CN116223445A - 一种矿用井下多气体检测仪和检测系统 - Google Patents

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朱莉莎
曹秀文
刘仕豪
王铭森
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Abstract

本发明提供了应用于气体检测领域的一种矿用井下多气体检测仪和检测系统，通过柔性膜体结构的夹仓内壁设计，在实际使用的过程中，待检测气体在外力作用下依次通过采气通道、供气通道、进气孔进入夹仓内，一部分气体通过连通孔进入检测仓，并由排气孔流出至排气口，在此过程中，进入夹仓内气体流速小于进入检测仓的气体流速，根据伯努利原理，流速大的条件下，压强小，此时夹仓内壁因内外侧压强原因内缩，使检测仓内压强进一步减小，激光器及探测器在低压下进行气体检测，吸收线不会因为压力而加宽，进而有效提升了激光检测气体的精准度，提升了井下多气体检测的安全性。

Description

一种矿用井下多气体检测仪和检测系统
技术领域
本申请涉及气体检测领域，特别涉及一种矿用井下多气体检测仪和检测系统。
背景技术
目前对采空区内自然发火倾向的预测主要是通过传统长距离束管系统抽取样气到地面，对标志气体进行分析预警，由于传统长距离束管系统的抽气管路长，存在漏气的情况，束管内漏容易造成取样气体被稀释，分析出来的气体浓度偏低，束管外漏会造成一氧化碳、甲烷等有毒有害气体扩散到巷道内造成危险，且该手段欠缺实时性和直观性，长距离束管传输气样存在的漏气等现象使在色谱分析仪对气样的浓度测量存在较大偏差，而导致测量不准确。
随着我国煤炭事业的发展，高产、高效煤矿对生产过程监控、全矿井生产安全环境监测、生产过程信息综合利用等方面的网络化、自动化和智能化提出了更高的要求。
为更精准检测矿井气体及温度安全信息，本申请人提出一种矿用井下多气体检测仪和检测系统来解决以上问题。
发明内容
本申请目的在于设计一种高效、准确的矿井气体检测设备，相比现有技术提供一种矿用井下多气体检测仪，包括底座和安装在底座顶部的壳体，壳体内固定有检测仓，检测仓呈管状结构，检测仓的上下两端均固定有凹面反射镜，两个凹面反射镜的凹面相对设置，位于底部的凹面反射镜上安装有激光器，位于顶部的凹面反射镜上安装有探测器，壳体的顶部还安装有用于信号传输的信号光纤；
检测仓外壁设有夹仓，夹仓的底部设有进气孔，进气孔的一侧设有用于连通夹仓和检测仓的连通孔，检测仓的顶部设有排气孔，壳体的顶部设有与排气孔相对应的排气口，底座的两侧对称设有采气通道，底座内设有供气通道，供气通道连通采气通道与进气孔；底座上还安装有警示灯和蜂鸣器。
进一步的，激光器为可调谐半导体激光发生器，激光器采用单一窄带的激光频率扫描检测仓内气体，探测器用于检测经过凹面反射镜多路径反射后的气体吸收线。
进一步的，夹仓的内壁为柔性膜体结构，夹仓在增压条件下，其内壁膨胀的自大半径不大于凹面反射镜的直径。
进一步的，采气通道的输入端通过短距离束管方式分布在矿井工作面，警示灯、蜂鸣器、激光器及探测器均通过信号光纤连接控制单元，控制单元为激光主机，激光主机采用可调谐半导体激光吸收光谱技术进行井下气体检测。
进一步的，采气通道的进气端均安装有过滤盖，采气通道的中部均设有供气通道，供气通道内转动连接有风叶。
进一步的，风叶的叶片数量呈偶数设置，风叶的叶片端部均设有挥发仓，两个相旋转对称的叶片上的挥发仓均连通设置，挥发仓的外壁均设有吸热面，挥发仓内填充有挥发液，警示灯包括防爆封板和防爆灯珠，底座内还安装有导光纤维，导光纤维用于将防爆灯珠的光源导入风叶的吸热面一侧。
进一步的，吸热面黑色涂覆层，风叶为铜制结构，挥发液为液氨，挥发液为在挥发仓内的填充密度为0.59-0.6千克/每升。
进一步的，导光纤维为Y型结构，导光纤维的Y型分支分别延伸至旋转仓内并与风叶的底部相对设置，导光纤维的输入端与防爆灯珠相对设置。
一种矿用井下多气体检测系统，包括井下环网交换机，激光主机通过通讯光缆与井下环网交换机信号连接，井下环网交换机还连接有监控平台，监控平台设置在地面，监控平台包括服务器和客户端，井下环网交换机还通过通讯光缆连接有测温主机，测温主机连接有感温光纤，感温光纤分布在矿井工作面，感温光纤通过分布式光纤测温技术进行井下温度检测。
进一步的，服务器采用BS架构组建，客户端模块通过网页浏览器和第三方系统对服务器进行访问，客户端模块采取矩阵授权模式，根据不同的使用对象设立普通用户模块和管理用户模块，其中普通用户可通过客户端模块对检测信息进行读取，管理用户模块依据管理员的级别和管辖范围，进行井下预警信息发布。
相比于现有技术，本申请的优点在于：
（1）本发明通过柔性膜体结构的夹仓内壁设计，在实际使用的过程中，待检测气体在外力（如抽风机）作用下依次通过采气通道、供气通道、进气孔进入夹仓内，一部分气体通过连通孔进入检测仓，并由排气孔流出至排气口，在此过程中，进入夹仓内气体流速小于进入检测仓的气体流速，根据伯努利原理，流速大的条件下，压强小，此时夹仓内壁因内外侧压强原因内缩，使检测仓内压强进一步减小，激光器及探测器在低压下进行气体检测，吸收线不会因为压力而加宽，进而有效提升了激光检测气体的精准度。
（2）本发明在实际使用的过程中，可通过警示灯的正常频率的照射，使部分光源通过导光纤维导入风叶的底部，此时风叶的底部吸热面受光照快速吸热升温，使温度传递至挥发仓内，挥发仓内挥发液受热量挥发上移，使风叶的重心上移，打破风叶的平衡状态，进而发生旋转，以此循环，可将采气通道处的气体抽送至供气通道内，并通过受热的吸热面加热抽送的空气，供气通道内形成烟囱效应，进而气体的上移，配合风叶的输送，实现了低能耗的空气输送，使检测仓内空气的输送自循环，相比于传统的抽风机等负压机构，且节能环保，不易发生闪爆现象，安全性高，进一步提升了井下多气体检测的安全性。
（3）本发明提出的矿用井下多气体检测系统实现了井下气体及温度检测状态网络化、自动化和智能化，采用光纤分布式测温和短距离束管结合激光光谱监测气体系列产品，设计出针对采空区内温度信息及气体信息进行监测的综合在线监测系统，实现对采空区自然发火等参数实时监测预警和定位，检测系统采用先进的光纤测温技术（DTS）和激光多气体技术（TDLAS）（不带电的感温光缆和短距离束管），本检测系统和传统的温度传感器相比，采用光纤传输检测信息，耐腐蚀，不受电磁干扰，本检测系统和传统长距离束管监测系统相比，采用短距离束管进行检测，具有监测精度高，可靠性高，实时性好，操作简单等优点，感温光缆和束管沿走向敷设于工作面、采空区等具有火灾、气体浓度超限隐患的区域，检测系统所提供的实时、精度高的数据对煤矿采空区灾害监测和控制有着重大意义。
附图说明
图1为本申请的正面结构示意图；
图2为本申请的底面结构示意图；
图3为本申请的爆炸结构示意图；
图4为本申请的剖面结构示意图；
图5为本申请中提出的旋转仓的剖面结构示意图；
图6为本申请中提出的风叶、导光纤维及防爆灯珠的结构示意图；
图7为本申请中提出的风叶剖面结构示意图；
图8为本申请中提出的夹仓进气前后进气后的状态对比示意图；
图9为本申请中提出的矿用井下多气体检测系统的系统框图。
图中标号说明：
底座1、警示灯12、防爆封板121、防爆灯珠122、蜂鸣器13、采气通道14、过滤盖141、供气通道15、旋转仓16、壳体2、排气口21、信号光纤3、探测器31、检测仓4、夹仓41、进气孔411、连通孔412、排气孔413、凹面反射镜5、激光器6、导光纤维7、风叶8、吸热面81、挥发仓82。
具体实施方式
实施例将结合说明书附图，对本申请技术方案进行清楚、完整地描述，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种矿用井下多气体检测仪和检测系统，请参阅图1-8，包括底座1和安装在底座1顶部的壳体2，壳体2内固定有检测仓4，检测仓4呈管状结构，检测仓4的上下两端均固定有凹面反射镜5，两个凹面反射镜5的凹面相对设置，位于底部的凹面反射镜5上安装有激光器6，位于顶部的凹面反射镜5上安装有探测器31，壳体2的顶部还安装有用于信号传输的信号光纤3；检测仓4外壁设有夹仓41，夹仓41的底部设有进气孔411，进气孔411的一侧设有用于连通夹仓41和检测仓4的连通孔412，检测仓4的顶部设有排气孔413，壳体2的顶部设有与排气孔413相对应的排气口21，底座1的两侧对称设有采气通道14，底座1内设有供气通道15，供气通道15连通采气通道14与进气孔411；底座1上还安装有警示灯12和蜂鸣器13。
其中，采气通道14的输入端通过短距离束管方式分布在矿井工作面，警示灯12、蜂鸣器13、激光器6及探测器31均通过信号光纤3连接控制单元，控制单元为激光主机，激光主机采用可调谐半导体激光吸收光谱技术进行井下气体检测。
激光器6为可调谐半导体激光发生器，激光器6采用单一窄带的激光频率扫描检测仓4内气体，探测器31用于检测经过凹面反射镜5多路径反射后的气体吸收线。
需要说明的是，在本实施例中，夹仓41的内壁为柔性膜体结构，夹仓41在增压条件下，其内壁膨胀的自大半径不大于凹面反射镜5的直径。
本发明通过柔性膜体结构的夹仓41内壁设计，在实际使用的过程中，待检测气体在外力（如抽风机）作用下依次通过采气通道14、供气通道15、进气孔411进入夹仓41内，一部分气体通过连通孔412进入检测仓4，并由排气孔413流出至排气口21，在此过程中，进入夹仓41内气体流速小于进入检测仓4的气体流速，根据伯努利原理，流速大的条件下，压强小，此时夹仓41内壁因内外侧压强原因内缩，使检测仓4内压强进一步减小，激光器6及探测器31在低压下进行气体检测，吸收线不会因为压力而加宽，进而有效提升了激光检测气体的精准度。
实施例2：
本发明提供了一种矿用井下多气体检测仪和检测系统，请参阅图1-8，其中与实施例1中相同或相应的部件采用与实施例1相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例1的区别点：
采气通道14的进气端均安装有过滤盖141，采气通道14的中部均设有供气通道15，供气通道15内转动连接有风叶8。
其中，风叶8的叶片数量呈偶数设置，风叶8的叶片端部均设有挥发仓82，两个相旋转对称的叶片上的挥发仓82均连通设置，挥发仓82的外壁均设有吸热面81，挥发仓82内填充有挥发液，警示灯12包括防爆封板121和防爆灯珠122，底座1内还安装有导光纤维7，导光纤维7用于将防爆灯珠122的光源导入风叶8的吸热面81一侧。
进一步的，吸热面81黑色涂覆层，风叶8为铜制结构，挥发液为液氨，挥发液为在挥发仓82内的填充密度为0.59-0.6千克/每升，导光纤维7为Y型结构，导光纤维7的Y型分支分别延伸至旋转仓16内并与风叶8的底部相对设置，导光纤维7的输入端与防爆灯珠122相对设置。
本发明在实际使用的过程中，可通过警示灯12的正常频率的照射，使部分光源通过导光纤维7导入风叶8的底部，此时风叶8的底部吸热面81受光照快速吸热升温，使温度传递至挥发仓82内，挥发仓82内挥发液受热量挥发上移，使风叶8的重心上移，打破风叶8的平衡状态，进而发生旋转，以此循环，可将采气通道14处的气体抽送至供气通道15内，并通过受热的吸热面81加热抽送的空气，供气通道15内形成烟囱效应，进而气体的上移，配合风叶8的输送，实现了低能耗的空气输送，使检测仓4内空气的输送自循环，相比于传统的抽风机等负压机构，且节能环保，不易发生闪爆现象，安全性高，进一步提升了井下多气体检测的安全性。
实施例3：
本发明提供了一种矿用井下多气体检测系统，请参阅图1-9，其中与实施例1中相同或相应的部件采用与实施例1相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例1的区别点：
一种矿用井下多气体检测系统，包括井下环网交换机，激光主机通过通讯光缆与井下环网交换机信号连接，井下环网交换机还连接有监控平台，监控平台设置在地面，监控平台包括服务器和客户端，井下环网交换机还通过通讯光缆连接有测温主机，测温主机连接有感温光纤，感温光纤分布在矿井工作面，感温光纤通过分布式光纤测温技术进行井下温度检测。
需要说明的是，在本实施例中，服务器采用BS架构组建，客户端模块通过网页浏览器和第三方系统对服务器进行访问，客户端模块采取矩阵授权模式，根据不同的使用对象设立普通用户模块和管理用户模块，其中普通用户可通过客户端模块对检测信息进行读取，管理用户模块依据管理员的级别和管辖范围，进行井下预警信息发布。
本发明提出的矿用井下多气体检测系统实现了井下气体及温度检测状态网络化、自动化和智能化，采用光纤分布式测温和短距离束管结合激光光谱监测气体系列产品，设计出针对采空区内温度信息及气体信息进行监测的综合在线监测系统，实现对采空区自然发火等参数实时监测预警和定位，检测系统采用先进的光纤测温技术（DTS）和激光多气体技术（TDLAS）（不带电的感温光缆和短距离束管），本检测系统和传统的温度传感器相比，采用光纤传输检测信息，耐腐蚀，不受电磁干扰，本检测系统和传统长距离束管监测系统相比，采用短距离束管进行检测，具有监测精度高，可靠性高，实时性好，操作简单等优点，感温光缆和束管沿走向敷设于工作面、采空区等具有火灾、气体浓度超限隐患的区域，检测系统所提供的实时、精度高的数据对煤矿采空区灾害监测和控制有着重大意义。
以上所述，仅为本申请结合当前实际需求采用的最佳实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此。

Claims (10)

1.一种矿用井下多气体检测仪，包括底座（1）和安装在底座（1）顶部的壳体（2），其特征在于，所述壳体（2）内固定有检测仓（4），所述检测仓（4）呈管状结构，所述检测仓（4）的上下两端均固定有凹面反射镜（5），两个所述凹面反射镜（5）的凹面相对设置，位于底部的凹面反射镜（5）上安装有激光器（6），位于顶部的凹面反射镜（5）上安装有探测器（31），所述壳体（2）的顶部还安装有用于信号传输的信号光纤（3）；
所述检测仓（4）外壁设有夹仓（41），所述夹仓（41）的底部设有进气孔（411），所述进气孔（411）的一侧设有用于连通夹仓（41）和检测仓（4）的连通孔（412），所述检测仓（4）的顶部设有排气孔（413），所述壳体（2）的顶部设有与排气孔（413）相对应的排气口（21），所述底座（1）的两侧对称设有采气通道（14），所述底座（1）内设有供气通道（15），所述供气通道（15）连通采气通道（14）与进气孔（411）；
所述底座（1）上还安装有警示灯（12）和蜂鸣器（13）。
2.根据权利要求1所述的一种矿用井下多气体检测仪，其特征在于，所述激光器（6）为可调谐半导体激光发生器，所述激光器（6）采用单一窄带的激光频率扫描检测仓（4）内气体，所述探测器（31）用于检测经过凹面反射镜（5）多路径反射后的气体吸收线。
3.根据权利要求1所述的一种矿用井下多气体检测仪，其特征在于，所述夹仓（41）的内壁为柔性膜体结构，所述夹仓（41）在增压条件下，其内壁膨胀的自大半径不大于凹面反射镜（5）的直径。
4.根据权利要求1所述的一种矿用井下多气体检测仪，其特征在于，所述采气通道（14）的输入端通过短距离束管方式分布在矿井工作面，所述警示灯（12）、蜂鸣器（13）、激光器（6）及探测器（31）均通过信号光纤（3）连接控制单元，所述控制单元为激光主机，所述激光主机采用可调谐半导体激光吸收光谱技术进行井下气体检测。
5.根据权利要求1所述的一种矿用井下多气体检测仪，其特征在于，所述采气通道（14）的进气端均安装有过滤盖（141），所述采气通道（14）的中部均设有供气通道（15），所述供气通道（15）内转动连接有风叶（8）。
6.根据权利要求5所述的一种矿用井下多气体检测仪，其特征在于，所述风叶（8）的叶片数量呈偶数设置，所述风叶（8）的叶片端部均设有挥发仓（82），两个相旋转对称的叶片上的挥发仓（82）均连通设置，所述挥发仓（82）的外壁均设有吸热面（81），所述挥发仓（82）内填充有挥发液，所述警示灯（12）包括防爆封板（121）和防爆灯珠（122），所述底座（1）内还安装有导光纤维（7），所述导光纤维（7）用于将防爆灯珠（122）的光源导入风叶（8）的吸热面（81）一侧。
7.根据权利要求6所述的一种矿用井下多气体检测仪，其特征在于，所述吸热面（81）黑色涂覆层，所述风叶（8）为铜制结构，所述挥发液为液氨，所述挥发液为在挥发仓（82）内的填充密度为0.59-0.6千克/每升。
8.根据权利要求6所述的一种矿用井下多气体检测仪，其特征在于，所述导光纤维（7）为Y型结构，所述导光纤维（7）的Y型分支分别延伸至旋转仓（16）内并与风叶（8）的底部相对设置，所述导光纤维（7）的输入端与防爆灯珠（122）相对设置。
9.一种矿用井下多气体检测系统，包括权利要求4所述的一种矿用井下多气体检测仪，其特征在于，还包括井下环网交换机，所述激光主机通过通讯光缆与井下环网交换机信号连接，所述井下环网交换机还连接有监控平台，所述监控平台设置在地面，所述监控平台包括服务器和客户端，所述井下环网交换机还通过通讯光缆连接有测温主机，所述测温主机连接有感温光纤，所述感温光纤分布在矿井工作面，所述感温光纤通过分布式光纤测温技术进行井下温度检测。
10.根据权利要求9所述的一种矿用井下多气体检测系统，其特征在于，所述服务器采用BS架构组建，客户端模块通过网页浏览器和第三方系统对服务器进行访问，客户端模块采取矩阵授权模式，根据不同的使用对象设立普通用户模块和管理用户模块，其中普通用户可通过客户端模块对检测信息进行读取，管理用户模块依据管理员的级别和管辖范围，进行井下预警信息发布。
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