摘 要： 近年來(lái)受到國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng)，煤礦的開(kāi)采量和消費(fèi)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，同時(shí)很多煤礦企業(yè)存在著安全監(jiān)測(cè)不完善等煤礦安全問(wèn)題，嚴(yán)重影響了煤礦的開(kāi)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(shí)闡述了壓力補(bǔ)償的必要性,然后基于最新的單光源雙通道甲烷傳感器進(jìn)行分析，介紹了一種壓力補(bǔ)償方法，基本克服了壓力的漂移問(wèn)題，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞： 非分光紅外；瓦斯；氣體傳感器；壓力補(bǔ)償
煤炭是我國(guó)的主要能源之一，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(cè)不完善、管理落后等問(wèn)題，導(dǎo)致安全生產(chǎn)形勢(shì)不容樂(lè)觀。監(jiān)測(cè)礦井現(xiàn)場(chǎng)各種氣體濃度、風(fēng)速和設(shè)備的狀態(tài)可以有效地保障生命財(cái)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(guò)50%，可見(jiàn)瓦斯監(jiān)控的重要性。瓦斯主要來(lái)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(cè)到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)應(yīng)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(cè)手段主要有電化學(xué)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(fù)雜時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確、容易發(fā)生誤報(bào)等問(wèn)題，干涉信號(hào)向電信號(hào)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(hù)和更新設(shè)備，無(wú)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(zhǎng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，而且不存在中毒現(xiàn)象，可以測(cè)量100%的濃度。目前國(guó)外用于精密氣體測(cè)量的傳感器使用的都是非分光紅外原理，國(guó)內(nèi)雖然也在研究但是還沒(méi)有到達(dá)實(shí)用化的階段,在應(yīng)用方面存在很多問(wèn)題。總體來(lái)說(shuō)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(bǔ)償方法很多，而壓力補(bǔ)償?shù)姆椒▍s寥寥無(wú)幾，本文重點(diǎn)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(bǔ)償方法。
1 非分光紅外檢測(cè)原理
非分光紅外原理主要根據(jù)不同的氣體對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光吸收率不同，一般來(lái)說(shuō)多原子分子和非對(duì)稱的雙原子分子都對(duì)某一波長(zhǎng)的紅外光具有強(qiáng)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?dú)?空氣也可以)中計(jì)算出來(lái)的零點(diǎn)，a、n是固定的線性化參數(shù)，C是此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度。可以看出它是式(6)的一個(gè)變形，用來(lái)標(biāo)定整個(gè)量程。ZERO和SPAN應(yīng)該存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中，例如EEPROM或者Flash，每次上電都應(yīng)讀取這些參數(shù)進(jìn)行濃度計(jì)算。
2.3 濃度計(jì)算
經(jīng)過(guò)上面的分析，由式(6)可以得到目標(biāo)氣體的計(jì)算公式：
C=(-ln[1-(NA/SPAN]/a)(1/n) (9)
可見(jiàn)，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(guò)濾波處理，采用單次測(cè)量誤差會(huì)非常大，一般采用滑動(dòng)均值濾波和限幅濾波相結(jié)合的方法[4]。
3 壓力補(bǔ)償
甲烷傳感器分為3類，A、B類的工作環(huán)境壓強(qiáng)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(cè)氣體濃度和壓力的變化較大，為了進(jìn)行精確測(cè)量需要進(jìn)行相應(yīng)的溫度和壓力補(bǔ)償。目前溫度補(bǔ)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(jìn)行溫度補(bǔ)償[5]，而壓力補(bǔ)償方面并沒(méi)有通用的方法。下面介紹一種瓦斯傳感器壓力補(bǔ)償方法，假設(shè)實(shí)驗(yàn)在溫度不變的環(huán)境下進(jìn)行。
在實(shí)驗(yàn)室25 ℃的環(huán)境下，以空氣作為零點(diǎn)標(biāo)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(dòng)信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大用電壓表進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)定的數(shù)據(jù)也事先經(jīng)過(guò)多組測(cè)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(gè)甲烷傳感器進(jìn)行10組測(cè)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(gè)參數(shù)都隨著壓力的變化發(fā)生了漂移，當(dāng)濃度一定時(shí)NA隨著壓力近似線性增長(zhǎng)，最終反映到測(cè)量結(jié)果上會(huì)使計(jì)算出的濃度偏大，SPAN值是標(biāo)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(jìn)行壓力補(bǔ)償時(shí)的計(jì)算濃度。不同的線代表通入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，可見(jiàn)低濃度測(cè)量時(shí)壓力影響較小，當(dāng)進(jìn)行高濃度測(cè)量時(shí)濃度漂移十分嚴(yán)重，會(huì)超過(guò)100%，需要進(jìn)行相應(yīng)的壓力補(bǔ)償。
3.3 壓力補(bǔ)償
由式(11)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，最后可以得到進(jìn)行壓力補(bǔ)償和未進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。圖4與圖2相似，是0～100不同標(biāo)準(zhǔn)濃度在60 kPa～140 kPa的壓力下測(cè)得的數(shù)據(jù)，相比于圖2，曲線趨于平緩，基本上達(dá)到了壓力補(bǔ)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(shí)闡述了溫度及壓力補(bǔ)償對(duì)于大范圍高濃度測(cè)量的必要性，并且在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用統(tǒng)計(jì)的方法總結(jié)出一種通用的壓力補(bǔ)償方法，基本克服了高濃度測(cè)量時(shí)漂移嚴(yán)重的問(wèn)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(méi)有統(tǒng)一的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)要求使用不同的方法來(lái)進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償。本文的補(bǔ)償方法針對(duì)單光源雙通道的傳感器進(jìn)行分析，若要在其他結(jié)構(gòu)的傳感器上使用需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。
參考文獻(xiàn)
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