CN112525827A - 矿用激光乙烯乙炔传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用激光乙烯乙炔传感器，包括外壳，在外壳内设有乙烯激光监测器、乙炔激光监测器以及监测电路板；所述乙烯激光监测器和乙炔激光监测器均包括激光发射器和激光接收器，在激光发射器和激光接收器之间设有监测气室；所述监测电路板上集成有乙烯激光驱动电路、乙炔激光驱动电路、Amp放大电路以及ARM处理器，在外壳内还设有两调制解调器，乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的激光接收器分别与一调制解调器相连，两调制解调器分别经一Amp放大电路后与ARM处理器相连；所述ARM处理器对接收到的信号进行解算，分别得到乙烯和乙炔的浓度。本发明能够快速有效地进行乙烯、乙炔的浓度监测，监测效果更好，并且精确度高，稳定性更好。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种矿用激光乙烯乙炔传感器。
背景技术
我国的煤层自燃十分严重，国有煤矿中60％以上的矿井存在煤层自然发火危险。矿井自燃火灾产生大量有毒有害气体，还可能引发矿井瓦斯爆炸，给矿工生命安全以及生产设备的安全造成严重威胁。煤层自燃每年都导致大量煤炭资源的浪费，引起严重的环境污染问题，并造成大量材料损失和人员伤亡。煤自燃的预测和火源探测技术是迄今为止煤矿防灭火工作面临的最大难题；煤自燃是一个极其复杂的物理、化学作用过程，其实质是破碎煤体表面力场失去平衡，与空气中的氧气发生一系列的物理吸附、化学吸附和化学反应，从而放出热量，在一定的散热环境下，当这些反应产生的热量大于散热时，煤体就会升温。若供氧充分，煤体温度升高则会加快煤体对氧的化学吸附和化学反应，同时使放出的热量增加，而放热量增加又使煤体升温速度加快，如此反复循环，最终导致煤体自燃发火。
目前国内外煤矿自燃火区火源探测方法主要有：磁探法、电阻率法、气体测量法、同位素测氧法、无线电波法、遥感法、计算机数值模拟法、温度法、红外探测法等。预报方法主要分为指标气体分析法、测温法、示踪气体法等。煤炭自然发火早期预报是指在煤层开采后，煤与氧接触氧化放热，进入自热阶段，热量积聚引起温度升高，致使自然发火的危险程度大大增加，在煤自燃冒青烟或出现明火之前，根据煤被氧化放热时产生的标志气体、温度等参数的变化情况，早发现自燃征兆，预测和推断自燃发展的趋势，超前判识自燃状态，对自然发火进行早期识别并预警的技术称为预报技术。其中，乙烯和乙炔是煤矿开采过程中的重要监测气体源。但目前乙烯、乙炔的监测传感器采电化学原理，其受环境湿度、温度、粉层及其它气体干扰影响大，导致监测数据不稳定、使用寿命短；会受其它有害气体(如硫化氢等)影响，导致损坏；且现有监测传感器只能监测单一气体，导致在安装传感器时增加线路架设、安装费用；同时，现有监测传感器在使用过程中，调校间隔时间短，15天需要标校一次，也增加了监测及维护费用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有传感器对乙烯、乙炔监测稳定性差，精确度低，使用寿命短，监测成本高的问题，提供一种矿用激光乙烯乙炔传感器，能够快速有效地进行乙烯、乙炔的浓度监测，监测效果更好，并且精确度高，稳定性更好；使用寿命长，同时通过一个传感器能够监测多种气体，且调校周期长，从而能大大降低监测使用成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种矿用激光乙烯乙炔传感器，包括外壳，在外壳的上端设有提手；其特征在于：在外壳内设有乙烯激光监测器、乙炔激光监测器以及监测电路板；
所述乙烯激光监测器和乙炔激光监测器均包括激光发射器和激光接收器，在激光发射器和激光接收器之间设有监测气室；
在外壳的下端设有进气嘴和出气嘴，所述进气嘴与一抽气泵相连，该抽气泵的进气端与进气嘴相连，出气端同时与乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的监测气室的进气端相连，乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的监测气室的出气端同时与出气嘴相连；
所述监测电路板上集成有乙烯激光驱动电路、乙炔激光驱动电路、Amp放大电路以及ARM处理器，所述ARM处理器通过乙烯激光驱动电路和乙炔激光驱动电路分别对乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的激光发射器进行驱动；在外壳内还设有两调制解调器，乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的激光接收器分别与一调制解调器相连，所述调制解调器用于将光信号转换为电信号，两调制解调器分别经一Amp放大电路后与ARM处理器相连；所述ARM处理器对接收到的信号进行解算，分别得到乙烯和乙炔的浓度；
在外壳上还设有显示器、警示灯、蜂鸣器以及航空插头，所述显示器、警示灯、蜂鸣器以及航空插头均与ARM处理器相连；所述ARM处理器处理得到的乙烯和乙炔的浓度后，能够通过显示器分别显示乙烯和乙炔的浓度值，并能够通过航空插头向外界传递信号，同时，能够通过该航空插头向各电气元件供电；当乙烯和/或乙炔浓度值大于设定的安全阈值时，ARM处理器能够通过警示灯和蜂鸣器进行声光报警。
进一步地，所述乙烯激光监测其的激光发射器所发出的激光的波长为1630nm；乙炔激光监测其的激光发射器所发出的激光的波长为1550nm。
进一步地，所述ARM处理器接收到调制解调器传递的信号后的解算过程如下：
I(λ)＝I0(λ)exp[-α(λ)CL]＝I0(λ)exp[-PS(T)φ(λ)CL]；
其中，I0(λ)为入射光强，I(λ)为透射光强，α(λ)为介质的吸收系数；L[cm]为光吸收气体的长度；S(T)[cm-2atm-1]为该气体特征谱线的线强度，它表示谱线的吸收强度，只与温度有关；P[atm]为气体介质的总压；C为气体的体积浓度；φ(λ)[cm]为线型函数；
对上式两边进行对数运算后在整个频域内进行积分，则有：
从而得到气体浓度：
进一步地，所述气室内设有若干反光镜，使激光发射器发出的激光在反光镜的作用下的路径呈S形。
进一步地，所述激光发生器内还具有加热模块，ARM处理器通过温控电路与该加热模块相连，并对加热模块进行发热控制。
进一步地，在壳体上还设有一控制面板，该控制面板与ARM控制器相连，通过该控制面板能够进行开关设置、安全阈值设置以及传感器调校。
进一步地，还包括一无线终端，在监测电路板上还设有无线通讯模块，该无线通讯模块与ARM相连，且该无线通讯模块能够与无线终端进行无线通讯；通过该无线通讯终端能够进行安全阈值设置以及传感器调校。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、通过一个传感器能够同时实现实现乙烯和乙炔的监测，从而无需使用多个传感器，并能减少安装过程中线路支架等安装成本，从而大大降低了监测成本。
2、采用激光对气体浓度进行监测，无零点漂移、测量范围广、响应时间快，不受环境温度变化影响，并且不受其他气体影响；从而大大提高对乙烯、乙炔监测的稳定性和精确度。
3、整个传感器使用过程中的调校周期长，60天调校一次，从而降低在使用过程中维护、调校的时间、人力、财力等成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的内部结构示意图。
图3为本发明中乙烯激光监测器/乙炔激光监测器的结构示意图。
图4为本发明的结构原理图。
图中：1—外壳，2—提手，3—监测电路板，4—激光发射器，5—激光接收器，6—监测气室，7—进气嘴，8—出气嘴，9—显示器，10—警示灯，11—蜂鸣器，12—航空插头。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1至图4，一种矿用激光乙烯乙炔传感器，包括外壳1，在外壳1的上端设有提手2；在外壳1内设有乙烯激光监测器、乙炔激光监测器以及监测电路板3。
所述乙烯激光监测器和乙炔激光监测器均包括激光发射器4和激光接收器5，在激光发射器4和激光接收器5之间设有监测气室6。其中，所示监测气室6呈管状结构，并沿外壳1的上下方向设置；所示激光发射器4位于监测气室6的下端，激光接收器5位于监测气室6的上端；该监测气室6的一端为进气端，另一端为出气端，在进气端和出气端分别设有进气孔和出气孔。具体实施时，在所述气室内设有若干反光镜，使激光发射器4发出的激光在反光镜的作用下的路径呈S形；这样，能够延长光束在监测气室6内的路径，从而更充分地与监测气室6内的。实际实施时，所述乙烯激光监测其的激光发射器4所发出的激光的波长为1630nm；乙炔激光监测其的激光发射器4所发出的激光的波长为1550nm；由于不同气体对不同波长的激光的吸收效果不同，因此，对应乙烯、乙炔两种气体，采用不同波长的激光，从而能够有效地对乙烯和乙炔的浓度进行监测。所述激光发生器内还具有加热模块，ARM处理器通过温控电路与该加热模块相连，并对加热模块进行发热控制；从而使激光发射器4周围的环境温度保持恒定，使激光发射器4的工作不受环境温度变化影响，能有效提高整个传感器的监测精确度和稳定性。
在外壳1的下端设有进气嘴7和出气嘴8，所述进气嘴7与一抽气泵相连，该抽气泵的进气端与进气嘴7相连，出气端通过气管同时与乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的监测气室6的进气端的进气孔相连，乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的监测气室6的出气端的出气口通过气管同时与出气嘴8相连；从而通过抽气泵不断将空气外界空气吸入到监测气室6内，以供气体检测使用，然后通过出气嘴8将检测后的空气排出到外界，如此循环，从而实现对空气的连续监测。
所述监测电路板3上集成有乙烯激光驱动电路、乙炔激光驱动电路、Amp放大电路以及ARM处理器，所述ARM处理器通过乙烯激光驱动电路和乙炔激光驱动电路分别对乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的激光发射器4进行驱动。在外壳1内还设有两调制解调器，乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的激光接收器5分别与一调制解调器相连，所述调制解调器用于将光信号转换为电信号，两调制解调器分别经一Amp放大电路后与ARM处理器相连；所述ARM处理器对接收到的信号进行解算，分别得到乙烯和乙炔的浓度。
其中，所述ARM处理器接收到调制解调器传递的信号后的解算过程如下：
根据Lambert-Beer定律，当一束平行光通过装有待测气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个或多个该气体的吸收谱线，则透射光强与入射光强及气体浓度之间的关系为：
I(λ)＝I0(λ)exp[-α(λ)CL]＝I0(λ)exp[-PS(T)φ(λ)CL]；
其中，I0(λ)为入射光强，I(λ)为透射光强，α(λ)为介质的吸收系数；L[cm]为光吸收气体的长度；S(T)[cm-2atm-1]为该气体特征谱线的线强度，它表示谱线的吸收强度，只与温度有关；P[atm]为气体介质的总压；C为气体的体积浓度；φ(λ)[cm]为线型函数，它表示了被测吸收谱线的形状，与温度、总压力和气体中的各成分含量有关，一般常用的三种线型函数为lorentz线型函数、Gauss线型函数和voigt线型函数。
对上式两边进行对数运算后在整个频域内进行积分，则有：
从而得到气体浓度：
这样，在知道压力、线强度、光吸收气体的长度等参数的情况下，将
在频域上的积分值带入上式中，就可以最终得到气体浓度值。
在外壳1上还设有显示器9、警示灯10、蜂鸣器11以及航空插头12，所述显示器9、警示灯10、蜂鸣器11以及航空插头12均与ARM处理器相连。所述ARM处理器处理得到的乙烯和乙炔的浓度后，能够通过显示器9分别显示乙烯和乙炔的浓度值，并能够通过航空插头12向外界(PC机等)传递信号；同时，能够通过该航空插头12向各电气元件供电，具体使用时，该航空插头12通过RS485与外界相连。当乙烯和/或乙炔浓度值大于设定的安全阈值时，ARM处理器能够通过警示灯10和蜂鸣器11进行声光报警。
在壳体上还设有一控制面板，该控制面板与ARM控制器相连，通过该控制面板能够进行开关设置、安全阈值设置以及传感器调校。作为优选，还包括一无线终端，在监测电路板3上还设有无线通讯模块，该无线通讯模块与ARM相连，且该无线通讯模块能够与无线终端进行无线通讯；通过该无线通讯终端能够进行安全阈值设置以及传感器调校。
调校过程中：
使传感器进入工作状态，在新鲜空气中预热20分钟后，再进入调校状态：
1、零点调节
乙烯零点调节：预热完成后，在空气中观察传感器数码管数字显示值是否为零。若有偏差时，通过控制面板或无线终端进行调节，使传感器显示会自动归零，完成零点调节。乙炔零点调节方法与乙烯零点调节方法一致。
2、灵敏度调节
乙烯灵敏度调节：向监测气室6通入浓度为100x10-6 H2C4左右的标准乙烯气体，流量控制在250mL/min左右，待传感器的数字显示稳定后，显示值应与标准乙烯气体的浓度值相同。若有偏差，通过控制面板或无线终端进行调节，使显示值与标准乙烯气体的浓度值相同，完成灵敏度调节。乙炔灵敏度调节方法与乙烯灵敏度调节方法一致。
3、报警点调节(即安全阈值设定)
通过控制面板或无线终端进行设置所需要的阈值数值，即可完成对传感器的乙烯、乙炔报警点设置。
4、自检功能
该功能用来检查传感器工作是否正常。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些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，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种矿用激光乙烯乙炔传感器，包括外壳，在外壳的上端设有提手；其特征在于：在外壳内设有乙烯激光监测器、乙炔激光监测器以及监测电路板；
所述乙烯激光监测器和乙炔激光监测器均包括激光发射器和激光接收器，在激光发射器和激光接收器之间设有监测气室；
在外壳的下端设有进气嘴和出气嘴，所述进气嘴与一抽气泵相连，该抽气泵的进气端与进气嘴相连，出气端同时与乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的监测气室的进气端相连，乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的监测气室的出气端同时与出气嘴相连；
所述监测电路板上集成有乙烯激光驱动电路、乙炔激光驱动电路、Amp放大电路以及ARM处理器，所述ARM处理器通过乙烯激光驱动电路和乙炔激光驱动电路分别对乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的激光发射器进行驱动；在外壳内还设有两调制解调器，乙烯激光监测器和乙炔激光监测器的激光接收器分别与一调制解调器相连，所述调制解调器用于将光信号转换为电信号，两调制解调器分别经一Amp放大电路后与ARM处理器相连；所述ARM处理器对接收到的信号进行解算，分别得到乙烯和乙炔的浓度；
在外壳上还设有显示器、警示灯、蜂鸣器以及航空插头，所述显示器、警示灯、蜂鸣器以及航空插头均与ARM处理器相连；所述ARM处理器处理得到的乙烯和乙炔的浓度后，能够通过显示器分别显示乙烯和乙炔的浓度值，并能够通过航空插头向外界传递信号，同时，能够通过该航空插头向各电气元件供电；当乙烯和/或乙炔浓度值大于设定的安全阈值时，ARM处理器能够通过警示灯和蜂鸣器进行声光报警。
2.根据权利要求1所述的矿用激光乙烯乙炔传感器，其特征在于：所述乙烯激光监测其的激光发射器所发出的激光的波长为1630nm；乙炔激光监测其的激光发射器所发出的激光的波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的矿用激光乙烯乙炔传感器，其特征在于：所述ARM处理器接收到调制解调器传递的信号后的解算过程如下：
I(λ)＝I0(λ)exp[-α(λ)CL]＝I0(λ)exp[-PS(T)φ(λ)CL]；
其中，I0(λ)为入射光强，I(λ)为透射光强，α(λ)为介质的吸收系数；L[cm]为光吸收气体的长度；S(T)[cm-2atm-1]为该气体特征谱线的线强度，它表示谱线的吸收强度，只与温度有关；P[atm]为气体介质的总压；C为气体的体积浓度；φ(λ)[cm]为线型函数；
对上式两边进行对数运算后在整个频域内进行积分，则有：
从而得到气体浓度：
4.根据权利要求1所述的矿用激光乙烯乙炔传感器，其特征在于：所述气室内设有若干反光镜，使激光发射器发出的激光在反光镜的作用下的路径呈S形。
5.根据权利要求1所述的矿用激光乙烯乙炔传感器，其特征在于：所述激光发生器内还具有加热模块，ARM处理器通过温控电路与该加热模块相连，并对加热模块进行发热控制。
6.根据权利要求1所述的矿用激光乙烯乙炔传感器，其特征在于：在壳体上还设有一控制面板，该控制面板与ARM控制器相连，通过该控制面板能够进行开关设置、安全阈值设置以及传感器调校。
7.根据权利要求1所述的矿用激光乙烯乙炔传感器，其特征在于：还包括一无线终端，在监测电路板上还设有无线通讯模块，该无线通讯模块与ARM相连，且该无线通讯模块能够与无线终端进行无线通讯；通过该无线通讯终端能够进行安全阈值设置以及传感器调校。
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