CN204556496U - 煤矿用非色散红外甲烷传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的煤矿用非色散红外甲烷传感器包括：电源模块、主控模块、智能红外甲烷探头、压力补偿模块、数据存储模块、显示模块、声光报警模块、信号输出与切换模块、调校模块，所述的电源模块与各部分均连接以供电，主控模块连接并采集智能红外甲烷探头输出的浓度信号和压力补偿模块输出的压强信号，经处理得到压力补偿后的浓度值，传输至显示模块进行实时显示，并通过信号输出与切换模块输出相应制式的信号。本实用新型的有益效果是：智能红外甲烷探头采用独特光机结构设计，防尘防水性能更佳，抗环境干扰能力更强；除实时监测、声光报警、断电信号输出等功能外，还具有数据存储和故障自检功能。

Description

煤矿用非色散红外甲烷传感器

技术领域

本实用新型涉及一种甲烷传感器，特别涉及一种煤矿用非色散红外甲烷传感器。

背景技术

煤矿安全一直以来是我国亟待解决的问题，而甲烷等易燃易爆气体是安全生产的主要威胁。近年来，由甲烷泄漏引起的煤矿爆炸事故频繁发生，造成巨大的损失。另外，甲烷气体释放后还会对环境造成污染。因此，必须通过灵敏可靠的传感器对其进行检测，才能实现安全预警，避免环境污染。但是，目前煤矿用甲烷传感器仍存在诸多问题。

现阶段，煤矿普遍采用催化燃烧甲烷传感器在线实时监测作业环境中的甲烷浓度，但是由于技术本身弊端，使得其运行寿命短，维护成本高，每隔一段时间就必须重新标定，而且催化燃烧传感器易出现催化剂中毒或抑制现象，测量高浓度气体时容易出现饱和，对氧气有依赖性，对被测气体没有选择性。非色散红外检测技术（NDIR）由来已久，能够很好地解决催化燃烧技术的缺陷。非色散红外甲烷传感器替代催化燃烧甲烷传感器是发展趋势。

现有煤矿用非色散红外甲烷传感器在使用中会遇到以下几方面问题：（1）煤矿环境恶劣，粉尘和水汽浓度极高，如果没有采用特殊的防尘防水设计，就会导致传感器失效；（2）煤矿环境温度与传感器标定时的环境温度有较大差别，会影响测量结果；（3）矿井底下压强比传感器标定时的大气压要低，井越深，传感器的测量误差越大。开发抗环境干扰能力强、具有温度补偿和压力补偿功能的煤矿用非色散红外甲烷传感器具有重要应用价值。

煤矿用非色散红外甲烷传感器的输出信号制式包括频率型、电流型和数字型，具体类型由煤矿安全监控系统决定。如果安全监控系统改变了传感器的输出信号标准，由于现有的传感器输出信号制式单一，将不再适用，需要更换，这大幅度提高了运营成本。开发信号制式可灵活切换的红外甲烷传感器能够满足不同应用要求，使产品更换成本最小化。

因此，需要对现有的甲烷传感器，包括催化燃烧甲烷传感器和红外甲烷传感器，进行升级改造，提高甲烷传感器的可靠性、灵敏度、测量精度，降低维护成本。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种新的煤矿用非色散红外甲烷传感器，能够在线实时监测甲烷浓度，并根据检测到的浓度实现二级声光报警，还能自动地将检测到的甲烷浓度转换成各种标准信号，连同断电信号一并输送给煤矿安全监控系统，安全监控系统根据传感器输出的断电信号执行相关断电动作。产品不仅克服催化燃烧传感器使用寿命短、维护成本高、校准周期短、容易中毒或抑制等缺点，还进一步提升了产品的防尘防水能力、测量精度和使用灵活性。

本实用新型的煤矿用非色散红外甲烷传感器包括：电源模块、主控模块、智能红外甲烷探头、压力补偿模块、数据存储模块、显示模块、声光报警模块、信号输出与切换模块、调校模块，所述的电源模块与各部分均连接以供电，主控模块连接并采集智能红外甲烷探头输出的浓度信号和压力补偿模块输出的压强信号，经处理得到压力补偿后的浓度值，传输至显示模块进行实时显示，并通过信号输出与切换模块输出相应制式的信号。

所述的电源模块采用9~25VDC宽幅输入，经滤波、稳压和本安处理后给主控模块供电。

所述的主控模块采用单片机或FPGA，连接有智能红外甲烷探头、压力补偿模块、数据存储模块、声光报警模块、显示模块、信号输出与切换模块、调校模块。

所述的智能红外甲烷探头包括探头外壳、控制模块、红外甲烷检测元件、红外甲烷检测元件驱动模块、放大器、A/D转化模块、温度补偿模块，输出0.4~2VDC模拟电压信号和数字信号，其中控制模块采用单片机。

所述的压力补偿模块包括压力传感器和补偿电路，用于测量工作环境的压强，并基于测量值对智能红外甲烷探头的输出值进行修正，提高传感器的测量精度。

所述的数据存储模块采用EEPROM，用于存储煤矿用非色散红外甲烷传感器的测量值。

所述的声光报警模块包括蜂鸣器和报警灯。

所述的显示模块采用四位红色数码管。

所述的信号输出与切换模块包括信号输出电路和信号切换电路，可通过按键方式实现切换，也可通过主控模块以红外遥控方式实现切换。

所述的调校模块包括按键调校模块、红外遥控接收器和红外遥控发射器。

与现有催化燃烧甲烷传感器相比，本实用新型的有益效果是：

（1）采用智能红外甲烷探头，检测范围宽，能达到0~100% vol.，在高浓度时不会出现饱和现象；

（2）具有选择性吸收特性，抗干扰能力强；

（3）不会发生中毒或抑制现象，避免传感器失效；

（4）不受环境中氧含量的影响，在缺氧情况下也能正常工作；

（5）在正常工作环境下，使用寿命一般大于5年，更换成本小；

（6）零点及跨度漂移少，校准周期一般为6~12个月，维护成本小。

与现有大多红外甲烷传感器相比，本实用新型的有益效果是：

（1）智能红外甲烷探头采用独特光机结构设计，防尘防水性能更佳，抗环境干扰能力更强；

（2）除实时监测、声光报警、断电信号输出等功能外，还具有数据存储和故障自检功能；

（3）灵活配置输出信号制式，信号间可相互切换，满足不同监控系统要求，降低更换成本；

（4）集成了压力补偿算法，测量精度更高，适用地域范围更广。

附图说明

图1是本实用新型的原理结构示意图。

图中，1.电源模块，2.主控模块，3.智能红外甲烷探头，4.压力补偿模块，5.数据存储模块，6.显示模块，7.声光报警模块，8.信号输出与切换模块，9.调校模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

实施例1。

如图1，本实用新型包括电源模块1、主控模块2、智能红外甲烷探头3、压力补偿模块4、数据存储模块5、显示模块6、声光报警模块7、信号输出与切换模块8、调校模块9。

电源模块1采用9~25VDC宽幅输入，经滤波、稳压及本安处理后给主控模块供电。

主控模块2采用单片机或FPGA，用于控制智能红外甲烷探头3、压力补偿模块4、数据存储模块5、显示模块6、声光报警模块7、信号输出与切换模块8、调校模块9，保证传感器正常工作。

智能红外甲烷探头3包括探头外壳、控制模块、红外甲烷检测元件、红外甲烷检测元件驱动模块、放大器、A/D转化模块、温度补偿模块。探头外壳采用不锈钢材质和独特的光机结构设计，起到防尘、防水、防腐蚀的作用；红外甲烷检测元件经驱动后开始正常工作，输出甲烷浓度信号，先经放大器进行一级放大处理、二级放大处理，再经A/D转化模块进行模数转换，并将信号传输给控制模块，控制模块采用单片机。控制模块采集温度补偿模块输出的温度信号，并结合温度信号对浓度信号进行温度补偿，得到浓度值，输出0.4~2VDC模拟电压信号和数字信号。

主控模块2采集智能红外甲烷探头3输出的浓度信号、压力补偿模块4输出的压强信号，并结合压强信号对浓度信号进行压力补偿，得到更加精确的浓度值。主控模块根据得到的浓度值完成以下操作：

（1）主控模块2把处理后的浓度值保存在数据存储模块5，数据处理模块5采用EEPROM；（2）主控模块2把处理后的浓度值传输给显示模块6进行在线实时显示，显示模块6采用四位红色数码管；

（3）主控模块2控制信号输出与切换模块8输出特定制式的浓度信号；

（4）主控模块2根据设定的报警点和断电点，控制声光报警模块7发出二级声光报警，声光报警模块7包括蜂鸣器和报警灯，报警灯采用LED灯。若浓度值大于等于报警点，则声光报警模块7发出一级声光报警，即蜂鸣器以一级报警频率发出声响，报警灯以同样频率闪烁，信号输出与切换模块8输出高电平断电信号；若浓度值大于等于断电点，则声光报警模块发出二级声光报警，即蜂鸣器以二级报警频率发出声响，报警灯以同样频率闪烁，信号输出与切换模块8输出低电平断电信号；

（5）主控模块2根据设定的复电点控制信号输出与切换模块8输出高电平复电信号。

信号输出与切换模块8通过按键或红外遥控方式，切换浓度信号输出制式。信号输出与切换模块8包括信号输出电路和信号切换电路，实现信号制式灵活切换，满足不同安全监控系统标准。

煤矿用非色散红外甲烷传感器在出厂前或工作一段时间后，通过调校模块9对其进行调校，包括调零、标定、报警点设置、断电点设置、复电点设置、自检、信号制式切换等。调校模块9包括按键调校模块、红外遥控接收器和红外遥控发射器，有按键和红外遥控两种调校方式。

方式一，红外遥控调校方式。红外遥控发射器上有四个按钮，分别是“功能键”、“确认键”、“增加键”、“减小键”。调校时，红外遥控发射器对准红外遥控接收器，通过四个按键对煤矿用非色散红外甲烷传感器进行调校：

（1）以规定流量，对煤矿用非色散红外甲烷传感器通清洁空气一段时间后，按“功能键”，使数码管的第一位显示“1”，后三位显示“0.00”，按“确认键”返回，完成一键调零；

（2）以规定流量，对煤矿用非色散红外甲烷传感器通标准气体一段时间后，按“功能键”，使数码管第一位显示“2”，通过“增加键”或“减小键”，使数码管后三位显示值与标准气体浓度值相等，按“确认键”返回，完成标定；

（3）按“功能键”，使数码管第一位显示“3”，通过“增加键”或“减小键”，使数码管后三位显示值与报警点相等，按“确认键”返回，完成报警点设置；

（4）按“功能键”，使数码管第一位显示“4”，通过“增加键”或“减小键”，使数码管后三位显示值与断电点相等，按“确认键”返回，完成断电点设置；

（5）按“功能键”，使数码管第一位显示“5”，通过“增加键”或“减小键”，使数码管后三位显示值与复电点相等，按“确认键”返回，完成复电点设置；

（6）按“功能键”，使数码管第一位显示“6”，后三位显示自检点，传感器根据自检点、报警点、断电点，输出自检点所对应的浓度信号、及声光报警信号、断电信号，通过“增加键”或“减小键”改变自检点，按“确认键”返回，完成自检；

（7）按“功能键”，使数码管第一位显示“7”，通过“增加键”或“减小键”，使数码管后三位显示值与浓度信号目标输出制式相匹配，按“确认键”返回，完成信号制式切换。

方式二，按键调校。调校模块9上共有四个按键，分别代表“功能键”、“确认键”、“增加键”、“减小键”，与红外遥控发射器上的四个按钮功能相同，调校方式也相同。

Claims (8)

1.煤矿用非色散红外甲烷传感器，其特征在于，包括电源模块（1）、主控模块（2）、智能红外甲烷探头（3）、压力补偿模块（4）、数据存储模块（5）、显示模块（6）、声光报警模块（7）、信号输出与切换模块（8）和调校模块（9），所述的电源模块（1）与各部分均连接以供电，主控模块（2）连接并采集智能红外甲烷探头（3）输出的浓度信号和压力补偿模块（4）输出的压强信号，经处理得到压力补偿后的浓度值，传输至显示模块（6）进行实时显示，并通过信号输出与切换模块（9）输出相应制式的信号。

2.根据权利要求1所述的煤矿用非色散红外甲烷传感器，其特征在于，所述的主控模块（2）采用单片机或FPGA。

3.根据权利要求1所述的煤矿用非色散红外甲烷传感器，其特征在于，所述的智能红外甲烷探头（3）包括探头外壳、控制模块、红外甲烷检测元件、红外甲烷检测元件驱动模块、放大器、A/D转化模块、温度补偿模块，输出0.4~2VDC模拟电压信号和数字信号。

4.根据权利要求1所述的煤矿用非色散红外甲烷传感器，其特征在于，所述的数据存储模块（5）采用EEPROM。

5.根据权利要求1所述的煤矿用非色散红外甲烷传感器，其特征在于，所述的声光报警模块（7）包括蜂鸣器和报警灯。

6.根据权利要求1所述的煤矿用非色散红外甲烷传感器，其特征在于，所述的信号输出与切换模块（8）包括信号输出电路和信号切换电路，与调校模块（9）连接实现信号制式切换。

7.根据权利要求1所述的煤矿用非色散红外甲烷传感器，其特征在于，所述的调校模块（9）包括按键调校模块、红外遥控接收器、红外遥控发射器，有按键和红外遥控两种调校方式。

8.根据权利要求3所述的煤矿用非色散红外甲烷传感器，其特征在于，所述的控制模块采用单片机。