摘 要： 近年來受到國民經(jīng)濟快速發(fā)展的推動，煤礦的開采量和消費量呈現(xiàn)快速增長的勢頭，同時很多煤礦企業(yè)存在著安全監(jiān)測不完善等煤礦安全問題，嚴重影響了煤礦的開采和人員的安全，其中瓦斯監(jiān)控是煤礦安全中的重要組成部分。介紹了一種基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理，同時闡述了壓力補償的必要性,然后基于最新的單光源雙通道甲烷傳感器進行分析，介紹了一種壓力補償方法，基本克服了壓力的漂移問題，提高了測量的準確性。
關(guān)鍵詞： 非分光紅外；瓦斯；氣體傳感器；壓力補償
煤炭是我國的主要能源之一，對國民經(jīng)濟的發(fā)展有重大的意義，目前煤礦生產(chǎn)中，很多企業(yè)都存在安全監(jiān)測不完善、管理落后等問題，導致安全生產(chǎn)形勢不容樂觀。監(jiān)測礦井現(xiàn)場各種氣體濃度、風速和設備的狀態(tài)可以有效地保障生命財產(chǎn)安全，降低事故的發(fā)生率。煤礦事故中由瓦斯造成的傷亡比例超過50%，可見瓦斯監(jiān)控的重要性。瓦斯主要來自礦井中的煤氣，主要成分是甲烷，爆炸通常發(fā)生在瓦斯占空氣濃度5%～16%。因此監(jiān)測到瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r應該立刻停止工作，撤出人員，查明原因，采取措施。
現(xiàn)有的瓦斯監(jiān)測手段主要有電化學式、光干涉式、載體催化式和非分光紅外型幾種。
光干涉型傳感器存在著體積大、調(diào)校頻率高、空氣成分復雜時測量不準確、容易發(fā)生誤報等問題，干涉信號向電信號的轉(zhuǎn)變困難也限制了它的發(fā)展。
載體催化型又稱“黑白元件型”，比光干涉型整體性能有所提升，但是存在著“高濃度沖擊損壞”、“催化劑中毒”等現(xiàn)象，限制了它的量程和使用的環(huán)境，需要經(jīng)常維護和更新設備，無形中提高了成本。
最新的基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器具有靈敏度高、調(diào)校周期長、壽命長等特點，而且不存在中毒現(xiàn)象，可以測量100%的濃度。目前國外用于精密氣體測量的傳感器使用的都是非分光紅外原理，國內(nèi)雖然也在研究但是還沒有到達實用化的階段,在應用方面存在很多問題。總體來說紅外原理的傳感器性能要優(yōu)于使用其他幾種原理的傳感器[1]。
溫度補償方法很多，而壓力補償?shù)姆椒▍s寥寥無幾，本文重點介紹一種非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理及其壓力補償方法。
1 非分光紅外檢測原理
非分光紅外原理主要根據(jù)不同的氣體對不同波長的紅外光吸收率不同，一般來說多原子分子和非對稱的雙原子分子都對某一波長的紅外光具有強吸收，如表1所示[2]。
式中ACT、REF是工作通道和參考通道的峰峰值，ZERO是之前在氮氣(空氣也可以)中計算出來的零點，a、n是固定的線性化參數(shù)，C是此時標準氣體的濃度。可以看出它是式(6)的一個變形，用來標定整個量程。ZERO和SPAN應該存儲在非易失存儲器中，例如EEPROM或者Flash，每次上電都應讀取這些參數(shù)進行濃度計算。
2.3 濃度計算
經(jīng)過上面的分析，由式(6)可以得到目標氣體的計算公式：
C=(-ln[1-(NA/SPAN]/a)(1/n) (9)
可見，瓦斯?jié)舛扰c熱電傳感器輸出電壓比呈非線性關(guān)系。
以上數(shù)據(jù)都要經(jīng)過濾波處理，采用單次測量誤差會非常大，一般采用滑動均值濾波和限幅濾波相結(jié)合的方法[4]。
3 壓力補償
甲烷傳感器分為3類，A、B類的工作環(huán)境壓強為80 kPa～116 kPa，而C類的是50 kPa～130 kPa，C類通常在管道中使用，被測氣體濃度和壓力的變化較大，為了進行精確測量需要進行相應的溫度和壓力補償。目前溫度補償已經(jīng)有比較完善的方法，例如利用查表線性差值等方法可以很好地進行溫度補償[5]，而壓力補償方面并沒有通用的方法。下面介紹一種瓦斯傳感器壓力補償方法，假設實驗在溫度不變的環(huán)境下進行。
在實驗室25 ℃的環(huán)境下，以空氣作為零點標定的背景氣，用高精度的直流穩(wěn)壓電源給探頭供電，并提供驅(qū)動信號，輸出信號經(jīng)過濾波放大用電壓表進行測量，標定的數(shù)據(jù)也事先經(jīng)過多組測量取均值得到。表2、表3分別是在不同濃度、不同壓力下5個甲烷傳感器進行10組測量得到NA和SPAN的均值，NA是與濃度非線性關(guān)系的參數(shù)，SPAN則是校正值。
由表2、表3可以看出，兩個參數(shù)都隨著壓力的變化發(fā)生了漂移，當濃度一定時NA隨著壓力近似線性增長，最終反映到測量結(jié)果上會使計算出的濃度偏大，SPAN值是標定的固定值，它不隨著濃度的變化而變化，與壓力也呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。
圖2是未進行壓力補償時的計算濃度。不同的線代表通入不同濃度的標準氣體，可見低濃度測量時壓力影響較小，當進行高濃度測量時濃度漂移十分嚴重，會超過100%，需要進行相應的壓力補償。
3.3 壓力補償
由式(11)進行壓力補償，最后可以得到進行壓力補償和未進行壓力補償?shù)臄?shù)據(jù)。圖4與圖2相似，是0～100不同標準濃度在60 kPa～140 kPa的壓力下測得的數(shù)據(jù)，相比于圖2，曲線趨于平緩，基本上達到了壓力補償?shù)哪康摹?br />
本文主要介紹了基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理，同時闡述了溫度及壓力補償對于大范圍高濃度測量的必要性，并且在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用統(tǒng)計的方法總結(jié)出一種通用的壓力補償方法，基本克服了高濃度測量時漂移嚴重的問題，可以滿足在壓力變化較大的環(huán)境中使用的要求。目前紅外原理的氣體傳感器并沒有統(tǒng)一的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)要求使用不同的方法來進行溫度和壓力補償。本文的補償方法針對單光源雙通道的傳感器進行分析，若要在其他結(jié)構(gòu)的傳感器上使用需要進行相應的修改。
參考文獻
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