[实用新型]一种四系列非分光红外气体传感器

说明书

技术领域

本实用新型是涉及气体传感器，特别是针对当气室中包含待测气体时，通过检测气体对光学辐射通过气室时的吸收，测量气体浓度的气体检测设备。

背景技术

工业矿井生产中瓦斯(主要成分是甲烷)爆炸事故是安全生产的重大威胁，目前国内煤矿安全监控普遍采用催化燃烧传感器检测瓦斯浓度。催化燃烧传感器具有灵敏度高，线性输出，不易受温湿度影响，价格便宜的优点，但催化元件易受有机硅或硫化物的毒化，灵敏度会无征兆的急剧降低，带来极大的安全隐患。而且传感器长时间工作，零点漂移和灵敏度衰减不可避免，必须每隔一段时间调整零点，利用标准气体进行灵敏度校正，有很高的维护成本。

随着国内安全法律法规不断健全，对甲烷气体的检测提出了更高的要求。红外检测技术具有测量范围宽，精度高，选择性好，不会中毒，使用寿命长，功耗低，便于操作和维护等优点，使用越来越广泛。但由于催化燃烧传感器在气体检测仪表中已经广泛使用，如要实现红外检测技术的升级替代，除了控制成本，必须满足机械尺寸和电气接口的完全兼容。

红外甲烷传感器光路检测部分，主要由红外光源，气室和检测器构成。其中红外光源要求辐射的光谱成分稳定，辐射的能量集中在甲烷特征吸收波段范围，时间参数短，体积小，寿命长。目前国内外成熟商业产品采用钨丝灯热辐射型光源，较典型的是德国PerkinElmer Optoelectronics公司的IRL715光源，圆柱状半球面封顶，球面直径3.2mm，高度6.4mm。

检测器将通过气室被甲烷吸收后剩余的红外光能转变为电信号，供后续放大测量用。要求探测率值大，响应速度迅速，可采用高频调制，体积小，寿命长，比较有代表性的是德国InfraTec公司的LIM252热释电检测器，采用TO39封装，直径8.2mm，高度3.5mm。检测器端面有两个2.7×1.5mm的检测和参考窗口。

由于红外检测光线易受温湿度影响，检测器的输出与甲烷浓度非线性，只有在传感器内部实现温湿度补偿，以及输出信号与浓度线性化，才能真正发挥红外检测技术的优势。为实现上述功能，传感器内部必须包括信号调理电路，该电路包括检测器信号前置放大/滤波电路，光源调制电路，温湿度信号放大电路，微处理器单元电路(计算/判断/控制等功能)。该部分需要两块直径20mm的双面电路板，高度6mm左右。

由于传感器工作在易燃易爆环境，须达到隔爆设计要求：底部需要有3mm左右厚度的灌封胶粘剂密封设计；顶部进气端需要有金属隔爆网，疏水性防尘过滤膜(孔径范围0.25～0.45μm)，和多孔镀金金属反射板串联安装设计，这样既保证甲烷自扩散进入气室内部，又能屏蔽大部分外界环境(粉尘和水汽)的干扰。顶部串联设计高度约1.5mm。

目前国内外主流的催化燃烧传感器均采用英国城市技术(City Technology)的四系列设计：传感器直径20.4mm，高度16.6mm。红外甲烷传感器要做成四系列尺寸，如何在此狭小空间内，将红外光源，检测器，信号调理电路合理布局，气室的微型化设计，是技术重点和难点。

为保证获得红外光路气室的设计应该遵循以下原则：红外光路在气室中有足够长光程，能够被甲烷充分吸收；减少多次反射造成折射光能损失和测量误差，红外光线应平行于气室的中心轴；气室内径在20mm左右，太粗会使测量滞后增大，太细削弱光强，降低灵敏度；气室内壁光洁，不吸收红外光，不吸附气体，化学惰性，一般采用黄铜镀金。美国华瑞科学仪器(RAE Systems)将红外光源和检测器(含检测窗口的端面)设计成平行于传感器圆柱壁中轴线的轴，传感器圆柱壁作为凹面反射镜，光路设计成反射式，实现了较为紧凑的四系列尺寸的检测结构(US6469303B1)。但聚焦特征的反射面对红外光源的定位要求较高，检测器的“立式”设计，使气室高度至少要9mm，扣除掉传感器顶部和底部隔爆结构，留给信号调理电路的空间不足，只能在传感器外部进行温湿度补偿和信号线性化处理，这样造成系统噪声大，传感器的通用性差，难以广泛应用。

英国Dynament公司有一个非常经典的光路设计专利号：US2005121614A1。光路绕壳体圆周一圈后，经过两次镜面反射进入检测器，其中环形气室壁沿轴线方向可以有轻微的凹凸，但镜面反射面(墙)必须平整，有很高的表面光洁度。这个设计充分利用了气室圆筒状结构，使光程在有限范围内尽量长；同时考虑到了制作成本，对表面光洁度要求高的零件，只是充当镜面反射墙。