CN102706831A

CN102706831A - 监测煤自燃气体中co浓度的频域太赫兹装置及方法

Info

Publication number: CN102706831A
Application number: CN2012101721709A
Authority: CN
Inventors: 王雁鸣; 时国庆; 邵振鲁; 王德明
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN102706831B

Abstract

一种监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置及方法，装置包括：煤自燃性测定仪、调节阀、管路、净化器、截止阀、气室、频域太赫兹发生器、太赫兹信号接收器、电脑、安全阀门、三通、智能真空泵、集气袋、闸阀。本发明利用智能真空泵将装置内部预先抽空，用净化器净化煤自燃性测定仪产生的煤自燃气体，用安全阀门保持气室内压力的恒定，并通过调节阀、截止阀、闸阀等实现装置中各部分的开与关，采用频域太赫兹发生器发射太赫兹波，太赫兹波透过气室时会部分被CO吸收，再利用太赫兹信号接收器接收透过气室的太赫兹波，根据相应公式计算CO浓度，连续进行即可实现对CO浓度的监测。其结构简单、操作简便、精度高。

Description

监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置及方法

技术领域

本发明涉及一种监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置及方法，属于煤炭燃烧安全领域，尤其适用于监测煤自燃气体中CO的浓度。

背景技术

太赫兹（THz）是一种具有独特性质、频率在 0.l~10 THz（波长为3mm~30μm）范围内的电磁波，属于远红外、亚毫米波范畴。太赫兹脉冲有很高的峰值功率，分辨率高，并且太赫兹射线可以透过气相物质，因此可用于探测极化气体如一氧化碳、氨气等。另外，CO对1.5THz的太赫兹信号具有最大的吸收峰，且煤自燃气体中的其他极性分子（水蒸气除外）在该频率下的吸收峰很小，因此对CO的吸收效果产生的影响极小。

煤在自燃过程中会产生CO、烷烃、烯烃以及炔烃等指标性气体，指标性气体的浓度能够预测和反映煤自燃的状态，而CO的浓度较之其他指标性气体的浓度高，容易检测，因此CO是煤自燃火灾最主要的指标气体。在煤自燃的不同阶段，会产生不同浓度的CO，通过煤自燃升温实验，检测煤样在不同温度下产生的CO浓度，从中找出煤温与CO浓度之间的对应关系，对于预测预报矿井煤自燃发火、指导矿井科学高效地制定灭火方案具有重要的价值。

目前应用较为广泛的测定煤自燃气体中CO浓度的装置主要是气相色谱仪，通过载气将煤自燃气体样品带入色谱柱进行分离，分离后的各气体组分先后流出色谱柱进入检测器，检测器将其浓度信号转变成电信号，经处理就得到了色谱的流出曲线，利用该曲线上CO对应的色谱峰就可以对CO的浓度进行分析，但是该装置只有进行多次重复实验后方能获得理想的测量效果，且在测试过程中，进样的间隔时间需要10分钟以上，因此不能实现CO浓度的连续监测。傅里叶变换红外光谱仪主要由红外光源、光阑、干涉仪、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成，红外光源发出的光被干涉仪分为两束并产生干涉，干涉光信号在通过样品室后到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，得到气体的CO浓度，该仪器虽然可以实现CO浓度的监测，但是只能测量振幅信息，且得到的吸收峰不够尖锐，谱线重叠严重，使得气体浓度的检测精度较低。超声检测仪主要由一对超声换能器、样品室、温度传感器和信号处理系统组成，测量时从一个换能器向另一个换能器发射超声脉冲，测量脉冲在样品室中的传播时间，进而计算出声速，然后根据声速、温度传感器测得的温度与气体介质混合比例之间的函数关系推算出气体的浓度，但是该仪器主要用于大流量、大管径的气体浓度检测，且极易受到周围压力、温度、湿度等因素的影响，精度低，难以对小流量的煤自燃过程中产生的CO的浓度进行高精度监测。因此，研究一种新的监测煤自燃气体中CO浓度的装置是煤矿安全领域中迫切需要解决的一个问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单，使用方便，精度高并且能够监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置及方法。

技术方案：本发明的监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置，包括气室，所述气室的一端经管路连接有内设有变色3A分子筛和活性炭的净化器，净化器的另端经管路连接有装有煤样的煤自燃性测定仪，气室的另一端经三通分别连接有智能真空泵和集气袋，三通与集气袋之间设有安全阀门，三通与智能真空泵之间设有闸阀，气室的两侧分别设有频域太赫兹发生器和太赫兹信号接收器，太赫兹信号接收器连接有电脑；所述煤自燃性测定仪和净化器之间设有调节阀，净化器和气室之间设有截止阀。

所述气室为石英玻璃制成的圆柱筒体，筒壁及上下底面厚1-1.5mm，筒体内直径3-10mm，上下底面分别有进出气口。

利用上述监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置的方法，包括如下步骤：

a. 关闭调节阀，开启煤自燃性测定仪使装入其中的煤样烧并产生煤自燃气体；

b.设置安全阀门的安全压力，设置智能真空泵的负压值，打开截止阀、闸阀，开启智能真空泵对气室抽真空；

c.当气室内的压力达到智能真空泵所设置的负压值时，智能真空泵自动关闭，此时关闭闸阀；

d.缓慢打开调节阀，使煤自燃性测定仪中产生的煤自燃气体以30-50ml/min进入净化器，煤自燃气体中的水蒸气和炭黑等杂质被净化器内的变色3A分子筛和活性炭吸收，以避免水分和炭黑杂质对频域太赫兹监测结果的影响；

e.当煤自燃气体经截止阀进入气室后，煤自燃气体的压力大于安全阀门的安全压力时，安全阀门自动开启，将气体排入集气袋内，待安全阀门排气10s后，关闭截止阀；

f.开启设在气室一侧的频域太赫兹发生器，通过频域太赫兹发生器发射频率为1.5THz的太赫兹信号，太赫兹信号沿直径透过充满煤自燃气体的气室后，被设在气室另一侧的太赫兹信号接收器接收，通过太赫兹信号接收器将接收到的信号传输到电脑内进行处理，根据公式：

计算出该时刻下煤自燃气体中CO的浓度，

式中：

n——CO在煤自燃气体中的浓度；

Ⅰ _out——太赫兹信号接收器接收到的太赫兹信号强度；

Ⅰin——频域太赫兹发生器发射的太赫兹信号强度；

L——太赫兹信号在气室中的光程，即气室内直径的大小；

K——纯CO对频率为1.5T赫兹的太赫兹信号的吸收系数；

α——压力校正系数。

g.打开截止阀，重复步骤e和f，实现对煤自燃气体中CO浓度的连续监测，直至煤自燃性测定仪不再产生煤自燃气体，即得到CO浓度随煤自燃过程的变化规律。

所述净化器内的变色3A分子筛和活性炭各占50%。

有益效果：本发明设有频域太赫兹发生器和太赫兹信号接收器，利用频域太赫兹光谱峰值功率大，分辨率高及能够透过气相物质的特点，将其应用于煤自燃气体中CO浓度的监测中，无需重复实验，且大大缩短了进样的间隔时间，实现了CO浓度的连续监测；监测结果同时得到振幅和相位信息，且得到的吸收峰很尖锐，无谱线重叠现象，因此气体浓度的检测精度高；与超声检测仪相比，实现了小流量气体的浓度监测，且受周围环境的影响很小。其结构简单，操作方便，结果精确度高。

附图说明

图1是用于监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置结构示意图。

图中：1-煤自燃性测定仪，2-调节阀，3-管路，4-净化器，5-截止阀，6-气室，7-频域太赫兹发生器，8-太赫兹信号接收器，9-电脑，10-三通，11-安全阀门、12-智能真空泵，13-集气袋，14-闸阀。

具体实施方式

下面结合附图中对本发明的一个实施例作进一行的描述：

如图1所示，本发明的监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置，包括气室6，所述气室6为石英玻璃制成的圆柱筒体，筒壁及上下底面厚1-1.5mm，筒体内直径3-10mm，上下底面分别有进出气口，气室6的一端经管路3连接有净化器4，净化器4内设有变色3A分子筛和活性炭，净化器4内设置的变色3A分子筛和活性炭各占50%，净化器4的另端经管路3连接有装有煤样的煤自燃性测定仪1，所述煤自燃性测定仪1和净化器4之间设有调节阀2，调节阀2用于调节进入装置的气体流量，净化器4和气室6之间设有截止阀5，截止阀5用于控制气体进入气室的开与关；气室6的另一端经三通10分别连接有智能真空泵12和集气袋13，集气袋13用于收集被排出装置的废气，避免污染环境，三通10与集气袋13之间设有安全阀门11，三通10与智能真空泵12之间设有闸阀14，闸阀14用于开启和切断气室与智能真空泵的联通，气室6的两侧分别设有频域太赫兹发生器7和太赫兹信号接收器8，太赫兹信号接收器8连接有电脑9，所述频域太赫兹发生器7包括QS1-260-1550型BWO太赫兹光源、太赫兹透镜、偏振片、衰减器、斩波器，太赫兹信号接收器8的型号为golay cell II型。

利用上述装置实现监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹方法：

a. 先关闭调节阀2，开启煤自燃性测定仪1使装入其中的煤样烧并产生煤自燃气体；

b.设置安全阀门11的安全压力，设置智能真空泵12的负压值，打开截止阀5、闸阀14，开启智能真空泵12对气室6抽真空；

c.当气室内的压力达到智能真空泵12所设置的负压值时，智能真空泵12自动关闭，此时关闭闸阀14；

d.缓慢打开调节阀2，使煤自燃性测定仪1中产生的煤自燃气体以30-50ml/min进入净化器4，煤自燃气体中的水蒸气和炭黑等杂质被净化器4内的变色3A分子筛和活性炭吸收，以避免水分和炭黑杂质对频域太赫兹监测结果的影响；所述净化器内设置的变色3A分子筛和活性炭各占50%；

e.当煤自燃气体经截止阀5进入气室6后，煤自燃气体的压力大于安全阀门11的安全压力时，安全阀门11自动开启，将气体排入集气袋13内，待安全阀门11排气10s后，关闭截止阀5；

f.开启设在气室6一侧的频域太赫兹发生器7，通过频域太赫兹发生器7发射频率为1.5THz的太赫兹信号，太赫兹信号沿直径透过充满煤自燃气体的气室6后，被设在气室6另一侧的太赫兹信号接收器8接收，通过太赫兹信号接收器8将接收到的信号传输到电脑9内进行处理，根据公式：

计算出该时刻下煤自燃气体中CO的浓度，

式中：

n——CO在煤自燃气体中的浓度；

Ⅰ _out——太赫兹信号接收器接收到的太赫兹信号强度；

Ⅰin——频域太赫兹发生器发射的太赫兹信号强度；

L——太赫兹信号在气室中的光程，即气室内直径的大小；

K——纯CO对频率为1.5T赫兹的太赫兹信号的吸收系数；

α——压力校正系数。

g.打开截止阀5，重复步骤e和f，实现对煤自燃气体中CO浓度的连续监测，直至煤自燃性测定仪不再产生煤自燃气体，即得到CO浓度随煤自燃过程的变化规律。

Claims

1.一种监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置，包括气室（6），其特征在于，所述气室（6）的一端经管路（3）连接有内设变色3A分子筛和活性炭的净化器（4），净化器（4）的另端经管路（3）连接有装有煤样的煤自燃性测定仪（1），气室（6）的另一端经三通（10）分别连接有智能真空泵（12）和集气袋（13），三通（10）与集气袋（13）之间设有安全阀门（11），三通（10）与智能真空泵（12）之间设有闸阀（14），气室（6）的两侧分别设有频域太赫兹发生器（7）和太赫兹信号接收器（8），太赫兹信号接收器（8）连接有电脑（9）；所述煤自燃性测定仪（1）和净化器（4）之间设有调节阀（2），净化器（4）和气室（6）之间设有截止阀（5）。

2.根据权利要求1所述的监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹装置，其特征在于，所述气室（6）为石英玻璃制成的圆柱筒体，筒壁及上下底面厚1-1.5mm，筒体内直径3-10mm，上下底面分别有进出气口。

3.一种如权利要求1所述装置的监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 关闭调节阀（2），开启煤自燃性测定仪（1）使装入其中的煤样烧并产生煤自燃气体；

b.设置安全阀门(11)的安全压力，设置智能真空泵（12）的负压值，打开截止阀（5）、闸阀（14），开启智能真空泵（12）对气室（6）抽真空；

c.当气室内的压力达到智能真空泵（12）所设置的负压值时，智能真空泵(12)自动关闭，此时关闭闸阀(14)；

d.缓慢打开调节阀(2)，使煤自燃性测定仪（1）中产生的煤自燃气体以30-50ml/min进入净化器（4），煤自燃气体中的水蒸气和炭黑等杂质被净化器（4）内的变色3A分子筛和活性炭吸收，以避免水分和炭黑杂质对频域太赫兹监测结果的影响；

e.当煤自燃气体经截止阀（5）进入气室（6）后，煤自燃气体的压力大于安全阀门（11）的安全压力时，安全阀门（11）自动开启，将气体排入集气袋（13）内，待安全阀门（11）排气10s后，关闭截止阀（5）；

f.开启设在气室（6）一侧的频域太赫兹发生器（7），通过频域太赫兹发生器（7）发射频率为1.5THz的太赫兹信号，太赫兹信号沿直径透过充满煤自燃气体的气室（6）后，被设在气室（6）另一侧的太赫兹信号接收器（8）接收，通过太赫兹信号接收器（8）将接收到的信号传输到电脑（9）内进行处理，根据公式：

计算出该时刻下煤自燃气体中CO的浓度，

式中：

n——CO在煤自燃气体中的浓度；

Ⅰ _out——太赫兹信号接收器接收到的太赫兹信号强度；

Ⅰin——频域太赫兹发生器发射的太赫兹信号强度；

L——太赫兹信号在气室中的光程，即气室内直径的大小；

K——纯CO对频率为1.5T赫兹的太赫兹信号的吸收系数；

α——压力校正系数;

g.打开截止阀（5），重复步骤e和f，实现对煤自燃气体中CO浓度的连续监测，直至煤自燃性测定仪不再产生煤自燃气体，即得到CO浓度随煤自燃过程的变化规律。

4.根据权利要求1所述的监测煤自燃气体中CO浓度的频域太赫兹方法，其特征在于，所述净化器（4）内的变色3A分子筛和活性炭各占50%。