CN103776793A - 单光束非色散红外气体感应器以及含有单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光束非色散红外气体感应器以及含有单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔，用于检测待检气体的浓度，该单光束非色散红外气体感应器能够长时间保持输出稳定，同时具有尺寸小、造价低的优点。因此，本发明特别适合用于地下矿井开采过程中的甲烷、水蒸气监测，能够有效地预防地下矿井中甲烷爆炸和/或洪水危险的产生。

Description

单光束非色散红外气体感应器以及含有单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔

技术领域

本发明涉及一种单光束非色散红外气体感应器，主要用于探测、预警矿井中危险气体状况，属于气体应用领域。 

本发明还涉及一种采用上述单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔。 

背景技术

最近几十年，非色散红外（NDIR）探测技术逐步在气体分析行业的气体探测方面得到应用。非色散红外探测技术的工作原理是光谱吸收法：通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化，因而具有高度的选择特性。当一束光强为输入光的平行光通过充有气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据Beer-Lambert定律，即可推算出相应的浓度。由此可知，基于非色散红外探测技术的气体分析器是利用待测气体分子在红外波段的特征吸收谱线，实现相应气体浓度的快速准确检测。另外，非色散红外探测技术中的“非色散”是通过采用色散元件（该色散元件通常是指窄带滤光器或红外透射滤波器，而不是指棱镜或衍射光栅这类的分散元件）实现的，采用色散元件的目的在于能够测量到与待测气体强吸收带一致的特殊波段上的辐射。 

因此，非色散红外探测技术具有测量快速准确、灵敏度高、工作稳定、操作容易、工作寿命长等优点，在气体分析行业被看作是最好的气体测量方法之一。但是，现阶段基于非色散红外探测技术制造的非色散红外气体感应器在矿工开采过程中仍然未得到广泛应用，理由如下： 

第一、现有的非色散红外气体感应器对于矿工开采的气体监测来说，质量并不可靠： 

矿工在低下矿井中工作时，一般需要配备个人甲烷（CH4）感应器以及个人露点（水蒸气）感应器。配备个人甲烷（CH4）感应器的目的是矿工在煤矿等矿物开采过程中遇到或打开所谓的“甲烷包”时，能预先探测到接近爆炸极限水平的气体浓度。由于甲烷没有气味，如果不配备个人甲烷感应器，当有“甲烷包”被打开时，在地下工作的矿工就没有办法获得这种致命情况的警示。如果矿工未注意到这种危险的工作环境，继续挖掘煤矿床，从而煤矿会跟往常一样产生火花。最终，在迅速达到甲烷的最低爆炸极限后，就会在地下引发爆炸。配备个人露点（水蒸气）感应器的目的是矿工在开采（煤或其他矿物）过程中遇到地下储水池时，能探测到其工作区域空气中水蒸气的急剧上升，当所探测到的水蒸气压上升速率超过了一定的无法解释的高水准，则应立即警示矿工小心遇到地下“储水池”，从而留意到潜在的洪水危险，避免继续挖掘作业带来的事故，否则在矿工不知道他们挖到了储水池并继续挖掘的情况下，可能会发生洪水。一旦洪水真的发生，不仅是离洪水极近的工人会被溺亡，就连附件矿区的工人也可能会被溺亡。而且，部分或全部地下工作隧道的洪水以及随后的必要清理行动都会给受灾矿区带来沉重的财务负担。 

但是，目前使用的气体感应器，即便是基于非色散红外探测技术制造的非色散红外气体感应器，质量也不是很可靠，常常在使用一段时间后就会出现输出漂移，因此，为保证该非色散红外气体感应器的测量准确度以及灵敏度，往往每隔半年或者一年就需要进行重新校准维护服务，增加使用成本； 

第二、现有的非色散红外气体感应器尺寸太大 

非色散红外气体感应器在刚面世时，其长、宽、高三维尺寸都达数英寸，近几年，随着相关科学技术进步，其三维尺寸得到大幅缩减，但是，将这种非色散红外气体感应器应用于矿工开采过程中的气体监测用具来说，尺寸还是较大，还需进一步减小。为使其能够在矿工开采过程中得到广泛应用，应该将其尺寸缩减至拇指大小； 

第三、现有的非色散红外气体感应器造价太高 

40年前，一个非色散红外气体感应器（如医用CO2）可以卖到超过1万美元一个；直到二十世纪90年代早期，非色散红外气体感应器（如CO2）的销售单价才降到了500美元以下；如今，非色散红外气体感应器（如CO2）的销售 单价大约为200美元，表明该类感应器的单个生产成本已降到了50美元左右或更低。但是，将非色散红外气体感应器作为矿工开采过程中的气体监测用具来说，其造价仍然太高；对于该用途，非色散红外甲烷或露点（水蒸气）气体感应器的单个生产成本必须降到10美元以下。 

发明内容

本发明针对现有的非色散红外气体感应器未得到广泛应用的三大原因，特别是在保护处于地下工作的矿工免受甲烷爆炸和/或洪水带来致命危险的用途中未得到广泛应用的原因，提供一种单光束非色散红外气体感应器，该单光束非色散红外气体感应器能够长时间保持输出稳定，同时具有尺寸小、造价低的优点。因此，本发明特别适合用于地下矿井开采过程中的甲烷、水蒸气监测，能够有效地预防地下矿井中甲烷爆炸和/或洪水危险的产生。 

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案： 

一种单光束非色散红外气体感应器，用于检测待检气体的浓度，包括波导管试验室区块以及印制电路板；波导管试验室区块包括波导管，该波导管的两端分别安装一个红外线温差源发生器以及一个红外检测器，红外线温差源发生器的发射口与红外检测器的检测口相对设置，且红外检测器配置色散元件，该色散元件与待检气体在红外线温差源发生器与红外检测器之间的强吸收带一致；所述波导管的管体上开设空气进口；印制电路板上安装有中央处理单元，红外线温差源发生器通过电压驱动电路与中央处理单元连接，红外检测器通过信号处理电路与中央处理单元连接，另外，中央处理单元还分别与功率调节电路、指示装置连接；红外线温差源发生器在中央处理单元的控制下，通过功率调节电路对电压驱动电路的调节作用，从红外线温差源发生器发射口经波导管管腔向红外检测器检测口交替发射单一高温红外射线源和单一低温红外射线源；信号处理电路在中央处理单元的控制下，分别采集单一高温红外射线源对应的信号输出和单一低温红外射线源对应的参考输出；中央处理单元根据单一高温红外射线源对应的信号输出和单一低温红外射线源对应的参考输出之间的吸收偏差，确定待检气体的浓度；中央处理单元根据待检气体的浓度以及预先设定的报警条件，自动控制指示装置的工作状态。 

所述色散元件为窄带滤光片。 

所述的待检气体为甲烷；所述报警条件为高得异常的甲烷浓度水平增长率，该高得异常的甲烷浓度水平增长率为1000ppm/分钟的单调速率，当待检气体的浓度以1000ppm/分钟的单调速率增长时，触发指示装置报警；或者为甲烷浓度高于500ppm而总体上又低于甲烷爆炸限值的甲烷升高浓度，甲烷的上升浓度为10000ppm，当待检气体的浓度高于500ppm而总体上又低于甲烷爆炸限值的甲烷升高浓度时，触发指示装置报警。 

中央处理单元预先设定环境阈值，当待检气体浓度低于环境阈值时，中央处理单元通过指示装置提示校准。 

所述的待检气体为水蒸气，报警条件为短时间内高得异常的水蒸气增长率，该短时间内高得异常的水蒸气增长率为10分钟内水蒸气压力的单调增速达到30mmHg/分钟，当待检气体的浓度达到该报警条件时，触发指示装置报警。 

所述单光束非色散红外气体感应器封装在保护外壳中。 

所述空气进口配置空气过滤器。 

本发明的另一技术目的是提供一种包含上述单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔，包括矿工头盔本体，该矿工头盔本体上安装有单光束非色散红外气体感应器以及视觉指示器，所述视觉指示器位于矿工头盔本体后方，且视觉指示器与单光束非色散红外气体感应器的指示装置电连接。 

所述视觉指示器包括用于显示单光束非色散红外气体感应器工作状态的第一视觉指示装置以及用于显示指示装置工作状态的第二视觉指示装置。 

所述矿工头盔本体上还安装有用于警示指示装置工作状态的声音报警装置，该声音报警装置与指示装置电连接。 

所述单光束非色散红外气体感应器通过保护外壳安装在矿工头盔本体上。 

根据以上的技术方案，相应于现有技术，本发明具有以下的优点： 

本发明采用由一个红外线源和一个探测器构成的温差源技术，以在不同的时间点形成与传统单光束双波长探测方法功能等同的“单光束双波长法”，由于不同时间点的双波长均共用同一个色散元件，因此，解决了原非色散红外气体感应器输出漂移的问题，即本申请具有长时间保持输出稳定的优点。另外，通过本发明的结构可知，本申请能够极大地缩减产品尺寸，降低生产成本，从而使得本发明能够在矿工开采过程中得到广泛应用，降低矿难发生频率。 

附图说明

图1是本发明所采用的单光束非色散红外气体感应器的结构示意图； 

图2是将单光束非色散红外气体感应器安装到矿工头盔上的结构示意图； 

其中：红外线温差源发生器1；红外检测器2；波导管试验室区块3；波导管4；空气进口5；螺纹安装孔6；玻璃胶7；印制电路板8；电压驱动电路9；中央处理单元10；信号处理电路单元11；功率调节电路12；指示装置13；矿工头盔本体14；单光束非色散红外气体感应器15；保护外壳16；螺钉17；绿色指示灯18；红色指示灯19；警报器20；白色LED灯21。 

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。 

本发明的主要目标是，通过消除或纠正现有非色散红外气体感应器输出漂移、大尺寸以及高成本问题，使其得到广泛应用。此外，本发明将其独特用途定位于地下作业的矿工所使用的气体感应器，其可使矿工注意到甲烷爆炸或地下洪水的危险，避免当今煤矿作业过程中矿难的频繁发生。 

本发明所述的单光束非色散红外气体感应器，用于检测待检气体的浓度，如图1所示，包括波导管试验室区块以及印制电路板；波导管试验室区块包括波导管，该波导管的两端分别安装一个红外线温差源发生器以及一个红外检测器，红外线温差源发生器的发射口与红外检测器的检测口相对设置，且红外检测器配置色散元件，该色散元件与待检气体在红外线温差源发生器与红外检测器之间的强吸收带一致；所述波导管的管体上开设空气进口，该空气进口配置空气过滤器；印制电路板上安装有中央处理单元，红外线温差源发生器通过电压驱动电路与中央处理单元连接，红外检测器通过信号处理电路与中央处理单元连接，另外，中央处理单元还分别与功率调节电路、指示装置连接；红外线温差源发生器在中央处理单元的控制下，通过功率调节电路对电压驱动电路的调节作用，从红外线温差源发生器发射口经波导管管腔向红外检测器检测口交替发射单一高温红外射线源和单一低温红外射线源；信号处理电路在中央处理单元的控制下，分别采集单一高温红外射线源对应的信号输出和单一低温红外射线源对应的参考输出；中央处理单元根据单一高温红外射线源对应的信号输出和单一低温红外射线源对 应的参考输出之间的吸收偏差，确定待检气体的浓度；中央处理单元根据待检气体的浓度以及预先设定的报警条件，自动控制指示装置的工作状态。 

为实现本发明所述的与传统双光束技术具有同等功能的单光束双波长探测方法，本发明参照了美国专利(1991)5026992以及美国专利8143581。 

根据5026992号美国专利(1991)记载可知，为了达到不同的操作黑体温度，可以根据Planck的辐射曲线，通过将辐射调到不同的功率水平，改变黑体源的光谱特性输出。由于经常脉冲双光气体传感技术的红外线源，这可很容易地实现。因此，通过这样的操作，可利用光源的不同光谱输出特性，在不同的时间点创造出两个光束。另外，上述专利文献还简要介绍了由一个红外线源和一个探测器构成的温差源技术或所谓的单光束方法技术，该技术可以创造一个参考通道和一个信号通道。本发明就是利用的这一事实：当源温度非常低时，利用低幅度原驱动循环作为参考通道，随后当温度相对较高时，利用高幅度原驱动循环作为信号通道。 

8143581号美国专利介绍了为给待测气体提供传感器标定，应如何创造参考通道和信号通道之间的吸收偏差。如果在当前单光束途径的参考通道（低幅源驱动）和信号通道（高幅源驱动）之间也可创造类似的吸收偏差，那么目前发明的单光束途径的感应器输出也会随着时间的变化而保持稳定。采用8,143,581号美国专利提出的方法，参考通道探测器和信号通道探测器都必须带具有同样光谱特性的窄带通滤波器，也就是相同的CWL和FWHM。因此，超出参考通道探测器输出比率的信号通道探测器输出比率不会受到因时间流逝而发生的老化现象的影响。在当前发明的温差源单光束方法中，本条件已自动满足了，因为参考通道和信号通道公用同一个探测器，该探测器具有相同的滤波器而只是在不同的时间点进行的操作。 

为了达到相同的稳定输出性能特性，当前发明使用了关键传感器组件设计功能，该功能可在温差源单光感应器设计方法的参考通道和信号通道之间创造需要的吸收偏差。申报发明的新颖设计功能与安装和位于红外检测器前面的窄带滤光片的战略设计有关。通过设计滤波器的中心波长（CWL），将关注气体吸收带的最突出部分与窄到可以覆盖吸收带的同一突出部分的滤波器半峰全宽重叠。通过探测器输出信号可反应出关注气体的辐射吸收量，这将会是光源光谱输出的一个 强大功能。对目前的单光束感应器设计方法来说，由于当参考通道受到低电压幅度驱动，而信息通道受到更高电压幅度驱动时，前者的光源光谱输出不同于后者，这样参考通道和信号通道的探测器信号输出也会有所不同。这样，为了使这种单光束非色散红外气体感应器随着时间推移能一直保持显著稳定，温差源单光感应器设计方法的窄带滤光片战略设计功能就可提供在8,143,581号美国专利中讲述的充足吸收偏差。 

结果证明，本发明揭示的非色散红外气体感应器温差源单光束感应器设计方法不仅满意地解决了气体感应器不能长时间保持稳定的问题，还设计出了非常紧凑的非色散红外气体感应器，其单个生产成本非常低廉。此外，这种设计方法可使，专门为可被煤矿矿工在地下用于探测即将发生的甲烷爆炸或洪水危险的非色散红外气体感应器，提供的特殊功能得到充分实。 

图1描绘了当前发明的温差源单光束感应器示意图，包括机械和电路布局。如图1所示，红外线温差源发生器1与红外检测器2被安装在一个铝制波导管试样室区块3的两端，波导管试样室区块3主要由一个连接光源1与检测器2的开发导管4组成。外部空气可以通过4个空气进口5自由地流入或流出波导管4，每个空气进口都配置一个高性能空气过滤器（未在图1中显示）。铝制波导管试样室区块开设4个自攻螺纹安装孔6，它们用来固定感应器的铝制保护盖（未在图1中显示）。铝制保护盖的功能会在下文中进行描述和解释。除了被焊接在位于铝制波导管试样室区块3下方并支撑着该区块的印制电路板上（未在图1中显示）之外，红外线温差源发生器1和红外检测器2都被注入了玻璃胶7进行保护，这作为一个附加方式可确保当前发明的感应器从机械设计方面考虑也是真正安全的。 

图1所描绘的印制电路板8包含当前发明的感应器的所有电路组件。红外线源1与电压驱动电路9相连，而电压驱动电路9依次又与中央处理单元（CPU）10相连。红外检测器2与信号处理电路单元11相连，而信号处理电路单元11也与CPU10相连。为完成当前发明感应器的整体电路布局，印制电路板8还覆盖着功率调节电路12及一个指示装置13，该装置包含了警报器、准备指示灯和警示灯。 

当前发明的单光束非色散红外气体感应器代表着其级别内最简单的可能设 计。感应器不仅能长时间保持卓越的输出稳定性，在其实现量产（>100万个）后，其单位生产成本也能降到只有几美元，并且其总体尺寸也绝对可以达到2.50″x0.5″x0.5″。到时，当前发明的单光束感应器就能完全克服前文提到的阻碍非色散红外气体感应器得到广泛应用的三大原因，也就是感应器长时间的输出稳定性、感应器尺寸以及感应器量产后的单位生产成本。 

特别令人满意和值得注意的是，当前发明的单光束非色散红外气体感应器非常适合用于生产非色散红外甲烷和露点感应器，这些感应器在地下矿井中用于消除将要面临的甲烷爆炸或洪水危险。首先，众所周知的是，只要关注气体在红外线波段内有强吸收带，非色散红外探测技术就可用于检测任何气体，如此以来就可设计一个合适的窄带滤光片来对其加以利用。这样，为了将当前发明的单光束非色散气体感应技术用于甲烷和水蒸气的检测，就需要将合适的滤波器安装到红外检测器的前面。为了检测甲烷，滤波器的中心波长（CWL）就应为～3.38p，而其半峰全宽则应超出～0.19p的波段。为了检测水蒸气，滤波器应为：CWL=～2.57p且FWHM=～0.16p。 

除了为当前发明的单光束非色散红外气体感应器提供正确的滤波器之外，为了1）满足气体感应器在地下矿井中操作的所有安全要求和2）充分利用在地下工作的矿工们的特殊气体检测环境，必须进行一些修改。为了符合矿井的安全要求，当前发明的但光束非色散红外气体感应器的一个重要功能就是其必须真正安全。如图1所示，目前的设计充分考虑了本功能， 

所以才用硅酮密封剂7将光源1和检测器2（见图1）后面的空间填满。试样室3本身是一块只有一个由它制成的导管的纯硬铝，就像试样室一样连接着光源1和检测器2，从机械观点来说，这一事实连同这一功能会使感应器真正安全。由于感应器的所有电子电路都是在3.0VDC下运行的，从电气角度来看，感应器的设计也是真正安全的。 

这里要着重说明的是，当前发明的非色散红外单光束气体感应器进行了专门设计，主要用于防止地下煤矿中致命的矿井爆炸或洪水，该感应器在探测到甲烷或水蒸气浓度水平升高速率达到危险程度时，会向矿工发出警报。对于这一特殊用途，可以运用的感应器的设计有多种独特的操作环境。首先，为了实现对矿工面临的潜在地下甲烷爆炸或洪水发出警告的功能，在地下作业的每位矿工的附近 都应配备一个个人感应器；所有作业矿工及附件的矿工都应能够察觉到气体感应器发出的警报。但是，感应器可能会因佩戴在腰带造成磨损，因此最好将其安装在矿工头盔后部如图2所示的14号位置。如图2所示，当前发明的单光束非色散红外甲烷感应器（或水蒸气感应器）15由一个金属（如，铝）保护盖16封装，并用两个螺丝钉17合适地固定在矿工头盔14的后部。位于感应器印制电路板（PCB）8上的绿色“正常”LED指示灯，在感应器通电、正常运转及准备执行报警功能时，发出绿光。红色的“警告”指示灯19也位于感应器的PCB8（见图1）上，当到达或超过气体检测警报限制时，发出红光。与此同时，警报器20也会发出响亮的报警声（>90db），警报器也装在感应器的PCB8上。图2中还有一个明亮的白色LED灯21，安装在矿工头盔前方的14号位置。该明亮的白色LED灯21由位于头盔内部14号位置（图2未显示）的可充电蓄电池组供电。当前发明的甲烷（或水蒸气）感应器也由相同的可充电蓄电池组供电（图2未显示接线方式）。 

按照申报的发明，甲烷或水蒸气感应器可以加装到现有的矿工安全帽上，或纳入到新制头盔的设计中。在改装现有头盔时，加上一个与头盔外表面相符的底座并保护底座外壳都很方便。底座可以通过头盔上的钻孔和几个固件固定在头盔上，同时外壳也可以用相同的几个固件将其固定。底座和外壳采用金属材料更好，最好是铝。外壳应有多个开孔，在孔上覆盖一个或多个允许气体进入外壳的滤波器，同时还要阻止煤灰进入从而接触到安装在外壳内部的感应器。所有这些滤波器最好都易于拆卸，这样在他们被阻塞后就可将其更换，但是滤波器不应阻碍灯光透出小孔，这样透过小孔就能看见安装在外壳内部的LED灯发出的光线，如能保证外壳内部发生的都是镜面反射，此时可见性就会更好。对于新制头盔来说，可将上文提到的各种部件纳入到头盔设计中，而无需进行改装。无论是改造头盔还是新制头盔，最好都应将感应器安装在矿工头盔的外部而非内部，因为内部的气体流动更有限。 

按上述方法将当前发明的甲烷（或水蒸气）传感器方便地安装到矿工头盔的后部，就可运用此用途的几个方面。最重要的一点是，在地下煤矿中作业的矿工会始终戴着一顶前方装有明亮的LED灯的头盔。从感应器的报警功能来看，矿工安全帽后方的感应器位置只要能让感应器达到最佳效果就好。不论矿工在哪里 作业，感应器都要始终伴随矿工，而这也是感应器最重要的功能之一。第二，感应器可容易地从头盔的相同可充电蓄电池组获得电源，还由于矿工在地下作业时其灯光必须随时保持，所以感应器必须一直要有充足的电源。第三，因为感应器随时都在矿工的头盔上，感应器的绿色LED闪光灯会一直提醒矿工在其下井作业前，甲烷感应器一直显示正常。最后，红色LED报警灯会在作业中矿工的头盔后部闪烁，这使得矿工在听到警报声后，可以有效地将报警信息传递给其同一区域的在其后面作业的其他矿工。这可提供防止地下煤矿潜在甲烷爆炸或洪水的双重警报。 

将当前发明的感应器安装在矿工安头盔后方是最佳选择，但是由于上述原因，申报发明物的安装位置不仅仅限制在此，因为其他由矿工个人安排的安装位置也能给他们带来安全保护。例如，可以设计一个能够在绑系在矿工腰带或其它服饰上的外壳，甚至可以将该外壳作为一种臂章，或通过其它方法、途径佩戴外壳，这样，只要该保护装置便于携带、方便、不易遗落、不因电源耗尽功能失效，矿工就能时时刻刻携带在身。但是，就使用的简便性和引发警报的适宜性而言，该安装位置存在一些潜在缺点。如果矿工头盔内没有安装个人警报装置，就需要安装一个声音报警器和/或使声音报警器与震动警报器或其它报警装置相连，这样矿工就能使用该装置很容易察觉出紧急状况。除此之外，如果没有一个或更多额外的警报机制，附近矿工可能无法察觉出警报。例如，矿工佩戴在腰带上的个人警报装置也能够触发安装在矿工头盔上的独立可见报警器，或某处矿工佩戴的一个或多个可见报警器。因此，对于没有安装在矿工头盔上的个人警报装置，很有必要进行设计，这样使用他们的矿工、极为靠近使用矿工的其它矿工能够轻易察觉警报。 

当前发明的非色散红外单光束甲烷感应器，设计了两个报警检测标准。第一个标准是基于探测到的矿井作业区甲烷浓度水平的过高上升率。甲烷在典型地上空气中的爆炸下限为～4.60%或～46,000ppm，而地下煤矿中的典型甲烷浓度水平为～500ppm或更低，在10分钟内单调增长率达到1,000ppm/分钟时，在达到LEL之间允许矿工撤离作业区的时间至少有～30分钟，这样的增速对第一个报警标准来说是充足的。第二个报警标准是基于作业区任何时候探测到的实际甲烷浓度水平来制定的。该报警水平设定为～10,000ppm甲烷。检测到的甲烷报警水平远低 于甲烷爆炸的下限值（～46,000ppm），这就使得工人们拥有充足的时间从作业区撤离并向相关部门汇报这一危险情况。 

对当前发明的水蒸气感应器来说，只设定了一个触发警报的检测标准，因为水蒸气没有下限值。只有当工地上出乎意料地或突然地出现大量水时，才可能触发水蒸气感应器报警。甚至连作业区检测到的绝对水蒸气压力水平都不能用作报警标准，因为这个值一个可能随着时间变化而变化的变量。然而，如果报警标准是基于短时间内探测到的超高的水蒸气上升率而制定的，那么就可能是作业区突然出现了大量的水，也可能是工人正挖到一个地下储水池的前兆。现在发明的水蒸气感应器将在10分钟内水蒸气压力的单调增速达到30mmHg/分钟的高速率时，设定为报警标准。 

当前发明的矿井甲烷（或水蒸气）感应器的一个重要性能特点是其可以长期保持输出稳定性。然而，相信感应器能够长期保持精确是一回事，而要验证其确实如此又完全是另一回事了。如果必须定期检查当前发明的甲烷（或水蒸气）感应器的精确性：毫无疑问其服务维护开销会高到无法承受，因为有如此多的矿工都装备了这样的感应器。幸运的是，所有矿工在地下工作一定的时间后，就必须回到地上，直到他们下一次轮班。因此，至少对当前发明的甲烷感应器来说，在矿工轮班从地下出来后，这就给感应器自动进行校准提供了一个绝佳机会，因为地上甲烷浓度通常低于～50ppm。那样，在甲烷感应器被重新校准后，甲烷样品浓度无论何时降到甲烷环境阀值水平（其可能被设为，如：100ppm）以下，甲烷感应器的精度都可有效地保证在+1-50ppm，这一精度足以保证为地下矿井感应器设置的报警标准。 

虽然本文对本发明的描述涉及到了某些体现，但那些体现仅代表一些例子，并不限制本发明的范围。在得益于本详细描述的技术中，源于此的其他体现明显属于那些熟练技术。在不偏离以下权利要求定义的发明构思的前体下，也可在可替代体现中进行进一步的修改。 

Claims (10)

1.一种单光束非色散红外气体感应器，用于检测待检气体的浓度，其特征在于：包括波导管试验室区块以及印制电路板；波导管试验室区块包括波导管，该波导管的两端分别安装一个红外线温差源发生器以及一个红外检测器，红外线温差源发生器的发射口与红外检测器的检测口相对设置，且红外检测器配置色散元件，该色散元件与待检气体在红外线温差源发生器与红外检测器之间的强吸收带一致；所述波导管的管体上开设空气进口；印制电路板上安装有中央处理单元，红外线温差源发生器通过电压驱动电路与中央处理单元连接，红外检测器通过信号处理电路与中央处理单元连接，另外，中央处理单元还分别与功率调节电路、指示装置连接；红外线温差源发生器在中央处理单元的控制下，通过功率调节电路对电压驱动电路的调节作用，从红外线温差源发生器发射口经波导管管腔向红外检测器检测口交替发射单一高温红外射线源和单一低温红外射线源；信号处理电路在中央处理单元的控制下，分别采集单一高温红外射线源对应的信号输出和单一低温红外射线源对应的参考输出；中央处理单元根据单一高温红外射线源对应的信号输出和单一低温红外射线源对应的参考输出之间的吸收偏差，确定待检气体的浓度；中央处理单元根据待检气体的浓度以及预先设定的报警条件，自动控制指示装置的工作状态。

2.根据权利要求1所述的单光束非色散红外气体感应器，其特征在于：所述色散元件为窄带滤光片。

3.根据权利要求1或2所述的单光束非色散红外气体感应器，其特征在于：所述的待检气体为甲烷；所述报警条件为高得异常的甲烷浓度水平增长率，该高得异常的甲烷浓度水平增长率为1000ppm/分钟的单调速率，当待检气体的浓度以1000ppm/分钟的单调速率增长时，触发指示装置报警；或者为甲烷浓度高于500ppm而总体上又低于甲烷爆炸限值的甲烷升高浓度，甲烷的上升浓度为10000ppm，当待检气体的浓度高于500ppm而总体上又低于甲烷爆炸限值的甲烷升高浓度时，触发指示装置报警。

4.根据权利要求3所述的单光束非色散红外气体感应器，其特征在于：中央处理单元预先设定环境阈值，当待检气体浓度低于环境阈值时，中央处理单元通过指示装置提示校准。

5.根据权利要求1或2所述的单光束非色散红外气体感应器，其特征在于：所述的待检气体为水蒸气，报警条件为短时间内高得异常的水蒸气增长率，该短时间内高得异常的水蒸气增长率为10分钟内水蒸气压力的单调增速达到30mmHg/分钟，当待检气体的浓度达到该报警条件时，触发指示装置报警。

6.根据权利要求1或2所述的单光束非色散红外气体感应器，其特征在于：所述单光束非色散红外气体感应器封装在保护外壳中。

7.根据权利要求1或2所述的单光束非色散红外气体感应器，其特征在于：所述空气进口配置空气过滤器。

8.一种包含权利要求1所述的单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔，包括矿工头盔本体，其特征在于：该矿工头盔本体上安装有单光束非色散红外气体感应器以及视觉指示器，所述视觉指示器位于矿工头盔本体后方，且视觉指示器与单光束非色散红外气体感应器的指示装置电连接。

9.根据权利要求6所述的包含有单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔，其特征在于：所述视觉指示器包括用于显示单光束非色散红外气体感应器工作状态的第一视觉指示装置以及用于显示指示装置工作状态的第二视觉指示装置。

10.根据权利要求6所述的包含有单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔，其特征在于：所述矿工头盔本体上还安装有用于警示指示装置工作状态的声音报警装置，该声音报警装置与指示装置电连接。

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