礦用甲烷傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王智彬， 趙 丹

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100）

引言

甲烷氣體檢測設(shè)備經(jīng)過多年的發(fā)展，產(chǎn)生了多種檢測方法，但是大部分設(shè)備或方法普遍存在自身缺點(diǎn)，如對高濃度氣體不敏感、檢測范圍小、精度低等。所以需設(shè)計(jì)研發(fā)一種甲烷傳感器來提高甲烷氣體檢測的穩(wěn)定性、高效性、長久性。當(dāng)前，國內(nèi)外在檢測氣體物質(zhì)上較為先進(jìn)的方法普遍采用紅外吸收原理，該方法具有抗毒、抗氧化、高穩(wěn)定性、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦生產(chǎn)中具有很好的應(yīng)用前景。

1 紅外甲烷探測的原理

甲烷氣體分子的吸收光譜是甲烷利用紅外檢測的基礎(chǔ)。甲烷氣體發(fā)射或吸收光譜的波長與甲烷氣體分子的結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系，具有獨(dú)有的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可以通過其光譜來分辨。

當(dāng)有光通過甲烷氣體時(shí)，由于甲烷分子具有特有的結(jié)構(gòu)，會選擇性地吸收部分波長的紅外輻射，剩余的光線透射出來后便形成了甲烷氣體的紅外吸收光譜。不同濃度的甲烷氣體被照射時(shí)，會在氣體光譜儀上的吸收峰位置產(chǎn)生不同的強(qiáng)度信號，強(qiáng)度信號與氣體濃度呈現(xiàn)正比例關(guān)系。利用甲烷氣體光譜的這些特點(diǎn)并結(jié)合特點(diǎn)波長的光對被檢測混合氣體進(jìn)行照射，通過觀察照射后光強(qiáng)度的變化情況，便能確定甲烷氣體的濃度。

2 紅外甲烷傳感器的設(shè)計(jì)思路和方法

紅外甲烷傳感器設(shè)計(jì)的理論依據(jù)是甲烷氣體能夠選擇性地吸收部分紅外光譜。設(shè)計(jì)傳感器的第一步是根據(jù)甲烷氣體的紅外吸收光譜的特點(diǎn)選擇適宜的吸收峰，然后根據(jù)選擇的吸收峰特點(diǎn)選定光源和其他配件。

甲烷分子是正四面體結(jié)構(gòu)，碳?xì)滏I夾角為109.50°，碳?xì)滏I長約為1.1 ?，具有四種振動模式。四種振動會產(chǎn)生四個(gè)與之對應(yīng)的基頻，而且這些基頻全部處于紅外波段。每種振動會對應(yīng)特定的光譜峰值，四種振動對應(yīng)的波長為分別 3.43μm、6.53μm、3.31μm、7.66μm。其中圖1為3.31μm附近甲烷的紅外光譜圖。查甲烷的吸收譜線可知，甲烷氣體分子對于3.31μm和7.66μm波長的光吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)高于1.3μm和1.66μm的波長光的吸收強(qiáng)度。因此本次設(shè)計(jì)選擇3.31μm的光源作為輸出。

圖1 甲烷在3.31μm附近的紅外光譜圖

光源的發(fā)射波長和甲烷氣體吸收的波長相一致時(shí)二者便產(chǎn)生共振，所表現(xiàn)出來的吸收強(qiáng)度與甲烷氣體的濃度直接相關(guān)，二者成正比例，因此通過檢測光的吸收強(qiáng)度便可以測量混合氣體中甲烷氣體的濃度值。

假設(shè)光源輸出強(qiáng)度為I0，光線平行照射混合氣體，入射光經(jīng)過氣體的吸收后，強(qiáng)度會減弱。根據(jù)Beer-Lambert定律，則入射光強(qiáng)I0與出射光強(qiáng)I之間滿足：

式中：C為甲烷氣體濃度；g(λ)為待測CH4氣體分子的吸收線型；L是吸收路徑的長度。對上式進(jìn)行變換得到下式：

對于固定的測試系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)，g（λ）L是定值，因而可以通過測試I與I0得出混合氣體中甲烷的濃度值。

實(shí)際中，甲烷氣體的的紅外吸收光譜寬度很小，僅僅幾個(gè)納米，比測試光源的噪聲還要小，甲烷吸收光譜的信號會混雜在噪聲中難于辨識，因此無法直接利用光譜吸收測量甲烷的含量。要想利用光譜吸收對甲烷含量進(jìn)行測量就必須采用光譜吸收的增強(qiáng)技術(shù)。由Beer-Lambert定律可知，想要提高吸收光譜信號強(qiáng)度可以從兩方面入手：一是提高吸收波長的效率，讓紅外輻射的能量集中在峰值波長處；二是加長吸收氣體的路徑。文章選擇了加長吸收氣體的路徑的方法。加長吸收氣體的路徑的經(jīng)典模型為Ring-down腔。Ring-down腔一般由兩個(gè)高反射率的平面鏡組成，要求平面鏡的反射率高于99.8%，利用光在兩個(gè)平面鏡之間的來回發(fā)射來達(dá)到反復(fù)通過被測氣體，從而增加了入射光被氣體吸收的次數(shù)，即光在氣體中穿過的路徑增加，相當(dāng)于增加了有效作用長度。Ring-down腔損耗很低，可以直接將待測氣體注入其內(nèi)，通過光源輻射在腔體內(nèi)的損耗便能準(zhǔn)確地測定甲烷氣體的吸收情況，進(jìn)而確定其濃度。文中設(shè)計(jì)了一種小型仿Ring-down腔結(jié)構(gòu)的氣室，由漸變折射率透鏡和氣室內(nèi)壁反射鏡組成[1]。由于腔的損耗極低，光可以在其中經(jīng)過多次反射，從而將信號放大數(shù)倍，使得不再需要使用復(fù)雜的調(diào)制方法便可以準(zhǔn)確地測量甲烷氣體的濃度。

3 甲烷傳感器的設(shè)計(jì)

紅外甲烷傳感器由光學(xué)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 紅外氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.1 光路設(shè)計(jì)

光路設(shè)計(jì)中光學(xué)結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容是干涉濾光片的選擇，干涉濾光片具有單色特性，可以對光線起到選擇性的作用。設(shè)計(jì)過程中主要是在測量探測器和參考探測器之前放置窄帶干涉濾光片，對光源中的部分光進(jìn)行選擇。一片作為參考濾光片，選擇與主要干擾組分不吸收的波段，形成參考光路；一片作為測量濾光片，選擇在甲烷氣體特征收光譜段，形成測量光路。由于測量光路和參考光路在同樣的環(huán)境中，避免了因環(huán)境和光源及探測器靈敏度變化引起的誤差，即通過二者的電位差進(jìn)行比較。

3.2 紅外輻射光源的選擇

光源是甲烷傳感器的重要組成部分，直接影響光信號的采集和處理。前文已經(jīng)對甲烷氣體紅外光譜吸收相關(guān)波長進(jìn)行對比，已經(jīng)選定選擇峰值吸收波長是3.31μm。通過查找和選擇滿足3.31μm吸收波長的光源，符合要求的光源基本包括鹵鎢燈、半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）等幾種類型。由于鹵鎢燈輻射效率較低、電調(diào)制困難、發(fā)光譜線較寬，所以不做考慮。只在發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器中選擇，最終選定PerkinElmer生產(chǎn)的IRL715型LED。IRL715型LED可勘測的波長范圍為可見光到4.4μm，滿足3.31μm吸收波長的范圍[2]。

3.3 探測器的選擇

探測器是甲烷傳感器主要的檢測元器件，本次設(shè)計(jì)選擇的是熱型探測器。當(dāng)有光線射入熱型探測器時(shí)，探測器的敏感元器件會受到紅外輻射的影響，發(fā)生溫度上的變化，如探測材料電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化、產(chǎn)生溫差電動勢等情況，探測器通過檢測以上變化情況可以將被測光線中紅外吸收的能量或功率進(jìn)行檢測[3]。前文已經(jīng)選定3.31μm作為特征波長，因此選定了PerkinElmer公司生產(chǎn)的TPS2534熱釋電探測器，該器件由一個(gè)熱敏電阻和兩個(gè)熱電堆芯片構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。探測器工作時(shí)，輸出的電壓信號只與紅外輻射的能量成正比，而與光的波長無關(guān)。在探測器上匹配適宜的濾光片便可以測定甲烷氣體的濃度。

圖3 TPS2534熱釋電探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.4 濾光片的選擇

本文選擇中心波長為3.30 μm的窄帶通濾光片作為信號波長的濾光片，選擇受水分和其他氣體影響較小中心波長為4 μm的濾光片作為參考信號的濾光片，實(shí)現(xiàn)對甲烷氣體的檢測。

3.5 其他部分的設(shè)計(jì)

調(diào)制器選擇的是電學(xué)調(diào)制器，可以簡化結(jié)構(gòu)，避免以往機(jī)械裝置的笨重。信號處理電路包括A/D轉(zhuǎn)換電路和濾波放大電路。微處理單元采用PIC18F4520芯片。另外還設(shè)計(jì)了數(shù)碼管顯示作為氣體濃度的直觀顯示。

4 甲烷傳感器的測試

采用動態(tài)鋼瓶氣動配氣[4]進(jìn)行了紅外甲烷傳感器的測試。在20℃、101.325 kPa的定標(biāo)試驗(yàn)中測量了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置的濃度輸出響應(yīng)，結(jié)果見第64頁表1。發(fā)現(xiàn)該探測器能夠很好地測定出甲烷的濃度變化，誤差值較小，最大誤差7%，能夠滿足實(shí)際要求。同時(shí)為測定傳感器的穩(wěn)定性，進(jìn)行了連續(xù)12 h的檢測，每小時(shí)讀取一次讀數(shù)，數(shù)值偏差很小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 %

5 結(jié)論

1）通過分析，甲烷氣體四個(gè)振動對應(yīng)四個(gè)不同波長，依據(jù)甲烷吸收譜線發(fā)現(xiàn)，3.31μm波長吸收強(qiáng)度最明顯，選定3.31μm的光源作為輸出。

2）光源經(jīng)過照射氣體后一部分會被吸收，會發(fā)生相應(yīng)的衰減，通過測試入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)可以得出混合氣體中甲烷的濃度值。

3）通過紅外甲烷傳感器的設(shè)計(jì)和檢測，傳感器能夠很好地檢測出混合氣體中甲烷的濃度值，最大偏差值7%，并且通過穩(wěn)定性測試，該傳感器經(jīng)過長時(shí)間測試具有很好的穩(wěn)定性。