矿井煤焦气化中多组分气体传感器的设计

袁杰

摘 要：本次设计是基于红外线传感器技术对于煤焦气化过程中的多组分气体（如一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、甲烷（CH4）等）的检测。设计适当的电子系统对传感器系统所得到的数据可以进行有效的转换、处理以及显示。用红外检测传感器实现对煤焦气化过程中的气体成分分析将会更加的智能化、微型化及高性能化。

关键词：煤焦气化；红外多组分气体分析；单片机处理系统

中图分类号： TD84 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）13-157-2

0 引言

我国煤矿生产的安全状况与世界其他产煤大国相比有不小的差距，煤矿安全问题关系到重大的生命财产损失，安全监测更是重中之重，分析研究煤焦气化过程中的多组分气体具有重要意义。红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长范围在0.76um至1000um之间。当红外线在空气中传播时，不同的气体分子只能吸收某一种或某几种波长范围的红外线，这便是利用红外光谱进行定性和定量分析的依据。

1 传感器部分的选择及设计

本次研究所需检测的几种气体的主要吸收峰分布如下：二氧化碳在4.3um附近，甲烷在3.4um附近，一氧化碳在4.7um附近，水的吸收峰值在1.4um和1.9um之间。因此需要在传感器或红外光源前增加一片窄带滤光片。

红外探测器建议使用热电探测器，工作原理是利用红外辐射热效应。通过安装不同的红外滤波片在每个热电探测器前面的入射窗口处，作为不同气体参考光路的分光，可根据检测波长选择相应的红外带通滤波片。二氧化碳可选G2滤光片，一氧化碳可选G1.2滤光片，甲烷可选G5.1滤光片，参考光路可选G20.3滤光片。这四个窄带滤光片对应于各自的测量波长，相互之间没有明显的重叠。

图1中部件1为压板，压紧滤光片通过螺栓与光锥套4连接。部件2为气体特征波长窄带滤光片，平放在光锥套3端部的沉孔中。拧下螺栓，去掉压板1，更换滤光片即可测量其他气体。光锥安装在光锥套4的7个台阶孔中。焊接了7个热释电探测器电路板5通过螺钉固定在光锥套上。探测器装在光锥套4的台阶小孔中，与前端光锥对应，目的是分别接收不同特征波长的红外线。其它所有电子元器件的封装形式均采用表贴类型。电路板与后盖板由套管7隔开。通过螺栓把盖板、电路板、光锥套紧固连接。采用一根10芯屏蔽电缆线将电源线（+12V和地线）与7根信号输出线由盖板6中心孔引出。

2 硬件电路设计

硬件电路由信号放大滤波电路、光源驱动电路、A/D转换电路以及单片机控制电路等几个组成部分。光源驱动电压的波动直接影响到所辐射的红外线的稳定性，所以对于光源应当选用恒压驱动。需要设计高放大倍数、高精度的放大电路，因为热电探测器输出的电压信号微弱。由于信号放大的倍数很大，所以采用两级放大电路。

气体压强信号、经过放大的信号以及环境温度信号等需要通过A/D数模转换才能输入到单片机进行进一步的处理。本设计选用的A/D转换芯片为ADC0809芯片。其中的低压片选端、数字信号输出端、串行信号转换和输出的时钟同步信号都与单片机相连。

系统中所选择的单片机为AT89C51单片机，单片机主要完成的功能有：红外光源的控制，数模转换器的控制，与上位机的串口通信，以及测试过程的控制。

3 软件设计

单片机的程序设计主要采用C语言编程。此设计单片机在完成系统初始化后进行预热，当预热到系统稳定之后，就可测出各个测试通道在各浓度为零时的测量值，以便矫正标定曲线。（如图4）

整个系统的输出电压信号经过A/D转换之后，反映的是几种待测气体对中红外光的吸收情况，根据朗博比尔定律，气体吸收通道和参考通道的输出电压比值。

4 实际测量

在实际烟气监测应用中，为了对比测量时的探测器输出信号和参比探测器输出信号，装一个滤光片阵列模块。测量出的幅值不同是由于探测器的响应率和其对应放大倍数不同引起，不影响参比的作用。对四路信号分别进行小波消噪，求取有效值U1，U2，U3，U4。假设U1，U2，U3分别对应测量光路，U4对应参考光路，用U4/U1，U4/U2，U4/U3的对数值表征SO2，CO，CO2气体的浓度。先对传感器进行静态标定，然后进行测量。（表1）

表1所给出的为二氧化硫及二氧化碳的测量结果，由上表可以看出无论是在较小的干扰或是在较大的干扰下，经过补偿，测量结果的相对误差都在正负百分之五以内，由此可以说明本系统达到了较好的精度。该系统通过结合软硬件技术优势，大大简化此分析仪系统，提高了性价比和可靠性。

参 考 文 献

[1] 王汝琳，王咏涛.红外检测技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] 张永怀，白鹏，刘君华.红外气体分析器[J].分析仪器，2002（3）：36-40.

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[4] 王霞，金伟其，王汝琳.红外气体传感器多光路光学系统设计[J].光学技术，2002，28（2）：152-154.