一种抗多种气体干扰的一氧化碳传感器及检测方法与流程

1.本发明属于煤矿环境气体检测领域，涉及一种具有抗多种气体的一氧化碳传感器及检测方法。


背景技术：

2.一氧化碳传感器作为煤矿一氧化碳气体浓度监测的主要仪表，在火灾早期预警方面发挥了重要的作用，是目前使用最成熟最广泛的火灾预警监测手段，随着矿山智能化的发展，精准检测成为智能传感器的必然要求。随着高产高效矿井的建设，井下胶轮车的数量越来越多，其排放的尾气中含有碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、一氧化碳、烟尘微粒(某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾)等物质，其中氮氧化合物对一氧化碳传感器存在交叉干扰作用，导致一氧化碳一氧化碳传感器误报警事故频发，严重干扰了煤矿正常生产。
3.目前国内工业检测领域已经设计出了红外一氧化碳传感器，且气室大、光程长，无法小型化，且存在气体交叉干扰，不具备开发成矿用本质安全型仪表的技术条件；基于激光检测技术的一氧化碳传感器，受制于激光器定制、光学结构设计、成本等因素，尚无具备应用价值的工程样机。目前各厂家一氧化碳传感器均采用单一一氧化碳电化学敏感元件检测环境气体浓度，当环境中存在胶轮车尾气或硫化氢气体时传感器就会出现误报警，严重影响监测监控的有效性，给矿方和监管部门造成疑惑和困扰，影响煤矿安全生产。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有抗多种气体干扰的一氧化碳传感器及检测方法，主要解决井下胶轮车尾气、含硫气体对一氧化碳传感器检测结果准确性影响的行业难题，实现煤矿井下一氧化碳气体浓度的精准检测。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种抗多种气体干扰的一氧化碳传感器，包括一氧化碳/硫化氢双气检测模组、氮氧化物检测模组、主壳体1、后盖2、航空插座3、模块化主板4、蜂鸣器腔体5、密封防水胶圈7、灯罩底座组件8、下护罩11、前铭牌13、后铭牌14、煤安标志牌15、第一通气嘴16、第二通气嘴17和主壳体显示窗18；
7.所述一氧化碳/硫化氢双气检测模组和氮氧化物检测模组能同步测量环境中的一氧化碳、硫化氢和氮氧化物气体的浓度，气体浓度测量初值传输至所述模块化主板4，在模块化主板4中经交叉干扰补偿检测方法计算后，实际的气体浓度值通过主壳体显示窗18显示，并将气体浓度值上传至监控分站。
8.可选地，所述一氧化碳/硫化氢双气检测模组包括气体检测元件和信号处理电路；
9.所述气体检测元件包括一个电化学一氧化碳、硫化氢双气一体化气体检测元件；或者包括一个电化学一氧化碳气体检测元件和一个电化学硫化氢气体检测元件。
10.所述氮氧化物检测模组包括电化学氮氧化物气体检测元件和信号处理电路；
＝a
0-α
×c0-γ
×
b0，其中γ为交叉干扰系数，其范围为0.1≤γ≤4；
29.当环境中间歇性的出现较高浓度的硫化氢气体和氮氧化物气体，且一氧化碳/硫化氢双气检测模组中的气体检测元件会受到硫化氢气体和氮氧化物气体影响时，q为2，传感器采用强交叉干扰补偿工作模式；其中，当c0≥n1，启动计时器记录传感器检测时间t，当t《t1并且c0《n2时，a1＝0；当t》t1或者c0≥n2时，一氧化碳气体实际浓度值a1＝a
0-α
×c0-γ
×
b0。
30.本发明的有益效果在于：通过一氧化碳、氮氧化物、硫化氢复合电化学元件设计，既实现一氧化碳气体浓度的精准检测，又实现井下胶轮车尾气的标志性气体氮氧化物、含硫气体的标志性气体硫化氢多组分气体浓度的实时监测，并通过相应交叉干扰补偿检测方法，根据现场环境特点设定不同交叉干扰补偿强度，以实现煤矿井下胶轮车尾气、含硫工作面巷道等环境的一氧化碳浓度实时精准检测，消除多种气体干扰造成的一氧化碳传感器误报，提高智慧矿山精准感知能力，保障煤矿安全生产。
31.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
32.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
33.图1为抗多种气体干扰的一氧化碳传感器结构正视图；
34.图2为抗多种气体干扰的一氧化碳传感器结构底视图；
35.图3为抗多种气体干扰的一氧化碳传感器结构侧视图；
36.图4为抗多种气体干扰的一氧化碳传感器结构后视图；
37.图5为传感器电气原理图；
38.图6为交叉干扰补偿检测方法。
39.附图标记：1、主壳体；2、后盖；3、航空插座；4、模块化主板；5、蜂鸣器腔体；6、螺钉ⅰ；7、密封防水胶圈；8、灯罩底座组件；9、螺钉ⅱ；10、螺钉ⅲ；11、下护罩；12、螺钉ⅳ；13、前铭牌；14、后铭牌；15、煤安标志牌；16、通气嘴；17、通气嘴；18、主壳体显示屏。
具体实施方式
40.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本方的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代
表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
42.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
43.请参阅图1～图6，为一种抗多种气体干扰的一氧化碳传感器及检测方法：
44.一种抗多种气体干扰的一氧化碳传感器及检测方法，本发明针对传感器的检测目标一氧化碳气体、井下胶轮车尾气的标志性气体氮氧化物和含硫气体的标志性气体硫化氢进行复合检测，然后进行交叉干扰补偿算法计算。
45.一氧化碳传感器包括一氧化碳/硫化氢双气检测模组、氮氧化物检测模组、主壳体1、后盖2、航空插座3、模块化主板4、蜂鸣器腔体5、密封防水胶圈7、灯罩底座组件8、下护罩11、前铭牌13、后铭牌14、煤安标志牌15、第一通气嘴16、第二通气嘴17和主壳体显示窗18。
46.其中，两个检测模组同步检测环境中的一氧化碳、硫化氢、氮氧化物气体的浓度，一氧化碳/硫化氢双气检测模组测量通气嘴16进入的气体，氮氧化物检测模组测量通气嘴17进入的气体。浓度测量数值传输至模块化主板4，经传感器交叉干扰补偿检测方法计算后，其实际气体浓度值通过主壳体显示窗18显示，并通过通讯接口将气体浓度值上传至监控分站。
47.一氧化碳/硫化氢双气检测模组固定在灯罩底座组件8中，由气体检测元件和信号处理电路组成。其中，气体检测元件有两种方案，其中一种为一个电化学一氧化碳、硫化氢双气一体化气体检测元件；另一种为两个元件，包括一个电化学一氧化碳气体检测元件和一个电化学硫化氢气体检测元件。
48.氮氧化物检测模组固定在灯罩底座组件8中，由电化学氮氧化物气体检测元件和信号处理电路组成，电化学氮氧化物气体检测元件优选一氧化氮气体检测元件，也可以是二氧化氮气体检测元件。
49.模块化主板4通过螺钉ⅰ6固定到主壳体1上，灯罩底座组件8通过螺钉ⅱ9固定到主壳体1上，下护罩11通过螺钉ⅲ10固定到主壳体1上，后盖2与主壳体1之间围有一圈密封防水胶圈7，通过螺钉ⅳ12固定在主壳体1上。
50.模块化主板4包括电压转换电路、微处理器、通讯电路、气体检测模组通讯接口电路、遥控接收电路、声光报警电路和显示电路。其中微处理器与通讯电路和气体检测模组通讯接口电路相互连接，微处理器与电压转换电路、遥控接收电路、显示电路和声光报警电路连接。声光报警电路与灯罩底座组件8内的发光灯和蜂鸣器腔体5连接，并能够控制发光灯进行间歇性光报警、控制蜂鸣器腔体5进行间歇性声报警。显示电路中设置有显示器件，用于显示一氧化碳气体浓度值，可选的，交替显示硫化氢气体浓度，或者氮氧化物气体浓度，或者交替显示硫化氢气体浓度和氮氧化物气体浓度；主壳体显示窗18为透明塑料件，其在主壳体上的位置与显示器件相对应，可通过显示窗查看显示器件的内容。
51.一氧化碳/硫化氢双气检测模组与所述气体检测模组通讯接口电路相互连接，所
述氮氧化物检测模组与所述气体检测模组通讯接口电路相互连接。
52.本实施例中，一氧化碳/硫化氢双气检测模组中的气体检测元件优选电化学一氧化碳/硫化氢双气一体化气体检测元件，其型号为gs+4dt；氮氧化物检测模组中的气体检测元件优选一氧化氮气体检测元件，其型号为gs+4no；模块化主板上微处理器型号优选为tm4c123ge6pz。
53.下面对交叉干扰补偿检测方法做出说明，如图6所示，该方法包括以下步骤：
54.s1：设定交叉干扰补偿强度为q，q分为0、1、2三个强度工作模式，并设定氮氧化物补偿启动值n1、强干扰阈值n2和氮氧化物检测模组气体检测响应时间t1；
55.其中，氮氧化物补偿启动值范围为：4ppm≤n1≤10ppm；强干扰阈值范围为：30ppm≤n2≤50ppm；氮氧化物检测模组气体检测响应时间范围为：30s≤t1≤300s。
56.s2：一氧化碳/硫化氢双气检测模组、氮氧化物检测模组采样并计算待测量气样，得到一氧化碳气体浓度初值a0，硫化氢气体浓度值b0，氮氧化物气体浓度值c0，数值上传至模块化主板4上的微处理器进行处理；
57.s3：根据传感器使用环境特点，选择相应的q值下的工作模式，传感器计算待测量气样中的一氧化碳气体浓度；
58.当环境中不会出现硫化氢气体，或者一氧化碳/硫化氢双气检测模组含有硫化氢气体过滤剂时(过滤剂能够中和硫化氢气体从而消除硫化氢气体对一氧化碳气体检测浓度值的影响)，q为0，传感器采用弱交叉干扰补偿工作模式，传感器计算待测量气体中一氧化碳气体实际浓度值a1＝a
0-α
×
c0，其中α为交叉干扰系数，范围为0.1≤α≤3；
59.当环境中间歇性的出现较低浓度的硫化氢气体和氮氧化物气体，且一氧化碳/硫化氢双气检测模组中的气体检测元件会受到硫化氢气体和氮氧化物气体影响时，q为1，传感器采用中交叉干扰补偿工作模式，传感器计算待测量气体中一氧化碳气体实际浓度值a1＝a
0-α
×c0-γ
×
b0，其中γ为交叉干扰系数，范围为0.1≤γ≤4；
60.当环境中间歇性的出现较高浓度的硫化氢气体和氮氧化物气体，且一氧化碳/硫化氢双气检测模组中的气体检测元件会受到硫化氢气体和氮氧化物气体影响时，q为2，传感器采用强交叉干扰补偿工作模式，当c0≥n1，启动计时器记录传感器检测时间t，若t《t1并且c0《n2，a1＝0；若t》t1或者c0≥n2，一氧化碳气体实际浓度值a1＝a
0-α
×c0-γ
×
b061.s4：将一氧化碳/硫化氢双气检测模组和氮氧化物检测模组的电流信号转换为电压信号，在微处理器中进行a/d采样转换，计算出硫化氢和氮氧化物的气体浓度值；
62.s5：重复步骤s2～s4，不断测量待测量气样中一氧化碳、硫化氢和氮氧化物气体实际浓度值并更新显示输出。
63.补偿启动值n1和氮氧化物检测模组气体检测响应时间t1是为了避免传感器在强交叉干扰补偿工作模式时，因检测到高浓度氮氧化物气体而产生补偿过度的现象，消除胶轮车尾气等短时间高浓度氮氧化物气体聚集造成的测量异常现象。
64.强干扰阈值n2一般对应环境中人体能承受的氮氧化物气体安全浓度值，防止环境中存在较高浓度的氮氧化物气体时传感器没有报警，而导致人员中毒。
65.n1、n2、t1、α、γ这些参数的具体值与电化学一氧化碳、硫化氢、氮氧化物元件的型号有关，确定元件的型号后一般通过参考元件技术规格书或者实验的方法确定上述参数具体值，同时也允许用户对传感器的上述参数进行调节设置。
66.查阅元件技术规格书：n1的值应在1倍最小基本误差和2.5倍最小基本误差之间；n2一般对应人体在能承受的环境中氮氧化物气体安全浓度值；t1的值应在0.5倍响应时间和2倍响应时间之间。
67.所述实验方法如下：
68.根据完成校准的传感器，向一氧化碳/硫化氢双气检测模组通入浓度为100ppm的氮氧化物气体，一氧化碳/硫化氢双气检测模组得到一氧化碳气体浓度初值为p0，向氮氧化物检测模组通入浓度为100ppm的氮氧化物气体，氮氧化物气体检测模组得到氮氧化物气体浓度初值为p1，则
69.向一氧化碳/硫化氢双气检测模组通入浓度为100ppm的硫化氢气体，一氧化碳/硫化氢双气检测模组得到一氧化碳气体浓度初值为p2，得到硫化氢气体浓度值为p3，则
70.在本实施例中，基于电化学一氧化碳/硫化氢双气一体化气体检测元件型号为gs+4dt，电化学氮氧化物气体检测元件型号为gs+4no，n1＝6ppm，n2＝30ppm，t1＝40s，α＝0.1，γ＝0.25。
71.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。