[发明专利]一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及红外气体探测器，具体涉及一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器。

背景技术

基于非分光红外(NDIR)技术原理的红外气体传感器广泛应用于气体分析的各个领域，为改变煤矿井下安全监测系统一直使用需频繁校对的催化瓦斯传感器的现状，越来越多的研究机构相继开发出用于煤矿井下的基于NDIR原理的红外气体传感器，表明有越来越多的人意识到用更为先进的红外气体传感器来替代长期以来一直在煤矿使用的催化瓦斯传感器已经成为发展趋势。

尽管基于NDIR技术的红外气体传感器在上世纪90年代初就引入我国煤矿试用，但经过了20多年，红外气体传感器仍然未能在煤矿广泛普及推广使用，一直没有既适应于煤矿井下恶劣环境，同时又具有较高性价比，并且能充分体现红外传感器优越性的产品是红外气体传感器长期不能在煤矿大范围推广使用的重要原因。

将原先广泛应用于实验室的红外气体传感器应用于煤矿井下，需要解决的重要问题是传感器必须适应煤矿井下的恶劣工作环境。这个问题如果不能很好得到解决，红外气体传感器在实验室环境中具有的优势将会被环境恶劣所带来的劣势所取代。

在煤矿井下，红外气体传感器除了需克服较长光程需求与体积空间有限的矛盾、防尘防潮与响应时间的矛盾、温度变化与探测器输出信号稳定性的矛盾、水汽影响与探测器输出信号变化等矛盾外，还有一个需要解决的问题就是如何解决环境条件变化对红外传感器计算浓度准确性产生影响的问题。

在影响红外传感器计算浓度准确性的因素中，环境温度的变化是其中一个主要因素，对于因环境温度变化引起的红外传感器计算浓度准确性变化的问题，已经有不少解决方案。

中国专利200620098454.8分别在红外发射组件与红外接收组件中安置微型加热器使发射光源和红外探头处于恒温状态，以减小环境温度变化对传感器计算浓度准确性的影响。除了以上通过主动控制局部温度的技术措施外，用被动方式来适应温度变化的技术也被采用，中国专利200720307032.1、200710063467.0、200720188521.X、200620111569.6均通过增设温度传感器来校准红外传感器计算浓度。

以上专利技术在一定程度上解决了因温度变化所导致的红外气体传感器应用于煤矿井下时所存在的红外传感器计算浓度出现偏差的问题。

除了温度因素外，红外传感器光源光强的变化也是影响红外传感器计算浓度准确性的重要因素。

影响光源光强的因素是多样性的，对于NDIR常采用的广谱光源而言，光强会受光源电压、电流的波动而波动；与普通钨丝光源一样，广谱光源的光强还会随着使用时间的延长而发生变化。在广泛使用的广谱光源中，光源的光强并不是在整个使用过程中保持不变的。在连续工作模式中，光源的光强会随着使用时间的延长先逐渐下降然后逐渐趋近于稳定；但在电调制的脉冲工作模式中，光强会随着使用时间的延长而出现先逐渐减弱，随后又逐渐变强的变化。这就是很多高性能红外气体分析仪都采用机械斩波的方式进行光调制的主要原因。

不少基于电调制的广谱光源红外气体传感器在传感器连续使用几个月后，即使传感器气室没有受到污染，也同样出现光强远远大于标定初期光源强度的情况，其结果是计算浓度低于实际浓度，导致传感器发生这类软失效的主要原因就在于光源光强随工作时间的延长会出现先是平稳减弱然后又逐渐增强直至最终损坏。

在依靠反射光线来延长光程的气室结构中，光强的强弱严重依赖于反射面的反射率。当反射面的反射率发生变化时，光强会相应发生较大的变化。在煤矿井下，煤尘浓度很高，煤尘颗粒大小从几百纳米到几毫米不等，很小的煤尘微粒会逐渐附着于气室内壁上，导致反射面的反射率大幅度下降，这对于基于反射来延长光程的气室结构来说，由此所导致的光强衰减是非常大的，需要鉴别光强的衰减到底是因浓度还是反射面受污染引起的。

此外，煤矿井下频繁通断的大电流用电设备很多，这些用电设备的供电电缆往往与气体传感器的电源线、信号输出线共同布置，供给强电设备的大电流变化必然会影响到传感器的供电，导致传感器光源的电压和电流出现相应的波动，造成即使在温度不变时，红外传感器的光源发射出的光强仍然会出现较大变化的不稳定情况。