新型矿用红外瓦斯检测仪的研制

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1、新型矿用红外瓦斯检测仪的研制 间的关系可以毒黧I 3 L c ) ( 2 1 ) J2o e o e x p L 一“上， 。 冲锋纛耋氅鬈嚣瓣苌嚣 蓑曩纂警羹蠹鬣曩麓毒萼嚣篙虽囊 个特征吸收峰，因此我们选弊3 f 3 譬芦V P 月佣霸 3 笆冀鬈嚣黼瓦斯检潞仪由光学系统 韧出警篓燃嚣黼篇_ 和电气系统蔼部分组成，兵页怄镯剐圉驯 8 6 工矿自动化 当发光二极管L E D l 发出脉冲光时，探测器 1 ，探测器2 接受到的是直接来自发光二极管1 的 辐射，探测器1 和探测器2 的输出电压分别为： W ，= L R( 3 1 ) W ，一I ，R 。( 3 2 ) 当驱动发光二极管L E D

2、2 发出脉冲光时，探 测器1 和探测器2 的输出的电压分别为： W 。一L 尺r( 3 3 ) m 优一LXR 。t l t a( 3 4 ) 则有 、，、，、， K 2 谔专莨编 ( 3 5 ) 用双探测器、双光源，这样可以消除发光二极 管发光功率( I 。、I 。) 不稳定的影响和探测器接受 灵敏度( R r 、R m ) 不稳定的影响。单片机接收测量 和参考探测器的信号，直接对抵消后的变量进行 处理，它通过软件计算得到( 3 5 ) 式的结果，可减 小零漂和消除灰尘与水汽的影响，减少了误差的 来源，提高了测量的精度。光路设计成反射式，这 种设计的优点是红外辐射能两次穿过被测气体， 相当子

3、增大了气路的距离，也可以挺高检溅精度。 由于参考光路和测量光路是同一环境下工作，取 两者的电位差比值进行比较，就避免了因环境变 化和探测器响应度变化引起的漂移。 4系统的软硬件结构 矿用红外瓦斯检测仪整机设计成本质安全 型，具有防爆功能。选用较新的红外器件，使用以 单片机为核心的信号处理电路，对传感器的零点 和灵敏度进行自动校正。有符合并下要求的报警 和设置功能，有与矿井监控系统兼容的输出信号 制式。 红外瓦斯探测器将待测澹合气体中的瓦斯浓 度转变成电压信号，该信号经电压跟随放大电路 放大、线性补偿电路线性补偿后送至模一数转换 电路，最后送至单片机进行效据处理，计算浓度并 显示，串行通讯部分发

4、送到地面上位机，系统还能 根据不同的浓度僮做出相应的翔断和异常处理。 硬件系统结构： 软件设计采用功能模块化设计编程，在一主 程控制下完成数据采集、滤波、非线性校正、数字 显示、报警等一系列信号处理。软件的编程全部采 用汇编C 。 I 探测器1r 放 上传地面测控室 探潮器2 卜+ ( 上位机) 大 A D 陋补偿卢滤 报警 电压卜 8 0 5 1 显示 礴 波 懒， I 删 地垃 图3 缎外瓦斯控制模燮结构及功能椴图 煤矿井下环境比较恶劣，运行单片机系统，必 须考虑系统的抗干扰能力。除了在硬件设计时采 用有效的措施，如合理的电路布局、看门狗技术 等，还要用软件来增强系统抗干扰能力。本软件采

5、用软件陷阱、N O P 指令、R A M 数据冗余等几种比 较成熟的抗干扰技术。 软件设计是矿用红外瓦斯检测仪的重要组成 部分，从程序控制技术方面实现了仪器的智能化， 限予篇幅不详尽教述。 5 影嫡捡溺仪测量精度的I ：几个主要融素及解决 对策 研髑的矿用红外瓦斯检测仪主要技术指标， 测量范隧：0 1 0 0 分辨率：0 0 1 C H 4 测量 范围。一1 C H 4 ，允许误差士0 1 I 测量范围 1 C H 4 ，允许误差士l o C H 4 。 利用红外吸收原理测量气体浓度是一种较为 优越的气体测量技术，采用敞开式气室结构测量 时，不进行气体预处理，可直接进行在线检测。但 是，矿用红

6、外瓦斯传感器的响应效果会受到气体 组分吸收、光源波长、光源稳定性、镜面尘染误差、 温度影响、电路特性、元件选择等影响。在设计试 验中考虑各影响因素，可以提高矿用红外瓦斯检 测仪整体检测效能。 我们在做实验时，光源稳定性、镜面尘染误 差、水蒸气和镜面凝雾、温度影响、电路特性对检 测效能影响最大。 5 1路特性的影响 探潸器的作用是把目标的红外辐射转变成电 信号，这个信号很小，几毫伏，由此可知放大器中 噪声的大小对整个红外探测系统的探测能力是有 影响的，为了充分发挥探测器的探测能力，要求放 大器的噪声电平低于探测器的噪声电平。在整个 线路中，脉冲光发射，劐探游器，放大器相应，A D 转换时闻，A

7、D 采样时间酶确定因考虑到探测 朱志英等：新型矿用红外瓦斯检测仪的研制8 7 器，放大器响应延时，选择在脉宽平稳的点上采样 ( 如图4 ) 。从软件上选择合适的数字滤波，能够大 大减少测量误差。在实验中，采用算术平均值法和 滑动窗口平均值法相结合。综合上述，清除了异常 值和放大器纹波影响，提高了测量精度，实验效果 很好。 T 图4 L E D 发射脉冲和A D 输入脉冲的关系 5 2源稳定性 光源的光子瞬时发射及瞬时功率是许多单独 过程的结果，丽这些过程的速率是谴时间丽起伏 的。光源的发射功率起伏将引起探测器输出电压 的波动，从而影喻矿用红外瓦斯检测仪测量精度。 为了减小由于光源的发射功率起伏

8、将引起的测量 误差，在传感器设计中，采用补偿的方法，即通过 增加一条光路或多条光路，对各光路的输出进行 组合计算。使得到的运算结果与光源发射无关，只 与气体得浓度和器室得长度有关。本文设计得光 学系统就实现了对光源发射功率起伏的补偿。 5 3 镜面尘染误差 在矿用红外气体传感器中，由于长期工作在 环境空气中，定时间后，窗口表面就会落下沉积 的粉尘，镜面磨损，这些影响器室的透光能力，影 响测量误差。对于采用敞开式器室结构，在气室外 加防尘罩，不让大微粒粉尘进入器室。设计合理的 外形结构，本矿用红外瓦斯检测仪将气室放在仪 表底部，采用百叶窗形结构，可减小灰尘堆积。气 室透射率变化对两条光路的影响是

9、一样的，采用 测量光路信号与参考光路信号比值，就可以消除 气室透射率变化的影响。 5 4 水蒸气和镜面凝雾 井下环境恶劣，水蒸汽含量较高，仪器工作一 段时间后总会有部分水蒸气变成凝雾附着在光 学镜面上，一方面使光学系统的透射能力下降，另 一方面容易和灰尘凝结在一起形成气溶胶，带来 对红外辐射酶歙射，造成测量误差。所以在矿用红 外瓦斯检测仪的研翩中，必须考虑水蒸气和镜面 凝雾对测量的影响。将光学镜头，传感器检测部分 加热到高于环境温度3 5 。C ，可以防止镜头上的 水气凝雾，使光路及器室可靠的在井下工作。 5 5温度影响 发光二极管的发射强度和峰值发射波长是随 温度变化的。此外，在红外气体传感

10、器中常用的硫 化铅或硒化铅探测器本身同温度有很大的相关 性，这种相关性一般 1 ，为此，需要增加对 温度补偿的设计。本矿用红外瓦斯检测仪用硬件 电路实现恒瀛控翩，利用热敏元件( 如热敏电阻) ， 与参比阻德比较，来判断是否到达所需恒温值。双 路径和双探浏器方法能有效补偿信号温漂，但是 要求两个探测器的温度和光学特性一致性。 6 实验及缝粜 测量光路信号y 一，y 。，参比光路信号y 。， n 。四个量存在如下关系 、7 、o 、7 K 一曼号毫# 一k o e X p ( 一a L C ) ( 5 。1 ) yw7 - , V ” 式中：K 为透过率I k 。为比例常数；a 为吸收系 数；c

11、为气体浓度，L 为光通过气体的长度。 在实际计算瓦斯浓度时，并不是根据上式的 指数关系来确定浓度值。丽是取纯净的甲烷气体 和净化空气混合，配成1 1 2 8 0 0 p p m 范围内不同 浓度的气体，在一定进气流速及温度下分别进行 标定浓度值。本文是将一组实测的K 和对应的瓦 斯浓度值存放在存储器中，仪器正常工作是，就根 据这些值查表，j 线性插值，求出被测瓦斯的浓度。 为了提高检测的准确度和精度，减少硬件电路的 消耗，用软件编程的方法来实现非线性问题。软件 采用分段线性擂值法，根据实验共选取了0 0 1 6 、0 1 6 0 4 0 、0 4 0 1 5 2 、】5 2 3 4 6 、3

12、4 6 5 4 3 、5 4 3 9 3 6 、9 3 6 5 0 o o 、5 0 0 0 1 0 0 八段。所取点的具体数据如 表1 ，对应曲线如图5 。 瓦斯浓度O A ) O O OO 1 6o 4 01 5 23 4 65 4 39 3 65 0 O Ol 透过率1 o o o o 9 9 6O 9 7 5o 9 3 8o 8 9 4o 8 6 4o 8 3 1O 6 6 1o 5 0 0 8 8 工矿自动化 济宁三号煤矿综合自动化调度室实施方案 杨华蓉1 刘文伟2 ( 1 中国矿业大学信电学院江苏徐州2 2 1 0 0 82 竞矿集团东方机电公司) 【摘要】本文结合工程项目，主要介

13、绍了济宁三号煤矿调度宣的综合自动化设计过程，分析了数 据在网络传输中的流向和调度室具备的功能。 【关键调】自动化网络安全控制 1 引盲 目前，济宁三号煤矿使用的通风监测监控系 统、柬管监测系统、胶带机集控制系统等自成体 系，相互独立。这不仅造成通信线路重复投资、重 复建设，系统维护量大增，而且整体可靠性低，维 修困难。信息不能综合利用，不能从系统工程的整 体角度来对矿山进行统一的自动化调度管理。同 时也存在不少安全隐患。为了克服这些弊端，我们 充分利用现代I n t e r n e t 技术，设计了本系统，加大 了调度室的集中控制力度，提高了整个矿上的安 全生产水平和自动化控制水平。 2 网终

14、设计 地面和井下生产系统部分采用C o n t r o l N e t 网络，这样，整个矿井的各个生产环节和各种监测 监控子系统均集中在一个C o n t r o l N e t 网络内进 行传输。C o n t r o I N e t 网络通过地面网关进入调度 指挥中心的以太网，供调度室统一调度和控制，彻 底摒弃了过去那种各个监测监控系统分别建立各 自的传输网络。同时，为了提高整个系统的安全性 和可靠性，整个网路采用双线路传输，即使一条线 路发生问题，也可以通过另一条线路保证数据正 常传送，这样起到了备用保护的作用。济宁三号煤 矿有胶带枧运输监控系统、泵房和变电所监控系 统、邋风机和压风枫监

15、控系统、地面监控系统、安 全监浏系统、洗煤厂和1 1 0 K V 变电所监测，各监 测监控系统分别由不同的工作站负责。 这样，需要6 台工作站： 胶带逶输监控系统主执和备用主机( 1 台) ； 并下变电所、泵房监控系统( 1 台) ； 通风、孤风系统主机和备用主机( 1 台) I k 、。 、 0 - 5 0 0l234 S6789l O 甲烷浓度f ) 图5 实溺K 与甲烷浓度关系盥线 7 结柬语 利用红外技术开发的瓦斯检测仪是目前煤矿 中使用的瓦斯检浏仪的更新换代产品，采用双探 测器双光源的矿用红外瓦斯检溅仪具有体积小、 整机无可动部件、结构紧凑等优点。仪器稳定可 靠，具有防爆功能适合在恶劣和危险韵环境中使 用。 参考文献： 1 。王汝琳。矿井环境传感技术中国矿业大 学出版社，1 9 9 8 9 2 罗先和，张广军，骆飞等。光电检测技术 北京：北京航空航天大学出版社，1 9 9 5 I ，3 王霞新型矿j l l 红外甲姹传惑器的研究。 中圆矿业太学北京校区1 9 9 9 5 博士论文 4 陈允魁红外吸收光谱法及其应用上海 交通大学出版社，1 9 9 3 1 2 作者倚介： 朱志英( 1 9 7 7 一) ，女，浙江绍兴人，目前在中 国矿业大学北京校区机电与信息工程学院攻读硕 士学位，主要从事智能仪器仪表设计和开发工作。