一种煤矿瓦斯多点在线检测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种煤矿瓦斯多点在线检测装置；涉及一种煤矿瓦斯检测装置，具体地说，涉及一种基于甲烷（ＣＨ↓［４］）在近红外波段１６５３ｎｍ附近的特征吸收线的多点ＣＨ↓［４］浓度在线监测装置。本实用新型专利技术包括Ｄ／Ａ转换模块，ＤＦＢ激光器，１＊Ｎ光分路器，开放气室组，参考气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二锁相放大电路，第一、二Ａ／Ｄ转换模块，第一、二、三ＤＤＳ，ＭＣＵ，显示器，串口和计算机。与传统瓦斯气体监测装置相比，本实用新型专利技术具有较高的灵敏度、较高的气体鉴别能力、快速的响应能力、极强的抗干扰能力，以及易于形成网络等诸多优点，因而是目前最适宜于井下使用的一种瓦斯监测装置。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种煤矿瓦斯检测装置，尤其涉及一种煤矿瓦斯多点在线检 测装置；具体地说，涉及一种基于甲烷(CH4)在近红外波长1653nm附近的特征 吸收线而研制的煤矿瓦斯多点在线检测装置。
技术介绍
我国人口众多，矿产丰富；但煤矿瓦斯煤尘爆炸事故严重影响煤矿的安全生 产。煤矿中瓦斯的主要成分是CH4，约占83 89%，瓦斯是煤矿自然灾害的重要 根源。瓦斯达到一定浓度能使人窒息，遇火源爆炸；瓦斯爆炸还极易引起煤尘爆 炸。煤矿中瓦斯突出也是一种强烈的动力现象和严重的灾害，瓦斯事故己占全国 煤矿重大事故总数的70%以上；实时监测瓦斯气体含量、防止其爆炸意义重大。 为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡事故，必须设置能在线实 时快速检测甲烷气体浓度的仪器和设备。目前，我国绝大多数大型国有煤矿的瓦斯预警装置都是一种电催化探测装 置，然而长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校 期频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，因而需要开发一种能实时检测、 安全有效的传感技术。光纤气体传感技术是把光纤作为信号传输通道的传感技 术，是一项正在发展中的具有广阔前景的新型技术。由于光纤本身在传输信息过 程中具有许多特有的性质，如光纤传输信息时能量损耗很小，给远距离遥测带来很大的方便；光纤材料性能稳定，信号不受电磁场干扰，在高温、高压、低温、 强腐蚀等恶劣环境下保持不变；所以光纤传感器从问世到如今， 一直都在飞速地 发展°近年来，采用光纤传感原理设计的便携式光纤传感器和单点在线监测装置不 断问世，但存在成本过高、检测灵敏度不高、没有形成网络化等诸多缺点。
技术实现思路
本技术目的就在于克服现有煤矿瓦斯检测技术存在的缺点和不足，提供 一种煤矿瓦斯多点在线检测装置，它是一种灵敏度高、反应时间短、成本低、稳 定性和可靠性较高的，能够在线实时监测CH4浓度的高精度监测装置。本技术的目的是这样实现的 1、设计原理当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收 强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。根据Beer-Lambert定律，出射光强I与入射光强1。和气体的体积分数之间的关系式 为/ = /0 exp其中a (zi)为气体吸收系数，即气体在一定波长;i处的吸收线型；L为吸收路径的长度； C为气体的浓度。通过各项推导以及傅里叶变换，得出它的一次谐波(f)和二次谐波(2f) 的系数分别为/2/ 二-認oCZJ。二次谐波与一次谐波的比值为~ 一 _ ;rar。CX用二次谐波与一次谐波的比值作为装置的输出，可以获得气体浓度信息，并 且可以消除光源波动等共模噪声。装置的核心部分包括信号源、多点检测、参考气室、装置的控制与反馈、浓 度信号的处理。信号源采用DDS频率合成芯片，输出特定频率的正弦信号，并能控制输出信5号的相位；采用光分路器将光源发出的光分为多束； 采用单光源、多气室、多探测器的结构；采用参考气室，通过单片机控制电子开关进行来回切换，通过对比参考气室 的谐波比值来得出当前气体的浓度，消除了电路参数的偏差带来的测量误差和激 光器波长漂移带来的误差，同时参考气室也检验传感系统是否正常工作；反馈主要有两路， 一路是通过检测谐波比值来调整信号的相位；另一路就是 通过参考气室的方法来锁定激光器的输出波长。2、 具体结构本技术包括D/A转换模块，DFB激光器，WN光分路器，开放气室组， 参考气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二 锁相放大电路，第一、二 A/D转换模块，第一、二、三DDS， MCU，显示器，串 口和计算机；D/A转换模块与A/D转换模块均为MCU内置；MCU分别与第一、二、三DDS连接，并分别对其进行初始化；D/A转换模块和第一 DDS分别接DFB激光器并对其进行调谐；DFB激光器，WN光分路器，开放气室组和参考气室，光电探测器组，前置放大器组和电子开关前后依次连接，实现激光的分路、光电转换、放大和各通道之间的切换，再接带通滤波电路；带通滤波电路的输出分为 一路接第一锁相放大电路，再接MCU内置的第一A/D转换模块；另一路接第二锁相放大电路，再接MCU内置的第二 A/D转换模块； 第二 DDS接第一锁相放大电路，为第一锁相放大电路提供10KHz参考信号；第三DDS接第二锁相放大电路，为第二锁相放大电路提供20KHz参考信号； MCU分别接显示器和串口 ；串口接计算机。3、 工作原理每种气体都有特定的吸收谱线，不同气体对光吸收使光产生不同的特性衰 减。本技术选用中心波长为1653nm的DFB激光器，DDS—路10KHz正弦信 号滤除其中的直流成分以及20KHz以上交流信号后调制到激光器上；通过D/A 控制激光器的偏置电流，以此调节激光器的波长，使其对准CH4气体吸收的中心波长，以达到谐波最大值；用户将开放气室组多点地放入井下，激光通过单模光 纤传输到气室，由于气体的吸收效应，出射光带有气体的浓度信息，通过探测器 将光信号转化为电信号，经前置放大后再经过带通滤波电路进入锁相放大电路； 第一、第二 DDS分别提供10KHz和20KHz正弦信号，通过比较器后得到占空比为 50%的10KHz和20KHz方波信号，分别作为第一、第二锁相放大电路的参考信号， 解调出检测信号中的10KHz和20KHz正弦信号；解调出来的10kHz和20kHz信号 分别经过积分放大电路，滤除交流成分，经MCU的A/D转换模块处理，即可得 10kHz和20kHz信号幅度，得到20KHz与10KHz信号比值，通过数据处理得出气 体浓度值。本技术具有下列优点和积极效果1、 采用中心波长为1653nm的DFB激光器作光源，谱宽较窄，光能主要集中 在甲垸吸收线1653nm处；2、 采用带微孔滤膜的开放气室，气体可以通过微孔滤膜进入气室，气体浓 度跟环境气体浓度保持一致，能很好地实现实时在线监测，而且微孔滤膜还具有 防尘防潮的作用，对气室上的准直器具有保护功能；3、 采用单光源多气室多探测器的结构，具有易于扩展，成本低的优点；4、 采用参考气室，参考气室中充满标准浓度的CH4气体，可以消除激光器 波长漂移带来的误差；5、 信号源采用DDS频率合成芯片，输出特定频率的正弦信号，并能控制输 出信号的相位；6、 采用光纤传输，光纤材料性能稳定，信号不受电磁场干扰，在高温、高 压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变，光纤传输信息时能量损耗很小，给远 距离遥测带来很大的方便。7、 仅开放气室组放置井下，其它功能块都可以放置在地面控制室，实现远 程遥控，实时监测，最大限度保证了人员安全；8、 本装置测试甲烷浓度，分辨率能达到100ppm，单通道响应时间达到5s。 总之，与传统瓦斯气体监测装置相比，本技术具有较高的灵敏度、较高的气体鉴别能力、快速的响应能力、极强的抗干扰能力，以及易于形成网络等诸 多优点，因而是目前最适宜于井下使用的一种瓦斯监测装置。附图说明图l是本技术结构框图2是开放气室结构图。其中1— D/A转换模块；2— DFB激光器；3— l*N光分路器； 4一开放气室组，4. 1—单模传输光纤，4. 2—准直器， 4. 3—六边形气室支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿瓦斯多点在线检测装置，其特征在于：　包括Ｄ／Ａ转换模块，ＤＦＢ激光器，１＊Ｎ光分路器，开放气室组，参考气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二锁相放大电路，第一、二Ａ／Ｄ转换模块，第一、二、三ＤＤＳ， ＭＣＵ，显示器，串口和计算机；　Ｄ／Ａ转换模块与Ａ／Ｄ转换模块均为ＭＣＵ内置；　ＭＣＵ分别与第一、二、三ＤＤＳ连接，并分别对其进行初始化；　Ｄ／Ａ转换模块和第一ＤＤＳ分别接ＤＦＢ激光器并对其进行调谐；　ＤＦＢ激光器， １＊Ｎ光分路器，开放气室组和参考气室，光电探测器组，前置放大器组和电子开关前后依次连接，实现激光的分路、光电转换、放大和各通道之间的切换，再接带通滤波电路；　带通滤波电路的输出分为两路：一路接第一锁相放大电路，再接ＭＣＵ内置的第一Ａ／ Ｄ转换模块；另一路接第二锁相放大电路，再接ＭＣＵ内置的第二Ａ／Ｄ转换模块；　第二ＤＤＳ接第一锁相放大电路，为第一锁相放大电路提供１０ＫＨｚ参考信号；第三ＤＤＳ接第二锁相放大电路，为第二锁相放大电路提供２０ＫＨｚ参考信号；　ＭＣＵ 分别接显示器和串口；串口接计算机。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：向雄，林楠，宋玲艳，黄国涛，樊士彬，曾宪勇，
申请(专利权)人：武汉电信器件有限公司，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]