煤矿一氧化碳传感器的改造.pdf

2 0 2 0年第0 6期 煤矿一氧化碳传感器的改造 郭 鹏, 薛晓朋 山西潞安郭庄煤业有限责任公司, 山西 长治 0 4 6 1 0 0 摘 要 针对目前煤矿一氧化碳传感器存在的问题, 以红外检测技术为技术基础, 提出了光纤一氧化碳传感器的改 造方案。首先, 对工作原理进行了介绍分析; 然后根据设计要求, 对改造方案进行了硬件和软件的设计。 改造后的方案具有效率高, 抗干扰性好, 成本低廉的优点。 关键词 一氧化碳C O ; 传感器; 光纤; 光谱吸收 中图分类号 T P 2 1 2 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 6. 0 4 1 0 引言 在煤炭开采作业中会产生各种各样的有害气体和粉 尘。其中, 一氧化碳C O 的排放给煤矿生产和工人生命 安全带来了极大的隐患。一氧化碳不仅有毒, 并且还易 燃易爆, 在井下开采的预防检测中, 一氧化碳通常会被作 为一种主要的监测气体。目前采用的一氧化碳监测方法 为气相色谱法、 光谱法和半导体气体传感器等方式。随 着生产力的不断提高和开采量的不断增加, 传统的检测 方法检测范围小、 精度低和寿命短等问题也不断暴露出 来。为了解决煤炭开采中气体检测存在的问题, 结合目 前先进的气体检测技术, 采用红外技术检测气体方法[ 1], 方式可以解决井下一氧化碳检测难、 时效差的问题, 有着 快速、 高效、 安全的优点。 1 一氧化碳传感器的基本原理 1. 1 气体光谱吸收原理 红外光谱吸收型光纤一氧化碳传感器是根据每种气 体的固有吸收光谱, 当被检测的气体吸收波长和传感器 中光源的发射波长吻合时, 会发生共振吸收现象。共振 吸收的强度根据气体浓度的不同也会发生变化, 所以根 据共振吸收强度即可测得矿井中一氧化碳的浓度。表1 为几种常见的气体和其对应的特征吸收峰波长 近红外 波段 。 表1 常见气体的特征吸收峰波长 近红外波段 气体种类气体吸收峰波长/μm 氧气O 2 0. 7 6 1 甲烷CH4 1. 6 6 5 一氧化碳C O 1. 5 6 7 6 二氧化碳C O 2 0. 8 0 0 水蒸气H2O 1. 3 6 5 在进行检测时, 使用一道光强为I0的平行光穿过需 要进行检测的气体, 根据光的衰减特性, 当发射光源的光 谱可以覆盖一个或者是多个检测气体的吸收谱线时, 穿 过待检气体的平行光会发生衰减现象。根据比尔-朗伯 特定律B e e r - L a m b e r t L a w , 可以得到入射光强I0和出 射光强I及气体的体积之间的规律[ 2] II0e x p[-αvC L] 1 式1 中,αv 为被检测气体的吸收系数;C为被检 气体的浓度; L为平行光吸收路径长度。 根据式 1 , 可以得到被检气体浓度C为 C I n[It /I0] αvL 1. 2 一氧化碳吸收区间分析 进行气体光谱检测时, 有时会发生由于被检气体的 吸收谱带重叠而引起的气体谱带重叠干扰和物理测量产 生误差的情况, 但是如果气体的红外谱线是单峰时不会 出现上述状况。为了消除影响, 对一氧化碳的红外吸收 谱线做研究。在研究时先进行整体的区间透射比分析来 确定吸收峰。通过实验研究, 一氧化碳在近红外区域 0. 7 62. 5 μm 的1. 5 6 7 μm 和远红外区域 2. 51 0 0 μm 的4. 6 5 μm 处存在吸收峰。在远红外区域的一氧化 碳吸收峰强烈, 但是由于其是基频吸收并且很强烈, 所以 容易受到外界其他因素的影响。此外, 远红外区域在测 量是要求的光源质量很高, 信号传输也不能使用光纤传 输。而近红外区域的一氧化碳是倍频吸收, 虽然吸收比 较弱[ 3], 但是一般不会受到外界干扰。此外, 还可以使用 费用低廉, 维护和修理方便的L E D灯管提高光源效果, 传输信号也可使用光纤。在改造中, 使用波长为1 5 6 7 mm的光源进行研究。 2 传感器改造的硬件设计 根据上述原理, 对现有的煤矿一氧化碳传感器进行 改造, 改造后的传感器系统原理图如图1所示。图中, 加 粗的线条 光源和气室及光分路器之间的信息传递 通过 光纤。由图1可以看出, 改造后的系统主要由光源、 传感 器、 光电转换部分、 数据处理部分和锁相滤波部分组成。 其中, 光源部分、 传感器、 光电转换部分采用模拟电路[ 4], 检测数据处理部分采用数字电路。 111 工矿自动化 自动化应用 收稿日期 2 0 2 0 - 0 4 - 0 8 作者简介 郭鹏 1 9 8 6 , 男, 助理工程师, 研究方向为监测监控。 2 0 2 0年第0 6期 图1 改造后一氧化碳传感器系统原理图 2. 1 光源的设计 改造后的传感器采用光纤传感器, 光纤传感器的光 纤长并且很细, 其在结构和性能方面需要满足以下要求 1 要有足够的光强保证一氧化碳传感器的输出 功率。 2 结构要小, 因为传感器体积小, 电源需要匹配相 同体积。 3 稳定性好, 并且维护简单方便。 鉴于以上设计要求, 采用分布反馈式半导体激光器 D F B L D 作为传感器光源。分布反馈式半导体激光器 的谱线窄, 灵敏度好, 效率高, 还有精度高的自动温度控 制和自动功率控制, 其各项参数如表2所示。 表2 分布反馈式半导体激光器参数 项目光谱宽度输出功率短期稳定度长期稳定度 参数 Δλ1 mW0. 0 0 50. 0 3 2. 2 光电探测器的设计 光探测器是将接收到的光信号转换为电信号, 有以 下要求 1 高灵敏度, 传感器光源发射的光波长为1. 3 1. 7 μm, 探测器应在该工作波长上将光信号转变为电 信号。 2 保真度高, 噪声低, 保证信号质量。 3 响应时间短, 因为检测一氧化碳浓度需要很高的 灵敏度, 所以光探测器应该满足短时间内响应大量信息 的设计要求。 结合以上设计要求, 在改造的传感器中使用I n G a A s P I N p h o t o d i o d e G 8 3 7 1 - 0 3型号的光电二极管, 该型号二 极管的光谱响应范围在1. 91 0. 9 μm, 它的感光响应度 甚至可以达到1. 1 A/W。 2. 3 信号处理系统的设计 一氧化碳传感器的信号处理系统首先将传感器收集 到的数据进行分析处理, 然后对其进行存储记录。将处 理后的数据与之前的数据进行对比, 如果发现信号数据 超过限定, 触发警报系统。此外, 信号处理系统还将电信 号模拟后输出为电压信号, 然后将其放大计算后, 以气体 浓度的形式显示在操作台上[ 5]。这些功能要求信号处理 系统需要吞吐量大, 利用率高, 抗干扰能力强。为了满足 上述要求, 在改造中使用三星公司的S 3 C 4 4 B O X处理器, 单片机使用S S T公司的S S T 8 9 E 5 6 4型号。新的信号处 理系统可以实现自动递增和自动递减的寻址功能, 具有 高效、 低成本和抗干扰性强的特点。 3 传感器改造的软件设计 基于上述硬件设计, 进行软件设计来实现上述各个 硬件的功能。煤矿一氧化碳传感器的软件设计部分分为 信号综合处理系统和系统的输入输出两部分。传感器软 件系统的主程序流程图如图2所示。 图2 煤矿一氧化碳传感器软件设计总流程图 下转第1 1 5页 211 自动化应用 工矿自动化 2 0 2 0年第0 6期 外提供满足OG C标准的WM S、WF S服务; 展现层, 采用 业务矢量数据图层叠加瓦片图层的方式进行图层组织, 应用模块以插件方式实现用户自定义配置。 4 应用效果 4. 1 “ 一张图” 的应用效果 煤矿事故风险分析平台“ 一张图” 综合分析展示煤矿 详细信息, 将瓦斯报警数、 井下人员、 当班产量、 领导带 班、 待处理信息、 安全风险指数的重要信息进行突出展 示。图表展示了人员报警月统计、 环境月报警分析、 月产 量信息统计, 在地图上加载了煤矿的二维矿图, 图层分别 显示环境监测、 工业视频、 机电设备、 人员定位、 调度通 信、 应急广播、 风流、 煤流。具体如图2所示。 4. 2 “ 一张表” 的应用效果 基于“ 一张表” 形式对煤矿基本信息进行展现, 宏观 全面掌握煤矿基本情况。系统可通过一键搜索或高级搜 索方式, 对煤矿信息进行查询。系统展示煤矿企业的基 本信息、 安全生产管理信息和安全生产统计信息。其中, 基本信息包含煤矿基本信息、 三项岗位人员管理信息、 采 煤工作面信息、 井筒信息; 安全生产管理信息包含瓦斯综 合防治信息、 隐患管理系统建设信息、 粉尘危害防治信 息、 高温危害防治信息; 安全生产统计信息包含产量信 息、 三项岗位人员统计信息、 专业技术人员统计信息、 从 业人员统计信息。 5 结论 本文对煤矿事故风险分析平台的总体结构、 核心功 能及应用效果进行了分析, 应用结果表明该系统满足集 团业务一站式监管、 管理、 分析服务的要求, 能提高煤矿 企业的安全生产管理水平, 避免重特大安全事故发生, 保 障企业安全生产的总体目标, 具有极高的应用推广价值。 参考文献 [ 1] 赵宏生.云南煤矿安全监察局煤矿事故风险分析平台建 设项目简析[ J].中国安全生产,2 0 1 8,1 31 1 6 0 - 6 1. [ 2] 金庆军.重庆市煤矿事故风险分析平台初步设计[J].煤 炭科技, 2 0 1 81 1 3 2 - 1 3 5. [ 3] 周浩, 宋保华.大数据在安全生产中 的 作用 [J].安全, 2 0 1 5,3 61 0 8 - 1 1. [ 4] 张剑勇, 陈泽亮, 赵娜.基于物联网的煤炭产量远程监测 系统[ J].科技创新与生产力,2 0 1 13 4 4 - 4 6,5 3. 上接第1 1 2页 在进行数据处理流程设计时, 对传感器收集到的信 号采取数字滤波的措施。采用平均值滤波的方式, 即在 给定时间t内采集n次信号, 然后求其均值。 YtX1X2X3Xn /n 平均值滤波可以防止周期性的干扰作用, 也可以提 高系统的信噪比。在进行检测时, 采集两路采样的电压 幅值, 然后对其进行积分求得平均值。进行多次信号采 样后使用参考通道的电压平均值除以被测通道的电压平 均值, 将该结果取对数, 这个对数结果就是显示的浓度相 关值。 单片机和P C机的串行通信是由单片机发出握手信 号,P C机收到后回复应答信号, 然后准备接收相关信号 数据。而单片机收到P C机发回的应答信号后, 开始发送 数据, 整个挂钩程序完成。如果在过程中传输错误, 重新 从单片机开始发出握手信号, 直至过程完成。 4 结语 针对目前煤矿一氧化碳传感器存在的一些问题, 结 合国内外先进的检测技术, 设计了基于红外的光纤一氧 化碳传感器。首先, 对其原理和构造进行阐述, 结合设计 要求, 然后分别提出了改造后的煤矿一氧化碳传感器的 硬件设计和软件设计。改造后的传感器系统以光纤传输 为基础, 克服了之前效率低、 精度差、 检测范围小的问题, 具有寿命长, 抗干扰能力强, 功效稳定的优点。 参考文献 [ 1] 李 俊 红, 崔 艳, 李 长 青.矿 用 一 氧 化 碳 传 感 器 的 设 计 [ J].工矿自动化1 6 8 - 7 0. [ 2] 邓玉娇, 魏超.矿用一氧化碳传感器 的 设计 [J].软件, 2 0 1 13 9 2 - 9 3,9 6. [ 3] 李龙.浅议矿用P 2 0 3 0 K P型一氧化碳传感器量程改造 [ J].电子世界,2 0 1 42 2 6 1 - 2 6 1,2 6 2. [ 4] 梁双华, 汪云甲, 魏连江.一氧化碳传感器综合优化布置 模型研究[ J].矿业安全与环保,2 0 1 91 6 9 - 7 3. [ 5] 梁双华, 解恒参, 李昌领.一种矿井一氧化碳传感器无盲 区优化布置方法C N 1 0 7 4 5 1 6 9 5 A[ P]. 2 0 1 7 - 1 2 - 0 8. 511 工矿自动化 自动化应用