紅外氣體濃度監測技術在礦井瓦斯測量中的應用

摘要：煤礦瓦斯作為井下的重大隱患，需要采用一種可靠、穩定的方法對其濃度進行監測。本文首先對比了煤礦常用的幾種瓦斯監測儀器，然后給出了瓦斯監測原理以及在井下瓦斯監測系統設計應該注意的問題，最后對文獻中發表的一種簡易監測系統進行了簡要分析。

關鍵詞：紅外氣體濃度 檢測技術 應用

1 簡介

煤礦瓦斯是可燃、可爆氣體的總稱，其主要成分是甲烷，約占瓦斯總量的83%-89%，在采煤過程中，瓦斯主要從煤層、巖層、采空區中釋放出來，以及在生產過程中產生。甲烷是天然氣、沼氣以及可燃液體的主要成分，是無色無味的氣體，難溶于水，性質比較穩定，難以檢測，甲烷在大氣中的爆炸上限為15.0%，下限為5.3%。在重特大安全事故和死亡人數方面煤礦瓦斯事故均達到70%以上，因此，在煤礦安全生產治理中，煤礦瓦斯治理成為治理的核心，對瓦斯濃度進行檢測是有效預防煤礦瓦斯事故的關鍵所在。

根據檢測原理，可以將煤礦的瓦斯檢測儀器分為：

1.1 載體催化型

檢測儀器采用熱催化原理，利用低濃度瓦斯在低溫度下借助催化物作用使瓦斯持續氧化燃燒，因濃度不同在燃燒時瓦斯產生的熱量也有所不同，通過利用溫度的變化

進而檢測瓦斯濃度。當前，使用比較廣泛的是載體催化元件。

1.2 光干涉型

根據光波在不同介質中的傳播速度不同制成瓦斯檢測儀器，利用光波在空氣和瓦斯中產生的光程差產生移動的干涉條紋進而檢測瓦斯濃度。讓從同一光源發出的兩束光線分別通過充有空氣的氣室和充有待測氣體的氣室后，經折射后兩束光線再相遇將產生干涉條紋。由于瓦斯濃度不同，那么出現干涉條紋的位置就會有所不同，然后按照干涉條紋的位置檢測瓦斯的濃度。

1.3 熱導型

通過熱導原理制成的氣體檢測儀器，是根據所測氣體與空氣之間的熱導率之差進而達到檢測氣體濃度的目的。將待測氣體注入氣室，氣室中有鉑絲、鎢絲等熱敏原件，將熱敏元件進行加熱，達到一定溫度后，如果待測氣體的導熱性能比較高，那么通過熱敏元件散熱，使得熱敏元件的阻值減少，通過采用惠更斯電橋的方式，測量阻值的變化進而得到待測氣體的濃度值。

1.4 氣敏半導體型

在特定溫度下，利用某些金屬氧化物能夠吸附不同氣體，進而引發電阻率發生變化。近年來，在瓦斯檢測設備方面，氣敏半導體型瓦斯監測儀得到迅速發展。

1.5 紅外氣體吸收型

利用不同氣體對紅外輻射存在著不同的吸收光譜，根據吸收強度和氣體濃度的關系完成瓦斯濃度的監測。紅外吸收型氣體監測儀器通常由白熾燈或紅外LED輻射源、氣室、濾光片（選擇波長的裝置），以及紅外探測裝置組成。在入射光譜范圍內，當紅外輻射穿過被測氣體后，其能量會在相應的譜線位置發生衰減，紅外探測器監測未被吸收的輻射，通過對譜線處能量的衰減情況進行測量就可以知道被測氣體濃度。

2 紅外瓦斯監測原理

2.1 紅外瓦斯氣體檢測方法的理論依據

通過借助分子光譜，對分子結構、分子內部運動、分子間的相互作用進行研究和分析。氣體分子的紅外選擇性吸收理論是紅外瓦斯檢測方法的重要理論依據。對于氣體分子而言，吸收的光子能量正好等于它的某兩個能級的能量之差。氣體分子因結構不同而吸收不同頻率的光子，也就是氣體分子對于光子能量的吸收是有選擇性的。

紅外吸收光子能量源于分子的震動，紅外吸收頻率與分子的震動頻率是相互對應的。利用標準樣品通過測試得出，特定的官能團對應著相應的特征吸收，并對各種官能團的特征頻率進行歸納總結，對于單原子氣體分子，以及具有對稱結構和無極性的雙原子分子氣體等，在紅外波段內沒有與其對應的特征吸收頻率。化合物或氣體分子吸收的紅外頻率與其波長相對應，也就是所謂的化合物或氣體分子的特征為紅外吸收波長。

2.2 紅外吸收定律

由于氣體介質能夠吸收穿過的部分光線，所以當一束強度為I0的平行光線穿過氣體介質時，經折射后，光線強度I因氣體介質的吸收而發生衰減。根據朗伯-比爾定律，穿過氣體介質的光線，入射光強I0與出射光強度I之間符合下列關系：

I=I0exp（-μCl）

μ——氣體的吸收系數，

C——待測氣體的濃度，

l——透射光線的長度。

通過分析上式得出，光線在氣體介質中傳播時，其強度隨氣體濃度和透射光線的長度按指數形式不斷衰減。氣體介質的特性決定了氣體的吸收系數，因此各種氣體的吸收系數也存在著差異。對于同一種氣體來說，μ隨著入射光線波長的變化而發生變化，氣體對不同紅外光的吸收是不同的。

通過整理上式公式得到：

2.3 CH4氣體分子的吸收譜線與強度分布

甲烷分子有4個固有的振動，每一個固有振動與特定的光譜吸收帶相互對應，其波長分別為3.43μm、6.53μm、3.31μm、7.66μm。甲烷分子的4個振動產生四個相應的基頻，并且這些基頻全部處于中紅外波段內。

圖1為甲烷在3.31μm基頻吸收帶的吸收光譜，圖2為甲烷在7.66μm基頻吸收帶的吸收光譜，圖3是甲烷氣體在1.6654μm和1.3312μm吸收的光譜。

從圖1、2可以看出，甲烷氣體對波長為3.31μm和7.66μm的紅外吸收的強度是波長1.33μm和1.66μm的130倍和160倍。在眾多研究中對甲烷氣體通常選擇波長為3.3μm的吸收波長進行檢測。

2.4 朗伯-比爾定律的表現偏差

使用朗伯-比爾定律要求比較嚴格，只適用于單色輻射光。在實際的檢測過程中，由于不具備推導朗伯-比爾定律的條件進而出現一定的偏差，例如光譜帶寬、雜散光，以及環境溫度的變化等都可能對偏差產生影響，稱這種偏差為朗伯-比爾定律的表現偏差。因此在設計礦用瓦斯檢測儀時，計算瓦斯濃度并不是根據朗伯-比爾定律給出的表達式進行，而是在只讀存儲器內存儲一組實測的透射比和對應的瓦斯濃度值，通過計算透射比，借助查表和線性插值，進而求出待測瓦斯相應的濃度。

3 紅外監測的分類

通過采用色散型紅外吸收光譜法、傅里葉變換紅外光譜法和非色色散紅外吸收法對紅外氣體濃度進行測量。通過采用分光元件和掃描方式利用色散型紅外吸收光譜法、傅里葉變換紅外光譜法對紅外氣體濃度進行測量。在寬泛的紅外波段內，通過測量分析氣體濃度，最后得出紅外氣體的濃度。這種方式測量精度高，并且能夠對多種氣體同時進行分析測量，因此設備價格比較昂貴，適用范圍只局限在實驗室。相比之下，非色散紅外吸收法在結構、體積、質量、價格和可靠性方面獨具優勢，廣泛適用于氣體濃度的在線測量，以及對氣體泄漏進行及時監測等。

依據氣體吸收紅外光的特性，根據紅外光吸收最強的吸收峰處的波長選擇測量氣體的波長，另外，選擇不具有吸收紅外光能力的波長作為對比波長，進而完成非色散紅外吸收氣體濃度的監測。借助這種方式能夠在一定程度上消除光源的不穩定性和光電器件的零點漂移對測量精度構成的影響，確保采用非色散紅外吸收法測量氣體濃度具有較高精度。

根據測量光束的數目，可以將非色散紅外吸收氣體濃度測量方法分為：

①時間雙光束結構。該結構的優點是：單光源、單氣室和單探測器件，但是該結構存在活動部件，導致抗振性能差。

②空間雙光束結構。該結構克服了時間雙光束結構的缺點，但是結構復雜、元器件多，要求較高的加工和裝配工藝，因此造價較高。所以，一些研究機構試圖研究一些輕便的、簡易的，造價低廉的監測器。在下部分中，會對幾種監測器進行簡易的原理介紹。

4 礦用紅外瓦斯監測器需考慮的問題及設計的幾個關鍵點

4.1 需考慮的問題

①井下使用的紅外氣體分析器，受井下水汽、粉塵的影響比較嚴重。因此，需要考慮儀器的結構，具備防塵、防潮的裝置。對于開放式的氣室，還要考慮鏡片的防露問題。

②紅外氣體分析器的防爆問題。采用傳統方式，通過氣泵和管道抽氣對封閉氣室充氣，從而增大了整機的電功率和體積，另外還有防爆外殼，使得分析器更加笨重，井下使用不方便。因此，要實現分析器的防爆性能和結構的精巧性，需要創新設計方式。

③紅外氣體分析器要符合傳感器的指標體系，具備報警功能，充當礦井監測系統的傳感器，并且與礦井監測系統相匹配。

4.2 設計的關鍵點

①光源：利用紅外發光二極管，其峰值波長保持在

3.39～3.9，在一定程度上大大降低了整機的功耗，滿足整機安全性能要求。

②氣室：采用敞開式，簡化了氣泵和氣路，縮小了整機體積，降低了功耗。

③光路：3.39μm和3.9μm的濾光片把光學系統變成測量光路和參比光路，測量和參比探測器的信號經單片機接收和處理后，減小了零漂，并且消除了灰塵和水汽造成的影響。

④結構：為了方便煤礦井下使用，降低功耗，礦用紅外甲烷傳感器沒有可動部件。采用百葉窗形式設計氣室，進而防止灰塵進入。

5 礦用瓦斯紅外監測器介紹

MEMS紅外瓦斯探測器采用雙通道補償原理，經放大濾波后探測器的輸出信號由AD進行采集，FPGA對采集后數據進行判斷、處理，并將處理結果傳送給PC機，FPGA控制系統在瓦斯濃度超標時會發出報警信號。該裝置的特點是：探測精度高、范圍大、不易老化。

光學瓦斯監測系統，甲烷氣體對4μm的紅外光吸收不大，而對3.3μm的紅外光具有很強的吸收作用。從圖4中可以看出，傳感器有兩個彼此隔離的氣體通道，分別在兩個通道的表面安裝3.3μm和4μm的濾光片。當瓦斯氣體出現在傳感器氣室內時，3.3μm波長的紅外光被吸收，傳感器這時輸出1用公式（2）可以計算得到。由于瓦斯氣體吸收波長4μm的紅外光不大，因此，傳感器輸出2并且正比于入射光強。光強在公式中是一個相同的因子，在實際環境中很難測量光強，可以通過采用求比值的方式消除光強因子。對于特定環境，可以將甲烷濃度寫成直線關系方程式。經實驗證明，利用兩個傳感器濾光通道進行求比值，對外界因素帶來的影響能夠很好地消除，進而確保瓦斯氣體測量濃度的準確性。

通過對上述進行分析，將瓦斯探測裝置設計成4方向，在探測裝置基座的前后左右4個方向分別安裝紅外傳感器，對瓦斯氣體進行檢測。檢測信號經過濾波、放大處理后，經AD轉換，對信號進行處理和判斷，最后對檢測氣體的濃度值進行準確測量和輸出。系統整體結構如圖5所示。

圖5 系統整體結構

6 結論

紅外吸收型氣體檢測儀器的優點是：能夠對多種氣體進行測量，測量范圍比較廣、具有良好的選擇性、使用時間長、功耗比較低、操作方便，維護簡單，通過結合計算機技術完成在線實時監測。同現有的瓦斯監測裝置相比，礦井中使用的檢測儀器具有很好的特性。為了井下使用方便，檢測儀器要具備體積小、結構簡單、質優價廉、并具有井下作業的光學系統。通過研制紅外甲烷傳感器，可以有效提高煤礦甲烷檢測的準確性和可靠性，提高甲烷事故的預警防范能力，促進我國煤礦甲烷檢測領域的科技進步，提高我國煤礦安全生產的水平。

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