摘  要： 近年來受到國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng)，煤礦的開采量和消費(fèi)量呈現(xiàn)快速增長的勢頭，同時(shí)很多煤礦企業(yè)存在著安全監(jiān)測不完善等煤礦安全問題，嚴(yán)重影響了煤礦的開采和人員的安全，其中瓦斯監(jiān)控是煤礦安全中的重要組成部分。介紹了一種基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理，同時(shí)闡述了壓力補(bǔ)償的必要性,然后基于最新的單光源雙通道甲烷傳感器進(jìn)行分析，介紹了一種壓力補(bǔ)償方法，基本克服了壓力的漂移問題，提高了測量的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞： 非分光紅外；瓦斯；氣體傳感器；壓力補(bǔ)償

    煤炭是我國的主要能源之一，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重大的意義，目前煤礦生產(chǎn)中，很多企業(yè)都存在安全監(jiān)測不完善、管理落后等問題，導(dǎo)致安全生產(chǎn)形勢不容樂觀。監(jiān)測礦井現(xiàn)場各種氣體濃度、風(fēng)速和設(shè)備的狀態(tài)可以有效地保障生命財(cái)產(chǎn)安全，降低事故的發(fā)生率。煤礦事故中由瓦斯造成的傷亡比例超過50%，可見瓦斯監(jiān)控的重要性。瓦斯主要來自礦井中的煤氣，主要成分是甲烷，爆炸通常發(fā)生在瓦斯占空氣濃度5%～16%。因此監(jiān)測到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)應(yīng)該立刻停止工作，撤出人員，查明原因，采取措施。
    現(xiàn)有的瓦斯監(jiān)測手段主要有電化學(xué)式、光干涉式、載體催化式和非分光紅外型幾種。
    光干涉型傳感器存在著體積大、調(diào)校頻率高、空氣成分復(fù)雜時(shí)測量不準(zhǔn)確、容易發(fā)生誤報(bào)等問題，干涉信號向電信號的轉(zhuǎn)變困難也限制了它的發(fā)展。
    載體催化型又稱“黑白元件型”，比光干涉型整體性能有所提升，但是存在著“高濃度沖擊損壞”、“催化劑中毒”等現(xiàn)象，限制了它的量程和使用的環(huán)境，需要經(jīng)常維護(hù)和更新設(shè)備，無形中提高了成本。
    最新的基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器具有靈敏度高、調(diào)校周期長、壽命長等特點(diǎn)，而且不存在中毒現(xiàn)象，可以測量100%的濃度。目前國外用于精密氣體測量的傳感器使用的都是非分光紅外原理，國內(nèi)雖然也在研究但是還沒有到達(dá)實(shí)用化的階段,在應(yīng)用方面存在很多問題?？傮w來說紅外原理的傳感器性能要優(yōu)于使用其他幾種原理的傳感器[1]。
    溫度補(bǔ)償方法很多，而壓力補(bǔ)償?shù)姆椒▍s寥寥無幾，本文重點(diǎn)介紹一種非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理及其壓力補(bǔ)償方法。
1 非分光紅外檢測原理
    非分光紅外原理主要根據(jù)不同的氣體對不同波長的紅外光吸收率不同，一般來說多原子分子和非對稱的雙原子分子都對某一波長的紅外光具有強(qiáng)吸收，如表1所示[2]。

     式中ACT、REF是工作通道和參考通道的峰峰值，ZERO是之前在氮?dú)?空氣也可以)中計(jì)算出來的零點(diǎn)，a、n是固定的線性化參數(shù)，C是此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度?？梢钥闯鏊鞘?6)的一個(gè)變形，用來標(biāo)定整個(gè)量程。ZERO和SPAN應(yīng)該存儲在非易失存儲器中，例如EEPROM或者Flash，每次上電都應(yīng)讀取這些參數(shù)進(jìn)行濃度計(jì)算。
2.3 濃度計(jì)算
    經(jīng)過上面的分析，由式(6)可以得到目標(biāo)氣體的計(jì)算公式：
    C=(-ln[1-(NA/SPAN]/a)(1/n)          (9)
    可見，瓦斯?jié)舛扰c熱電傳感器輸出電壓比呈非線性關(guān)系。
    以上數(shù)據(jù)都要經(jīng)過濾波處理，采用單次測量誤差會(huì)非常大，一般采用滑動(dòng)均值濾波和限幅濾波相結(jié)合的方法[4]。
3 壓力補(bǔ)償
    甲烷傳感器分為3類，A、B類的工作環(huán)境壓強(qiáng)為80 kPa～116 kPa，而C類的是50 kPa～130 kPa，C類通常在管道中使用，被測氣體濃度和壓力的變化較大，為了進(jìn)行精確測量需要進(jìn)行相應(yīng)的溫度和壓力補(bǔ)償。目前溫度補(bǔ)償已經(jīng)有比較完善的方法，例如利用查表線性差值等方法可以很好地進(jìn)行溫度補(bǔ)償[5]，而壓力補(bǔ)償方面并沒有通用的方法。下面介紹一種瓦斯傳感器壓力補(bǔ)償方法，假設(shè)實(shí)驗(yàn)在溫度不變的環(huán)境下進(jìn)行。
    在實(shí)驗(yàn)室25 ℃的環(huán)境下，以空氣作為零點(diǎn)標(biāo)定的背景氣，用高精度的直流穩(wěn)壓電源給探頭供電，并提供驅(qū)動(dòng)信號，輸出信號經(jīng)過濾波放大用電壓表進(jìn)行測量，標(biāo)定的數(shù)據(jù)也事先經(jīng)過多組測量取均值得到。表2、表3分別是在不同濃度、不同壓力下5個(gè)甲烷傳感器進(jìn)行10組測量得到NA和SPAN的均值，NA是與濃度非線性關(guān)系的參數(shù)，SPAN則是校正值。
    由表2、表3可以看出，兩個(gè)參數(shù)都隨著壓力的變化發(fā)生了漂移，當(dāng)濃度一定時(shí)NA隨著壓力近似線性增長，最終反映到測量結(jié)果上會(huì)使計(jì)算出的濃度偏大，SPAN值是標(biāo)定的固定值，它不隨著濃度的變化而變化，與壓力也呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。

    圖2是未進(jìn)行壓力補(bǔ)償時(shí)的計(jì)算濃度。不同的線代表通入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，可見低濃度測量時(shí)壓力影響較小，當(dāng)進(jìn)行高濃度測量時(shí)濃度漂移十分嚴(yán)重，會(huì)超過100%，需要進(jìn)行相應(yīng)的壓力補(bǔ)償。

3.3 壓力補(bǔ)償
    由式(11)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，最后可以得到進(jìn)行壓力補(bǔ)償和未進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。圖4與圖2相似，是0～100不同標(biāo)準(zhǔn)濃度在60 kPa～140 kPa的壓力下測得的數(shù)據(jù)，相比于圖2，曲線趨于平緩，基本上達(dá)到了壓力補(bǔ)償?shù)哪康摹?br />     本文主要介紹了基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理，同時(shí)闡述了溫度及壓力補(bǔ)償對于大范圍高濃度測量的必要性，并且在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用統(tǒng)計(jì)的方法總結(jié)出一種通用的壓力補(bǔ)償方法，基本克服了高濃度測量時(shí)漂移嚴(yán)重的問題，可以滿足在壓力變化較大的環(huán)境中使用的要求。目前紅外原理的氣體傳感器并沒有統(tǒng)一的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)要求使用不同的方法來進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償。本文的補(bǔ)償方法針對單光源雙通道的傳感器進(jìn)行分析，若要在其他結(jié)構(gòu)的傳感器上使用需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。
參考文獻(xiàn)
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