CN202522514U - 一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统 - Google Patents

一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统 Download PDF

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CN202522514U CN2012202001698U CN201220200169U CN202522514U CN 202522514 U CN202522514 U CN 202522514U CN 2012202001698 U CN2012202001698 U CN 2012202001698U CN 201220200169 U CN201220200169 U CN 201220200169U CN 202522514 U CN202522514 U CN 202522514U
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潘开方
卢建波
陈镜汉
李本容
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Chongqing feierda ventilation equipment Limited by Share Ltd
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Abstract

本实用新型涉及煤矿瓦斯监测技术领域，提供了一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统。包括顺序连接的红外瓦斯传感器、信号调理单元、数据处理及传输单元、地面远程监测单元，其特征在于：所述信号调理单元包括前置放大电路、滤波电路、相连接的第一双相锁相放大器和第一A/D转换器、相连接的第二双相锁相放大器和第二A/D转换器，所述前置放大电路连接滤波电路，滤波电路与第一双相锁相放大器和第二双相锁相放大器连接，第一A/D转换器和第二A/D转换器均与数据处理单元连接。本实用新型用于煤矿井下瓦斯浓度的检测。

Description

一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统
技术领域
本实用新型涉及煤矿瓦斯监测技术领域，提供了一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统。
背景技术
长期以来，国内煤矿安全监控系统普遍采用热催化元件检测瓦斯浓度，利用铂丝遇到瓦斯气体燃烧改变检测桥路的平衡状态原理来测量，它具有仪器体积小、重量轻、线性度较好、受温湿度影响小、价格低廉的优点。但是它存在催化元件易产生硫化氢中毒而使其灵敏度降低、寿命缩短、稳定性变差的弱点，在高浓度范围因有二异性，仅适合于低浓度瓦斯环境，高浓度时会给出致命的错误信息，严重威胁检测人员的生命安全，使用一段时间后，其灵敏度降低、寿命缩短、稳定性变差，需一周最多十天调校一次，且传感元件寿命仅为半年到一年，需要定期更换。对高浓度瓦斯检测大都采用热导原理，但热导元件选择性差，线性度不好，影响测量精度。利用He-Ne激光器在甲烷3.31um特征吸收波长进行气体检测，气体选择性和检测灵敏度都有很大的提高，但由于需要高压电源，且光路复杂、价格昂贵，只是停留在实验室阶段，无法达到实际应用。
发明内容
    本实用新型的目的在于提供一种具有测量范围大、灵敏度高、响应速度快、选择性好、使用寿命长、功耗低、便于操作和维护的一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统。
本实用新型为实现上述目的采用以下技术方案：
一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统，包括顺序连接的红外瓦斯传感器、信号调理单元、数据处理及传输单元、地面远程监测单元，其特征在于：所述信号调理单元包括前置放大电路、滤波电路、相连接的第一双相锁相放大器和第一A/D转换器、相连接的第二双相锁相放大器和第二A/D转换器，所述前置放大电路连接滤波电路，滤波电路与第一双相锁相放大器和第二双相锁相放大器连接，第一A/D转换器和第二A/D转换器均与数据处理单元连接。
   进一步的说，所述瓦斯传感器单元正弦信号频率为2.5KHz。
   进一步的说，所述第一双向锁相放大器的输入的第一余弦信号和第一正弦信号的频率相同，所述第二双向锁相放大器的第二余弦信号和第二正弦信号的频率为相同且为第一余弦信号频率的2倍。
本实用新型具有以下有益效果：
   本实用新型利用红外气体检测技术进行煤矿瓦斯检测可以有效地弥补热催化元件在瓦斯检测系统中的缺陷，它能测量多种气体，具有测量范围大、灵敏度高、响应速度快、选择性好、使用寿命长、功耗低、便于操作和维护。
附图说明
图1为本实用新型整体系统方框图；
图2为本实用新型第一双相锁相放大器工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步解释：
一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统，包括顺序连接的红外瓦斯传感器、信号调理单元、数据处理及传输单元、地面远程监测单元，其特征在于：所述信号调理单元包括前置放大电路、滤波电路、相连接的第一双相锁相放大器和第一A/D转换器、相连接的第二双相锁相放大器和第二A/D转换器，所述前置放大电路连接滤波电路，滤波电路与第一双相锁相放大器和第二双相锁相放大器连接，第一A/D转换器和第二A/D转换器均与数据处理单元连接。
工作过程：
    调节激光器的温度和直流驱动信号，把激光波长锁定在甲烷气体的吸收峰处。激光经过光隔离器后，到达气体吸收室，被甲烷气体吸收后，最终到达光电探测器；然后信号进入锁相放大器SR830。由于SR830是单通道双相锁相放大器，为了测量一次和二次谐波的幅值，则进行了分时测量，即在这一个时刻检测二次谐波幅值，下一个时刻则检测一次谐波幅值。
    具体的说，将频率为2．5KHz的正弦信号，经过适当放大后叠加到激光器的直流驱动信号上。调制后的激光经过待测气体，到达光电二极管，实现光电转换，此时的电信号中包含了调制信号的一次谐波以及和气体浓度成正比的二次谐波信号。该电信号分成两路，一路进入中心频率为5KHz的带通滤波器，用来检测二次谐波；另一路进入中心频率为2．5KHz的带通滤波器，用来检测一次谐波。中心频率为2．5KHz的带通滤波器，输出一次谐波信号，中心频率为5KHz的带通滤波器输出二次谐波信号；
   如图2所述，一次谐波信号                                                
Figure 2012202001698100002DEST_PATH_IMAGE001
（为噪声）从第一双相锁相放大器的第一待测信号输入端输入，第一双相锁相放大器第一参考信号输入端输入频率为2.5Hz的第一正弦信号， 一次谐波信号
Figure 296608DEST_PATH_IMAGE004
与第一正弦信号
Figure 14028DEST_PATH_IMAGE003
到达乘法器进行乘法运算得：
Figure 2012202001698100002DEST_PATH_IMAGE005
第一项为直流成分，大小与两信号幅值及相位差的余弦成正比；第二项为待测信号的二倍频信号。和待测信号同时进入乘法器的噪声也要和参考信号相乘，结果几乎都是交流信号。低通滤波器的通带可以做得很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果都被滤掉，仅剩下直流信号，即：
Figure 2012202001698100002DEST_PATH_IMAGE007
。
       一次谐波信号
Figure 161292DEST_PATH_IMAGE001
（
Figure 921438DEST_PATH_IMAGE002
为噪声）从第一双相锁相放大器的第二待测信号输入端输入，第一双相锁相放大器第二参考信号输入端输入频率为2.5Hz的第一余弦信号
Figure 188471DEST_PATH_IMAGE008
， 一次谐波信号
Figure 387372DEST_PATH_IMAGE004
与第一余弦信号
Figure 56250DEST_PATH_IMAGE008
到达乘法器进行乘法运算得：
Figure 2012202001698100002DEST_PATH_IMAGE009
第一项为直流成分，大小与两信号幅值及相位差的正弦成正比；第二项为待测信号的二倍频信号。和待测信号同时进入乘法器的噪声也要和参考信号相乘，结果几乎都是交流信号。低通滤波器的通带可以做得很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果都被滤掉，仅剩下直流信号，即：
Figure 243091DEST_PATH_IMAGE010
。
将与
Figure 503488DEST_PATH_IMAGE007
进行如下运算得到一次谐波输出：
Figure 2012202001698100002DEST_PATH_IMAGE011
   同理对二次谐波信号进行处理得到二次谐波输出，然后将二次谐波输出与一次谐波输出经过除法器相除，经过数据处理单元处理得到瓦斯浓度信息。

Claims (3)

1.一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统，包括顺序连接的红外瓦斯传感器、信号调理单元、数据处理及传输单元、地面远程监测单元，其特征在于：所述信号调理单元包括前置放大电路、滤波电路、相连接的第一双相锁相放大器和第一A/D转换器、相连接的第二双相锁相放大器和第二A/D转换器，所述前置放大电路连接滤波电路，滤波电路与第一双相锁相放大器和第二双相锁相放大器连接，第一A/D转换器和第二A/D转换器均与数据处理单元连接。
2.  根据权利要求1所述的一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统，其特征在于：所述瓦斯传感器单元正弦信号频率为2.5KHz。
3.  根据权利要求1或2所述的一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯监测系统，其特征在于：所述第一双向锁相放大器的输入的第一余弦信号和第一正弦信号的频率相同，所述第二双向锁相放大器的第二余弦信号和第二正弦信号的频率为相同且为第一余弦信号频率的2倍。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103743706A (zh) * 2013-12-06 2014-04-23 武汉理工大学 全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置

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Patentee before: Chongqing Find Machinery Co., Ltd.

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Address after: 402566, 30 Longshan Road, Pu Lu Town, Tongliang County, Chongqing

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