便携式矿用红外瓦斯检测仪的设计

【摘 要】针对现有瓦斯浓度检测仪具有灵敏度低、精度差、寿命短、易受干扰等缺点，本设计利用红外检测技术，设计出了应用于矿井下的红外瓦斯检测仪。实验证明该红外瓦斯检测仪具有灵敏度高、精度高、抗干扰能力强、响应速度快、连续分析能力强等的优点。

【关键词】红外；瓦斯；便携式监测仪；矿用

The design of portable mine-used gas detector with infrared sensor

YE Yu-guang HUANG Hong-chun

（Pingdingshan University， Pingdingshan Henan 467000， China）

【Abstract】The using gas detector have many shortcomings， such as low sensitivity and accuracy， short life， vulnerable to interference， so an portable gas detector is designed for mine with infrared technology. The tests have showed that this portable infrared gas detector has high sensitivity， high precision， anti-interference ability， fast response， and continuous analysis ability and other advantages.

【Key words】Infrared； Gas； Portable detector； Mine-used

0 前言

中国煤炭产量占世界的35%，矿难死亡人数却占世界的80%，而这些事故中80%的事故时由瓦斯爆炸引起的。做好对瓦斯浓度的检测是预防瓦斯事故在煤矿安全预防中的重要环节，为此国家对煤炭安全生产提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”的十二字方针。为保证煤炭企业能够进行安全稳定生产，做好煤矿井中瓦斯气体的实时、快速、精确的浓度检测是十分必要的[1-2]。

目前矿井中瓦斯的监测采用定点监测的方式，放置瓦斯检测仪会随着采掘面的变化而放置的，但对于前期作业的人员来说，这些定点的瓦斯检测仪起不到保护的作用。为保证人员安全，需要给工人设计出便携的瓦斯检测仪，让工人随身携带，随时监测瓦斯浓度，实现前期预警。

常用的瓦斯检测仪，按检测原理可分为：载体催化型、热导型、气敏半导体型和红外型。载体催化型精度高、稳定性好，但选择性差、寿命短；热导型的结构简单，但对低浓度瓦斯反应不准确，易受水蒸汽和氧气的影响；气敏半导体型具有灵敏度高、能耗少、寿命长等的优点，但选择性差，测量范围窄；红外型的精度和灵敏度高、选择性好，但缺点是光路和电路复杂，价格昂贵。

在煤矿复杂的环境条件下，由于红外传型的光路复杂，且易受环境干扰，很少在便携式瓦斯检测仪用红外检测技术，造成现有便携式瓦斯检测仪或选择性差、或精度低、或寿命短等缺点。本设计采用特殊的设计方法设计出了便携式矿用红外瓦斯检测仪，克服了红外技术在矿井下面使用的缺点，提高了便携式矿用红外瓦斯检测仪的性能。

1 系统设计

1.1 总体设计

系统以单片机为核心，通过红外瓦斯传感器将瓦斯浓度传递给单片机，单片机将接收到的数据进行显示、判读报警，同时可以将数据通过UART通信端口传递。其硬件框图如图1所示。

图1 系统的硬件框图

红外传感器采用用双探测器、双光源的传感器，由于其自带串行口输出，整个系统不需要A/D。整个系统的计算量小、需要的引脚不多，因此单片机采用8位的PIC16F1454型号的单片机即可满足要求。

1.2 结构设计

新型矿用红外瓦斯整机设计成本质安全型，防爆结构为本安型Exib（+150℃），符合GB3834.1-2000和GB 3834.4-2000的要求。

外壳由铝合金铸造而成，前后盖之间由橡胶垫密封，防尘、防水。仪器上部的把手便于携带和安装。显示窗口由4位发光数码管组成，数码管显示所检测的瓦斯浓度值。气室的上方是光报警信号；声报警装置在仪器的背面。显示窗口下方是仪器的设定和调节键，通过按键可设定报警值和调零。底端是气室，安放红外传感元件和光源及光学系统，被测气体由扩散方式进入气室。

其中红外光学系统采用开放式，被测气体经扩散或对流进入，打破用气泵和管道吸气的传统方法，减少噪声和电功率，减少整机的体积和重量，方便井下使用。另外主机以全封闭形式，光学系统与主机为一体，由于探测器和电路均在外壳腔体内，与外界只有光路联系，所以整机的抗干扰能力及防尘防水能力很强。

2 产品试验

2.1 瓦斯浓度值标

在实际计算瓦斯浓度时，并不是根据朗伯—比尔吸收定律指数关系来确定浓度值，而是取纯净的甲烷气体和净化空气混合，配成（1～12800）×10-6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。本设计是将一组实际测量的K（透过率）和对应的瓦斯浓度值C存放在存储器中，仪器正常工作时，就根据这些值查表，线性插值，求出被测瓦斯的浓度[3]。

先编一段调试程序，当把已配置好的不同浓度甲烷气体，在25℃温度下，分别以一定进气流速进入封闭的气室，单片机计算得出K值，再调用显示子程序，可以直接显示，方便标定。

2.2 性能测试

本产品在性能测试方面，共进行了精度试验、稳定性试验、工作参数试验、工作温度试验等多方面测试，均达到了国家规定的指标。其中 测量范围为0%～99%；测量误差在0%～1%之间误差小于0.05%，在1%～99%之间误差小于±10%；相应时间为小于30秒。

2.3 工业性运行试验

按照红外瓦斯检测仪工业性运行试验大纲的要求，该产品在某煤业公司对煤矿1号井进行了工业性运行试验。在连续的运行20天后。该产品性能稳定，测量准确，达到了设计的目的。

3 结论

本设计在结构方面进行特殊设计，使红外检测技术用于到环境复杂的矿井中，克服了以往瓦斯检测仪的缺点，为提高矿山安全和保障煤矿工人安全提供了技术保证。

【参考文献】

[1]吕玉祥，赵根爱.基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究[J].光学与光电技术，2006，4（5）：95-97.

[2]田玉鹏.红外检测与诊断技术[M].北京：化学工业出版社，2006：63-77.

[3]康永济.红外线气体分析器[M].化学工业出版社，1993：25-33.

[责任编辑：汤静]

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