非色散红外气体检测元件结构设计

2021-03-11文小红

工程技术研究 2021年2期

关键词：红外光气室甲烷

刘帅，蒋韬，文小红，赖建

1.四川省川煤科技有限公司，四川成都 610500

2.四川省恒升煤炭科技开发有限公司，四川成都 610000

3.四川省恒升煤炭科技开发有限公司，四川成都 610000

4.四川省川煤科技有限公司，四川成都 610500

1 红外气体检测元件结构设计思路

非色散红外甲烷检测元件主要是由气室、红外光源、红外探测器（含有两个通道：测量通道和参考通道）、窄带滤光片、气室、信号放大、控制电路以及光源驱动电路组成。非色散红外甲烷检测理论是基于朗伯比尔定律提出的。朗伯比尔定律是分光光度法的基本定律，主要描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系，其适用于待测物为气体或者溶液等均匀物质的情况。根据朗伯比尔定律，当待测气体进入气体吸收腔时，测量通道附近的红外光强度就会呈指数下降。公式表述如下：

式中：I为光通过介质吸收后的出射光强；I0为入射光强（在浓度为零的气体中即干燥空气中的出射光强）；K为固定系数，取决于气体的吸收谱线、滤光片的频带宽度；L为光源和探测器之间的光程；C为待测气体的浓度。由式（1）可以确定气体浓度C。对于测量通道输出可以做一个对应的电压转换，即

式中：V为在被测气体中的探测器输出电压；V0为在干燥空气中的探测器输出电压。

式（2）就是所谓的吸收率，记为FA。结合式（1）和式（2）得到下式：

由式（3）可知，要想保证光吸收的效果，必须构建出表面十分平整光滑，达到近似镜面反射的环境，从而提高输出信号幅度的要求。又根据气室红外甲烷检测系统的特点（如图1所示），进行了红外甲烷检测元件的结构设计（如图2所示）。

图1 红外甲烷检测系统

图2 红外甲烷检测元件组成结构

2 红外气体检测元件气室结构设计

利用气体能够吸收红外辐射的特性，需要设计一个腔体，即气室。红外光从外界射入气室内部，进一步辐射到探测器上。如果不考虑任何实际情况，红外光在通过气室的过程中不应出现任何衰减，气室内壁表面近似镜面。采用圆柱形塑料气室可以减少对温度变化的敏感性，这样就降低了温度变化对红外探测器输出的影响。气室的CAD结构如图3所示。

图3 气室CAD结构

在气室弯管上的小圆孔为进光孔，红外光通过进光孔进入气室内的弯管，与红外探测器进行反应。气室的下半部分的两个大圆孔分别用来安装探测器和红外光源。气室的上下两部分通过螺丝来固定。该气室内部采用镀膜工艺用金对气室进行蒸镀，因此气室表面近似镜面，非常光滑，光线在气室内部的传输近似全反射。

3 红外气体检测元件工艺要求

红外元件的设计考虑到体积小、防锈、防水、防尘、防爆等因素，外壳采用304不锈钢材质，整体用环氧树脂灌封，具有耐腐蚀、防潮的作用。红外元件的电路部分和气室部分应采用内部隔离式结构设计。

工艺要求如下：

（1）在灌封前1h，先调和环氧树脂，环氧树脂及其凝固剂的调和比例为5∶1，并充分调匀。

（2）产品外壳防护等级应符合IP54。

（3）钢网与外壳之间采用焊接方式，满圈焊接固定。

（4）防爆性能符合《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》（GB 3836.1—2010）、《爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》（GB 3836.2—2010）和《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》（GB 3836.4—2010）的相关规定。

（5）性能应符合《煤矿用非色散红外甲烷传感器》（AQ 6211—2008）的相关要求。

4 研究结论

检测元件中气室是红外光传输、气体扩散的场所，对响应时间、测量精度、抗湿度干扰、抗粉尘干扰有重要影响。光源产生的光谱在气室内形成反射、折射，光路传输路径及光路长度主要由气室的光路结构决定，文章将红外气体检测元件光路采用修正的阿基米德螺旋线型红外光传输通道，用光学仿真软件对红外光反射测试、传输路径和光强分布进行理论计算，得到最优设计方案，气室采用精密模具和注塑法制作，保证了气室加工的精密度及一致性。

此外，气室采用有机高分子材料制作，耐酸耐碱、温度稳定性好、抗冲击力强，但表面不够光滑，因此气室表面需做镀金处理。镀层表面要求达到镜面效果，以减小光谱能量的损耗，提高检测灵敏度。