用锂电池供电及外部电源适配器对矿用锂电池进行充电的方式，矿用锂电池201通过稳压模块202，供电开关模块203对测定器进行供电。

具体的，甲烷气体在近红外谱段吸收谱线峰值波长为1653.72nm，中央控制器100通过u4的第28引脚u428将调制频率为10khz，调制幅度为±20ma的三角波电流扫描信号通过u3、q4将电流供给激光发生器ld1，激光发射器ld1的中心波长可选择范围为1653.7nm±0.2nm，调制电流变化1ma，对应激光器波长改变0.01nm，所以当激光发射器ld1所发出的激光波长范围为1653.50nm～1653.90nm时，通过±20ma的三角波电流扫描都可以让激光器的波长经过1653.72nm，并且在三角波电流扫描信号的作用下，在一个扫描周期内激光发射器ld1所发出的激光波长中心值将两次经过甲烷气体吸收谱线峰处，产生最强的吸收效果，并且可以将两次所采集到的最大值进行相加平均，使采集峰值更加稳定。

u4对采集到的含有甲烷浓度的信息的电信号进行处理的算法为：甲烷浓度光信号经u5转换为甲烷浓度电信号，甲烷浓度值与检测到的甲烷浓度电信号幅值成正比例的关系，通过采集计算检测到的甲烷浓度电信号的幅值就可以反推出甲烷浓度值，将采集到的数据利用12位a/d转换器平分为4096份，单片机需要将接收到的数据，进行逐点的采集，首先取数组的头和尾，拉一条直线，然后将实测数组和直线做减法，得出新的数组，比较相邻的两个数据。将所有的点通过“冒泡法”进行比较，找出最大值，而这个最大值就应该是甲烷气体吸收峰最强烈的地方，并且这个最大值只能有一个，这个点的幅值与当前甲烷浓度值成正比。由于激光器本身是模拟器件，所以具有一定的波动性，这样就会导致这个最大值在每遍扫描的时候产生一定的误差(比如上次扫描是1000，这一次变成1002)，针对这个问题，单片机采用移动平均的方式，将采集到的最大值20或者30一组进行平均处理，数据逐渐采入，同时逐渐输出，这样可以保证所输出的最大值，平稳。由于最大值与甲烷浓度值成正比，甲烷浓度越高，最大值越大，但是由于光吸收特性所导致，甲烷浓度曲线只是一条近视线性的曲线，所以为了提高甲烷浓度曲线的精度，浓度曲线拟合方程为y＝anxn+an-1xn-1+……+a1x1+a0(n≥3)，n的值越大浓度曲线拟合越准确。

u4通过第2引脚u402可以检测到电池电压的实时值，当矿用锂电池的电量低于3.6vdc时，测定器发出低电量报警信号，提示使用者关机并对测定器开始充电，充电过程为智能控制充电方式，p1开始充电led1点亮，充电结束后led1熄灭，r7控制p1的充电电流，c6、c7控制p1的最大充电时间，当电池电量充满后，u2会对矿用锂电池自动断电。

供电开关模块203中，当按键s1闭合时q1的第2引脚q102置低，q1的第1引脚q101和第3引脚q102电流导通，整个测定器供电电路导通，同时u4通过第23引脚u423将q3的第1引脚q301置高，q3的第2和第3引脚导通，q1的第2引脚q102将持续保持低电平，q1处于持续导通状态，这时可以将按键s1开启，完成测定器的开机。当按键s1再次闭合时，u4通过24引脚经d1检测到低电平后，u4通过23引脚将q3的1引脚置低，q3的2、3引脚截止，当按键s1开启后，由于r4的上拉作用，q1的2引脚置高，q1的第1引脚q101和第3引脚q103电流截止，完成测定器的关机。

本发明的误差范围在0.00～0.99％检测时小于等于±0.05％甲烷含量，在1.00～10.0％检测时误差在真值的±2.5％，远高于光干涉式甲烷测定器测量误差范围。

由于激光波长的“单一性”，在检测甲烷气体的过程中激光器所发出的中心波长值为甲烷气体吸收谱线的峰值，只针对甲烷气体分子有反应，不受二氧化碳、水蒸气、粉尘等其他干扰因素的影响。

此外，激光光源长寿命、高稳定性等特点，决定了激光式甲烷测定器的标校周期不小于两年，远大于光干涉式甲烷测定器的3个月。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。