CN1932479A - 气体测量设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于气体分析的气体测量设备，特别是在有瓦斯爆炸危险的煤矿矿井中，具有在红外线波长范围内工作的吸收测量装置和相应的测量容器，该测量容器通过过滤器与待监控的气体混合物、尤其是空气混合物相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于气体分析的气体测量设备，特别是在有瓦斯爆炸危险的煤矿矿场中用于气体分析的气体测量设备，具有在红外波长范围内工作的吸收测量装置和相应的测量容器(Messkuevette)，该测量容器通过过滤器与待监控的气体混合物、尤其是空气-气体混合物相连通(kommunizieren)。
背景技术
上述用于气体分析的气体测量设备如上所述主要用于煤矿矿场，但不仅仅用于煤矿矿场。
吸收测量装置工作在红外波长范围内，即覆盖波长从大约760nm到大约1mm的电磁波范围。换句话说，吸收测量装置的灵敏度紧接着可见光的长波端并一直延伸到短波。这出于这样的认识，即利用这样的气体测量设备分析的气体主要在上述波长范围内吸收。
上面提到的气体测量设备主要用于物理气体分析，尤其是在有瓦斯爆炸危险的煤矿矿场中。当然，其不仅可以检查出现在煤矿矿场中的矿井大气，或者空气混合物或空气-气体混合物，原则上还可以检查各种气体混合物或空气-气体混合物。其中，借助吸收测量装置主要检测甲烷或二氧化碳含量。在这种情况下，吸收测量装置的气体传感器与测量容器一起用于所述浓度测量。此外，通常，用于待检查气体的红外线探测器和设置在前面的红外线发射器也属于吸收测量装置，由此红外线探测器可以检测气体浓度或一般的吸收测量值。
测量容器的内室通过过滤器与要检查的气体混合物或空气-气体混合物、即要监控的矿井大气相连。此外，可以在后面连接发送器，即用于信号处理和/或传输的电气元件，以便处理或传输由红外线探测器所检测的浓度测量值。
这种气体测量设备的基本任务是连续检测通常在不利(rau)环境条件下气体混合物中一种或多种气体成分的浓度，并提供校正后的和线性化的电输出信号用于进一步分析或用于进一步的预编程行为。特别地，煤矿矿场中井下气流在开采煤炭时被溢出的瓦斯(甲烷)加载。甲烷在体积百分比5-15％的浓度范围内是可点燃的，由此可能由于火花或热物体引起瓦斯爆炸。因此，监管局规定借助固定的气体测量设备连续监控井下气体的甲烷含量，并且这对井下工作人员的安全非常重要。根据现行规定，在甲烷浓度1％体积百分比时就已经必须从所涉及的区域内撤离。
因此，气体测量设备有特别重要的意义，因此Dr.Luft在Bergbau-Forschung in Essen开发的NDIR气体分析仪，型号UNOR 1作为一流有效和连续工作的测量设备曾由管理当局给予表彰。但由于其对碰撞的灵敏性，该红外线气体分析仪几年后就被Auer GmbH公司的浓度测量设备代替，这种浓度测量设备分别配备有用于可燃气体的热效应探测器。热效应测量设备的缺点是传感器对矿井气体中硫元素、卤素或硅元素毒化缺乏抵抗力。这样的传感器在甲烷浓度的体积百分比超过5％时被损坏，从而极大降低其灵敏度。因此，无缺陷地检测和甲烷浓度测量很成问题。
这些问题通过Woelke GmbH公司的新型甲烷测量系统和甲烷监控系统GAMEX II而被减少。该GAMEX II系统分别采用3个热效应探测器工作，其中两个处于冷冗余(Kalter Redundanz)中。运行的探测器每天自动用无气体(Nullgas)和检验气体测试，其中该探测器的测量信号大小被重新调整。如果其灵敏度降低到其初始值的50％，则系统自动切换到一个冗余的探测器。如果所有热效应探测器都损坏，则系统自动通知矿场调度室。虽然利用额外冗余的热效应探测器的甲烷监控明显比简单甲烷测量设备更为可靠，但原理上还存在测量敏感元件的毒化危险，从而可能非常快地出现测量错误，或者必须非常快地更换热效应探测器。
在根据DE 33 34 264 A1的气体测量设备中，在波长大约为1.6μm和1.3μm的波长带(Wellenlaengenbaendern)中的红外光通过光纤传送到包含待检查气体混合物的测量单元。穿过测量单元的光对应于待检查气体混合物的甲烷含量而被吸收。因为甲烷在大约1.331μm和大约1.666μm的红外光中具有两个特别有代表性的吸收最大值。从测量单元中射出的光被另一光纤接收，并与具有不同参考波长的光束就强度关系进行比较。由强度关系可以计算出测量单元中的甲烷浓度。
已知的气体测量设备原则上是可靠的，但就设备技术而言构造起来很费事，因此比较昂贵。在此本发明将一并给出补救措施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是进一步开发开头所述实施方式的气体测量设备，从而在结构简单的情况下提高其测量精度。此外，瓦斯(Grubengas)的起不利作用的成分不影响测量精度。
为了解决该技术问题，在本发明的范围内，在按照规定的气体测量设备中，为测量容器配备有代替反射镜系统的内壁。此外，当测量容器具有被烧结金属过滤器覆盖的开口时是可靠的。
总的来说，通常设置在吸收测量装置的红外线发射器和红外线探测器之间并延伸的测量容器其功能好像是气体测量单元(Gasmesszelle)和光导体的组合。因为通过被烧结金属过滤器覆盖的开口，测量容器完全或部分地承担所必需的、与待检查气体混合物相连的测量单元的功能。此外，测量容器通过其内壁上非常小的粗糙深度(Rautiefe)将红外线发射器所发出的红外光束聚焦和偏转，从而额外的反射镜系统是多余的。这大大简化了结构，并降低了成本。在这种情况下，绝大多数这样选择设计，使得内壁具有至少70％的反射系数，优选超过80％，并且特别有利的是超过90％的反射系数，并且参照所涉及的红外光束。这大多通过(金属或由钢制造的)内壁的大大低于0.1μm范围内的粗糙深度值来保证。通常，粗糙深度值甚至被设置为小于0.05μm。
因此，这样装备的气体测量设备具有吸收测量装置的传感器或气体传感器，其中传感器不需要目前所必需的反射镜系统，而是将反射镜系统的功能分配给测量容器的内壁。通过该方式，可以在实现测量容器时用一种材料工作，使得尽可能抵御例如由于空气-气体混合物或矿井气体中硫元素、卤素或硅元素导致的毒化，至少具有相对于该污染或影响的高使用寿命。此外，在这种结构类型中，气体测量设备总的来说比较小且机械结构稳定。
“有毒的”的矿井气体或相应的空气混合物可以直接且没有中间过程地输入测量装置，其中测量装置按照本发明仅通过微孔的烧结金属过滤器与周围空气分隔。由此，可以通过微孔的烧结金属过滤器进行快速气体扩散，这可以防止进一步污染。总之，提供了一种用于有瓦斯爆炸危险的煤矿矿场的气体测量设备，该设备具有高使用寿命，并相对于特定于矿场的特殊性被最佳装备。此外，测量设备当然还可以用于地上和地下所有类似的工作领域。
根据本发明的一个合适的扩展方案，为测量容器配置有环形的塑料镶嵌体(Kunststoffeinbettung)，测量容器被集成在该塑料镶嵌体中。由此，提供了一种机械结构高度稳定的组件，其可以集成在气体测量设备中，即使得相应的微孔烧结金属过滤器以及测量容器实际上形成一个具有塑料镶嵌体的元件，该元件可以安装和设置在气体测量设备的合适位置上。
现在可以指出，已实现了一种特别经济并提供测量设备的长使用寿命的实施方式，其中测量容器的整个内壁具有极小的粗糙深度。因此不是以测量容器中的部分区域、即不是以集成的反射镜系统工作，而是整体这样形成测量容器的内壁，使得因此可以进行连贯的射线聚焦和偏转。即使在内壁的长度上出现较小的污染或干扰这也无关紧要，因为不会因此破坏射线聚焦和偏转的“长”系统。由此对瓦斯或矿井气体中瓦斯含量给出了最佳精确的、并因此在较长的使用寿命期间的重要的识别可能性。内壁的相应处理可以很好地实现，因为测量容器整个由相同材料(钢)构成，并因此能被准确地处理。
在测量容器方向上的快速和准确的气体扩散主要通过测量容器在其整个长度上是打开的、并为此为测量容器配备纵向槽来保证。纵向槽全程具有约为比色器直径1/3到2/3的宽度。这个关于长度和宽度相应确定大小的纵向槽保证了在实际测量容器的方向上快速和可靠的气体扩散。
为了使测量容器具有足够的长度并防止损坏，在本发明中，测量容器由相应开口的筒夹(Fassung)固定，其中筒夹支撑在塑料镶嵌体内的穿孔中。实际的测量容器因此位于由合适的材料制成并用于使测量容器在其整个长度上相应地支撑的相应筒夹内，其中筒夹本身支撑在塑料镶嵌体中。
这种气体测量设备在周围的甲烷-空气混合物存在可直接点燃的危险时也可以继续运行，因为通过与直接设置在测量容器之前的红外线发射器相连的特殊电子电路，红外线发射器被构造具有更小的电流消耗、并因此达到防爆级(Zuendschutzklasse)EEx1 ia 1。正如上面所述，这是特别重要的，因为在浓度含量5-15％的甲烷-空气混合物中，在很小的热源或火花的情况下就已经可能引起大规模的爆炸。这通过红外线发射器和相应电子电路的特殊结构被完全排除。
在已知的气体测量设备中，通常通过旋转的光阑轮(Blendenrad)产生交变光生成。在本发明中，通过将红外线发射器构造成用周期性的电压脉冲、例如在2Hz时钟内产生一个交变光而不需要光阑轮。因此，有目的地通过这样的周期性电压脉冲对红外线发射器馈电，从而可以产生相应定时的和可靠的交变光，而且必要时还具有其它频率。
由此，可以特别噪声很少和具有高信噪比地表示测量，因为周期性的电压脉冲或由此产生的定时的(getaktet)交变光就好像用例如机械的断续装置(Zerhacker)或斩光器(Chopper)为一直工作的红外光源提供时钟一样。这个定时的红外光或交变光由可被构造为热电红外线探测器的红外线探测器接收。红外线探测器在光线方向上直接设置在测量容器之后，或设置在测量容器的一端，而红外线发射器或代替其设置的发光二极管或热发射器位于测量容器的另一端。
由于相位灵敏的放大器或锁定放大器，由红外线探测器所接收的输出电压可以与红外线发射器的光信号的脉冲重复频率(Folgefrequenz)同步地被选择性采集和放大。调制信号被低频(例如以给定的2Hz时钟)、周期地接通或断开，并且可以在与红外线探测器连接的锁定放大器中用于补偿暗电流。此外，由此还极大地提高信噪比，因为所涉及的测量值仅被定时产生和分析。
热电红外线探测器利用公知的热电现象，根据该现象，在特定材料中在热效应时产生电荷。这种材料例如可以但并不仅限于配备有电极的聚合物材料(Polymermaterial)(参见DE 29 21 298 C2)。作为红外线发射器，本发明大多采用常见的热发射器，例如在开始已经引入的DE 33 34 264 A1中所描述的汽灯(Gasstrumpf)、碳化硅棒灯(Globar-Lampe)、能斯脱灯、钨丝灯或氙灯。
尤其特别优选地，分别在两个红外线探测器之后设置相应的光学窗口。这种光学窗口大多是分别不同实施的通常被构造为干涉滤光片(Interferenz-Filter)的带通滤波器。干扰滤波器可以用一个或多个薄膜层实现，以限定期望的和允许通过的频带中心波长。
其中，这样进行设置，使得所述一个光学窗口或一个带通滤波器在本实施例中被设置为甲烷的一个或多个特征吸收波长，而另一带通滤波器被设置为不与甲烷的特征吸收波长对应并且也不与水H2O或二氧化碳CO2(参考通道)的特征吸收波长对应的频带中心波长。通过这种方式，可以尽可能少地采用探测器，并因此有助于减小整个设备的结构尺寸。通过这种方式方法，可以最佳地实现频谱吸收方法，其中在该实施例中由测量通道与参考通道的信号比确定甲烷含量。
吸收甲烷越多，测量通道的电信号越强。同时，测量通道/参考通道的比值相应增大，从而由此可以推断出在该示例情况中的甲烷的浓度。
另一有利实施方式是，红外线探测器被封装在TO-5外壳中，并被构造为可密封插到穿孔上或甚至与外壳附件一起可插入到塑料镶嵌体的穿孔中。即，红外线探测器实际上是一个组件，该组件因此也可以合适地集成到整个设备中，其中该组件还由于封装而额外地抵抗损坏。TO-5外壳直接位于测量容器之后或位于其一端。
两个探测器的信号电压通过交流电压放大器放大，然后被同相地整流。随后，适当地处理所获得的信号电压，并将其馈送到读写存储器，其中传感器或红外线探测器后面设置有数字处理整流后的信号电压的发射器。从而，可以连续显示当前的浓度值，并传递其模拟值以便远程传输给矿场安全维护。由此保证正确地遵守矿场安全规定。
本发明的特征尤其在于，提供一种能最佳满足地下条件和其它使用条件的气体测量设备，因为该设备很小、机械结构高度稳定，并且具有在相应的瓦斯聚集或甲烷浓度下也能始终可靠工作并准确确定和传递值的内在品质。其中，测量容器和相应组件的特殊结构保证长的使用寿命，即使可能担心矿井气体中硫元素、卤素或硅元素以及其它对传感器的损害。测量容器和相应组件的特殊构造方式和实施方式及早防止了损害，并因此防止了维护或更换组件的必要性。具有粗糙深度极小的特殊构造的内壁的测量容器实现了稳定和始终准确的测量值，从而这样的气体测量设备尤其地下的煤矿中确保了更高的安全性。
由于不起眼和“爆炸安全性”，这样的气体测量设备还可以被设置在只有或只能有少量专家工作的地方，因为整个测量设备可靠地用于抵抗损坏、并且首先是抵抗气体影响。所确定的值被提供给矿场维护或其它控制台，它们本身根本不必位于矿井或运行中，而是位于地上任意一个将多个煤矿矿场或运行的信息汇集并进行相应分析的中心位置。
附图说明
本发明的其它细节和优点通过下面对相应附图的描述给出，附图中以对此必需的细节和部件示出优选实施例。其中：
图1示意性示出气体测量设备的中心部件的拆卸图，
图2示出测量容器的截面，
图3示出涉及气体测量设备的中心部件的结构图。
具体实施方式
图1示出气体测量设备1，在该实施例中是用于对煤矿矿场或类似作业区域中气体混合物或空气混合物进行气体分析的红外线过滤光度计(Infrarot-Filterphotometer)。所涉及的气体测量设备1具有吸收测量装置2、2’、3、4，其配备有红外线探测器2、2’、相应的红外线发射器3和具有设置在前的测量容器5的气体传感器4。测量容器5的内室6被金属过滤器7覆盖，其中内室实现了与受监控的大气或空气混合器的直接接触(Ankopplung)。在此，保证了快速的气体扩散。
具有按照图3的结构连接图构造的气体测量设备1连接在未详细示出的发射器8之后。该发射器8数字处理红外线探测器2、2’的整流后的信号电压，并确保能连续地显示当前浓度值并将其传递给矿场安全中心。
测量容器5的(例如由钢制成的)内壁10的特征在于极小的粗糙深度。由于测量容器5的内壁10的极小的粗糙深度，在气体测量设备1的所示结构中，可以不需要附加的用于对红外线发射器3所发射的光束进行光束聚焦和偏转的反射镜系统。测量容器5在上部具有开口11，其中开口根据图2大致具有相对于测量容器5的1/3-2/3直径的宽度。开口11被实施为纵向槽20，其优选在测量容器5的整个长度上延伸。
开口区域、即开口11被微孔的烧结金属过滤器12覆盖，也就是相应构造的金属过滤器7，以便在测量容器5的内室6中能够实现快速的气体扩散。
测量容器5的体被放置在塑料镶嵌体14中，更确切地说放置在相应开口的筒夹(Fassung)15上，其中筒夹包裹和包围测量容器5的整个体，如图2所示。筒夹15插入塑料镶嵌体14的穿孔16、17中，从而产生在塑料镶嵌体14中支撑筒夹15、并因此支撑测量容器5的支撑部件18。
在圆形或环形塑料镶嵌体14之后的光束方向22中，设置由两个探测器2、2’共同组成的红外线探测器2、2’，其中红外线探测器具有TO-5外壳24，其中封装这两个探测器2、2’。通过外壳附件25和环形部件23，可以将该组件或外壳24就这样完全设置在环形塑料镶嵌体14或测量容器5附近，或者甚至通过相应构造的外壳附件25插入穿孔17中。红外线发射器3也具有相同的结构，其中红外线发射器具有垫圈21和类似的外壳附件26，并且被设置到穿孔16中。
对图2已经说明过。这里示出测量容器5和筒夹15的截面，其中很明显，开口11具有相应大小的宽度。内壁10由于很小的粗糙深度实际上是“光洁镜面”。
图3示出具有传感器板(Sensorplatine)27和传感机构(Sensorik)31的框图。这两个组件这样插接在一起，使得它们实际上形成一个元件。通过插接装置38可以实现与在此未详细示出的发射器8的容易和可靠的连接。
气体传感器4在结构中由实际的传感机构31和相应的分成两部分的(zweigeteilt)传感器板27构成。其由发射器8用电压U8、U4和U-4供电。
直流转换器29由发射器8提供2Hz的时钟。由此，直流转换器从供电电压U8中产生5.0到7.5V范围内的调节电压脉冲，其中该电压脉冲被传导到红外线发射器3。3个齐纳二极管30防止电压在任何故障存在时的不容许的升高。
通过红外线探测器2、32光度测定地实现气体探测，其中在红外线探测器前连接着与相应气体类型协调一致的干扰过滤器。交流电压放大器34放大用2Hz调制的探测信号，其中该检测信号在到达发射器8之前(测量通道)由全波整流器35整流和平滑。
由相同的红外线发射器3、同样设置有干扰过滤器(具有其它频带中心波长)的红外线探测器2、33、交流电压放大器36和全波整流器37形成的第二红外测量路径用于测量浓度或用于以参考通道的形式与先前描述的第一红外测量路径的测量值比较。此外，第二红外测量路径在发射器强度改变时可以进行漂移补偿。补偿信号同样被传导到发射器8。
气体传感器4的所有特定于触点(fuehlerspezifisch)的信息被存储在受保护的读写存储器39中。
上述所有特征，包括仅从附图中提取的特征被单独和组合地视为本发明固有的。
Claims (12)
1.一种用于气体分析的气体测量设备(1)，特别是在有瓦斯爆炸危险的煤矿矿场中，具有在红外线波长范围内工作的吸收测量装置(2，2’，3，4)和相应的测量容器(5)，所述测量容器通过过滤器(7，12)与待监测的气体混合物、尤其是空气混合物相连，其特征在于，为所述测量容器(5)配备有代替反射镜系统的内壁(10)。
2.根据权利要求1所述的气体测量设备(1)，其特征在于，所述测量容器(5)具有被烧结金属过滤器(12)覆盖的开口(11)。
3.根据权利要求1或2所述的气体测量设备(1)，其特征在于，为所述测量容器(5)分配环形的塑料镶嵌体(14)，并且所述测量容器被集成在所述塑料镶嵌体中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，所述测量容器(5)在其整个长度上是打开的，并且为此配备有纵向槽(20)，所述纵向槽被连贯地构成、并且宽度约为所述比色器直径的1/3到2/3。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，所述测量容器(5)由相应开口的筒夹(15)固定，其中所述筒夹支撑在所述塑料镶嵌体(14)内的穿孔(16，17)中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，直接设置在所述测量容器(5)前面的红外线发射器(3)被构造为很小的电流消耗，并因此达到防爆级EEx1 ia 1。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，所述红外线发射器(3)被构造成通过周期性的电压脉冲例如在2Hz时钟内产生一个交变光。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，红外线探测器(2)被构造为热电红外线探测器，并在射线方向(22)上直接设置在所述测量容器(5)之后。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，两个红外线探测器(2，2’)分别具有光学窗口。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，所述红外线探测器(2，2’)被封装在TO-5外壳(24)中，并且被构造为可推进地插到塑料镶嵌体(14)的穿孔(17)上直至密封。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，所述红外线探测器(2，2’)具有放大并且同相地整流其信号电压的交流电压放大器(34)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的气体测量设备(1)，其特征在于，所述红外线探测器(2，2’)后面设置有数字处理整流后的信号电压的发射器(8)。
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