單光束非色散紅外氣體感應器以及含有單光束非色散紅外氣體感應器的礦工頭盔的製作方法

2023-12-06 10:11:31

單光束非色散紅外氣體感應器以及含有單光束非色散紅外氣體感應器的礦工頭盔的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種單光束非色散紅外氣體感應器以及含有單光束非色散紅外氣體感應器的礦工頭盔，用於檢測待檢氣體的濃度，該單光束非色散紅外氣體感應器能夠長時間保持輸出穩定，同時具有尺寸小、造價低的優點。因此，本實用新型特別適合用於地下礦井開採過程中的甲烷、水蒸氣監測，能夠有效地預防地下礦井中甲烷爆炸和/或洪水危險的產生。
【專利說明】單光束非色散紅外氣體感應器以及含有單光束非色散紅外氣體感應器的礦工頭盔
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種單光束非色散紅外氣體感應器，主要用於探測、預警礦井中危險氣體狀況，屬於氣體應用領域。
[0002]本實用新型還涉及一種採用上述單光束非色散紅外氣體感應器的礦工頭盔。
【背景技術】
[0003]最近幾十年，非色散紅外(NDIR)探測技術逐步在氣體分析行業的氣體探測方面得到應用。非色散紅外探測技術的工作原理是光譜吸收法:通過檢測氣體透射光強或反射光強的變化來檢測氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收(或輻射)譜特徵，光源的發射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產生吸收，吸收後的光強將發生變化，因而具有高度的選擇特性。當一束光強為輸入光的平行光通過充有氣體的氣室時，如果光源光譜覆蓋一個氣體吸收線，光通過氣體時發生衰減，根據Beer-Lambert定律，即可推算出相應的濃度。由此可知，基於非色散紅外探測技術的氣體分析器是利用待測氣體分子在紅外波段的特徵吸收譜線，實現相應氣體濃度的快速準確檢測。另外，非色散紅外探測技術中的「非色散」是通過採用色散元件(該色散元件通常是指窄帶濾光器或紅外透射濾波器，而不是指稜鏡或衍射光柵這類的分散元件)實現的，採用色散元件的目的在於能夠測量到與待測氣體強吸收帶一致的特殊波段上的輻射。
[0004]因此，非色散紅外探測技術具有測量快速準確、靈敏度高、工作穩定、操作容易、工作壽命長等優點，在氣體分析行業被看作是最好的氣體測量方法之一。但是，現階段基於非色散紅外探測技術製造的非色散紅外氣體感應器在礦工開採過程中仍然未得到廣泛應用，理由如下:
[0005]第一、現有的非色散紅外氣體感應器對於礦工開採的氣體監測來說，質量並不可
罪:
[0006]礦工在低下礦井中工作時，一般需要配備個人甲烷(CH4)感應器以及個人露點(水蒸氣)感應器。配備個人甲烷(CH4)感應器的目的是礦工在煤礦等礦物開採過程中遇到或打開所謂的「甲烷包」時，能預先探測到接近爆炸極限水平的氣體濃度。由於甲烷沒有氣味，如果不配備個人甲烷感應器，當有「甲烷包」被打開時，在地下工作的礦工就沒有辦法獲得這種致命情況的警示。如果礦工未注意到這種危險的工作環境，繼續挖掘煤礦床，從而煤礦會跟往常一樣產生火花。最終，在迅速達到甲烷的最低爆炸極限後，就會在地下引發爆炸。配備個人露點(水蒸氣)感應器的目的是礦工在開採(煤或其他礦物)過程中遇到地下儲水池時，能探測到其工作區域空氣中水蒸氣的急劇上升，當所探測到的水蒸氣壓上升速率超過了一定的無法解釋的高水準，則應立即警示礦工小心遇到地下「儲水池」，從而留意到潛在的洪水危險，避免繼續挖掘作業帶來的事故，否則在礦工不知道他們挖到了儲水池並繼續挖掘的情況下，可能會發生洪水。一旦洪水真的發生，不僅是離洪水極近的工人會被溺亡，就連附件礦區的工人也可能會被溺亡。而且，部分或全部地下工作隧道的洪水以及隨後的必要清理行動都會給受災礦區帶來沉重的財務負擔。
[0007]但是，目前使用的氣體感應器，即便是基於非色散紅外探測技術製造的非色散紅外氣體感應器，質量也不是很可靠，常常在使用一段時間後就會出現輸出漂移，因此，為保證該非色散紅外氣體感應器的測量準確度以及靈敏度，往往每隔半年或者一年就需要進行重新校準維護服務，增加使用成本；
[0008]第二、現有的非色散紅外氣體感應器尺寸太大
[0009]非色散紅外氣體感應器在剛面世時，其長、寬、高三維尺寸都達數英寸，近幾年，隨著相關科學技術進步，其三維尺寸得到大幅縮減，但是，將這種非色散紅外氣體感應器應用於礦工開採過程中的氣體監測用具來說，尺寸還是較大，還需進一步減小。為使其能夠在礦工開採過程中得到廣泛應用，應該將其尺寸縮減至拇指大小；
[0010]第三、現有的非色散紅外氣體感應器造價太高
[0011]40年前，一個非色散紅外氣體感應器(如醫用C02)可以賣到超過I萬美元一個；直到二十世紀90年代早期，非色散紅外氣體感應器(如C02)的銷售單價才降到了 500美元以下；如今，非色散紅外氣體感應器(如C02)的銷售單價大約為200美元，表明該類感應器的單個生產成本已降到了 50美元左右或更低。但是，將非色散紅外氣體感應器作為礦工開採過程中的氣體監測用具來說，其造價仍然太高；對於該用途，非色散紅外甲烷或露點(水蒸氣)氣體感應器的單個生產成本必須降到10美元以下。
實用新型內容
[0012]本實用新型針對現有的非色散紅外氣體感應器未得到廣泛應用的三大原因，特別是在保護處於地下工作的礦工免受甲烷爆炸和/或洪水帶來致命危險的用途中未得到廣泛應用的原因，提供一種單光束非色散紅外氣體感應器，該單光束非色散紅外氣體感應器能夠長時間保持輸出穩定，同時具有尺寸小、造價低的優點。因此，本實用新型特別適合用於地下礦井開採過程中的甲烷、水蒸氣監測，能夠有效地預防地下礦井中甲烷爆炸和/或洪水危險的產生。
[0013]為實現以上的技術目的，本實用新型將採取以下的技術方案:
[0014]一種單光束非色散紅外氣體感應器，用於檢測待檢氣體的濃度，包括波導管試驗室區塊以及印製電路板；波導管試驗室區塊包括波導管，該波導管的兩端分別安裝一個紅外線溫差源發生器以及一個紅外檢測器，紅外線溫差源發生器的發射口與紅外檢測器的檢測口相對設置，且紅外檢測器配置色散元件，該色散元件與待檢氣體在紅外線溫差源發生器與紅外檢測器之間的強吸收帶一致；所述波導管的管體上開設空氣進口 ；印製電路板上安裝有中央處理單元，紅外線溫差源發生器通過電壓驅動電路與中央處理單元連接，紅外檢測器通過信號處理電路與中央處理單元連接，另外，中央處理單元還分別與功率調節電路、指示裝置連接；紅外線溫差源發生器在中央處理單元的控制下，通過功率調節電路對電壓驅動電路的調節作用，從紅外線溫差源發生器發射口經波導管管腔向紅外檢測器檢測口交替發射單一高溫紅外射線源和單一低溫紅外射線源；信號處理電路在中央處理單元的控制下，分別採集單一高溫紅外射線源對應的信號輸出和單一低溫紅外射線源對應的參考輸出；中央處理單元根據單一高溫紅外射線源對應的信號輸出和單一低溫紅外射線源對應的參考輸出之間的吸收偏差，確定待檢氣體的濃度；中央處理單元根據待檢氣體的濃度以及預先設定的報警條件，自動控制指示裝置的工作狀態。
[0015]所述色散元件為窄帶濾光片。
[0016]所述的待檢氣體為甲烷；所述報警條件為高得異常的甲烷濃度水平增長率，該高得異常的甲烷濃度水平增長率為IOOOppm/分鐘的單調速率，當待檢氣體的濃度以IOOOppm/分鐘的單調速率增長時，觸發指示裝置報警；或者為甲烷濃度高於500ppm而總體上又低於甲烷爆炸限值的甲烷升高濃度，甲烷的上升濃度為lOOOOppm，當待檢氣體的濃度高於500ppm而總體上又低於甲烷爆炸限值的甲烷升高濃度時，觸發指示裝置報警。
[0017]中央處理單元預先設定環境閾值，當待檢氣體濃度低於環境閾值時，中央處理單元通過指示裝置提示校準。
[0018]所述的待檢氣體為水蒸氣，報警條件為短時間內高得異常的水蒸氣增長率，該短時間內高得異常的水蒸氣增長率為10分鐘內水蒸氣壓力的單調增速達到30mmHg/分鐘，當待檢氣體的濃度達到該報警條件時，觸發指示裝置報警。
[0019]所述單光束非色散紅外氣體感應器封裝在保護外殼中。
[0020]所述空氣進口配置空氣過濾器。
[0021]本實用新型的另一技術目的是提供一種包含上述單光束非色散紅外氣體感應器的礦工頭盔，包括礦工頭盔本體，該礦工頭盔本體上安裝有單光束非色散紅外氣體感應器以及視覺指示器，所述視覺指示器位於礦工頭盔本體後方，且視覺指示器與單光束非色散紅外氣體感應器的指示裝置電連接。
[0022]所述視覺指示器包括用於顯示單光束非色散紅外氣體感應器工作狀態的第一視覺指示裝置以及用於顯示指示裝置工作狀態的第二視覺指示裝置。
[0023]所述礦工頭盔本體上還安裝有用於警示指示裝置工作狀態的聲音報警裝置，該聲音報警裝置與指示裝置電連接。
[0024]所述單光束非色散紅外氣體感應器通過保護外殼安裝在礦工頭盔本體上。
[0025]根據以上的技術方案，相應於現有技術，本實用新型具有以下的優點:
[0026]本實用新型採用由一個紅外線源和一個探測器構成的溫差源技術，以在不同的時間點形成與傳統單光束雙波長探測方法功能等同的「單光束雙波長法」，由於不同時間點的雙波長均共用同一個色散元件，因此，解決了原非色散紅外氣體感應器輸出漂移的問題，即本申請具有長時間保持輸出穩定的優點。另外，通過本實用新型的結構可知，本申請能夠極大地縮減產品尺寸，降低生產成本，從而使得本實用新型能夠在礦工開採過程中得到廣泛應用，降低礦難發生頻率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本實用新型所採用的單光束非色散紅外氣體感應器的結構示意圖；
[0028]圖2是將單光束非色散紅外氣體感應器安裝到礦工頭盔上的結構示意圖；
[0029]其中:紅外線溫差源發生器I ;紅外檢測器2 ;波導管試驗室區塊3 ;波導管4 ;空氣進口 5 ;螺紋安裝孔6 ;玻璃膠7 ;印製電路板8 ;電壓驅動電路9 ;中央處理單元10 ;信號處理電路單元11 ;功率調節電路12 ;指示裝置13 ;礦工頭盔本體14 ;單光束非色散紅外氣體感應器15 ;保護外殼16 ;螺釘17 ;綠色指示燈18 ;紅色指示燈19 ;警報器20 ；白色LED燈21。【具體實施方式】
[0030]附圖非限制性地公開了本實用新型所涉及優選實施例的結構示意圖；以下將結合附圖詳細地說明本實用新型的技術方案。
[0031]本實用新型的主要目標是，通過消除或糾正現有非色散紅外氣體感應器輸出漂移、大尺寸以及高成本問題，使其得到廣泛應用。此外，本實用新型將其獨特用途定位於地下作業的礦工所使用的氣體感應器，其可使礦工注意到甲烷爆炸或地下洪水的危險，避免當今煤礦作業過程中礦難的頻繁發生。
[0032]本實用新型所述的單光束非色散紅外氣體感應器，用於檢測待檢氣體的濃度，如圖1所示，包括波導管試驗室區塊以及印製電路板；波導管試驗室區塊包括波導管，該波導管的兩端分別安裝一個紅外線溫差源發生器以及一個紅外檢測器，紅外線溫差源發生器的發射口與紅外檢測器的檢測口相對設置，且紅外檢測器配置色散元件，該色散元件與待檢氣體在紅外線溫差源發生器與紅外檢測器之間的強吸收帶一致；所述波導管的管體上開設空氣進口，該空氣進口配置空氣過濾器；印製電路板上安裝有中央處理單元，紅外線溫差源發生器通過電壓驅動電路與中央處理單元連接，紅外檢測器通過信號處理電路與中央處理單元連接，另外，中央處理單元還分別與功率調節電路、指示裝置連接；紅外線溫差源發生器在中央處理單元的控制下，通過功率調節電路對電壓驅動電路的調節作用，從紅外線溫差源發生器發射口經波導管管腔向紅外檢測器檢測口交替發射單一高溫紅外射線源和單一低溫紅外射線源；信號處理電路在中央處理單元的控制下，分別採集單一高溫紅外射線源對應的信號輸出和單一低溫紅外射線源對應的參考輸出；中央處理單元根據單一高溫紅外射線源對應的信號輸出和單一低溫紅外射線源對應的參考輸出之間的吸收偏差，確定待檢氣體的濃度；中央處理單元根據待檢氣體的濃度以及預先設定的報警條件，自動控制指示裝置的工作狀態。
[0033]為實現本實用新型所述的與傳統雙光束技術具有同等功能的單光束雙波長探測方法，本實用新型參照了美國專利(1991)5026992以及美國專利8143581。
[0034]根據5026992號美國專利(1991)記載可知，為了達到不同的操作黑體溫度，可以根據Planck的輻射曲線，通過將輻射調到不同的功率水平，改變黑體源的光譜特性輸出。由於經常脈衝雙光氣體傳感技術的紅外線源，這可很容易地實現。因此，通過這樣的操作，可利用光源的不同光譜輸出特性，在不同的時間點創造出兩個光束。另外，上述專利文獻還簡要介紹了由一個紅外線源和一個探測器構成的溫差源技術或所謂的單光束方法技術，該技術可以創造一個參考通道和一個信號通道。本實用新型就是利用的這一事實:當源溫度非常低時，利用低幅度原驅動循環作為參考通道，隨後當溫度相對較高時，利用高幅度原驅動循環作為信號通道。
[0035]8143581號美國專利介紹了為給待測氣體提供傳感器標定，應如何創造參考通道和信號通道之間的吸收偏差。如果在當前單光束途徑的參考通道(低幅源驅動)和信號通道(高幅源驅動)之間也可創造類似的吸收偏差，那麼目前實用新型的單光束途徑的感應器輸出也會隨著時間的變化而保持穩定。採用8，143，581號美國專利提出的方法，參考通道探測器和信號通道探測器都必須帶具有同樣光譜特性的窄帶通濾波器，也就是相同的CWL和FWHM。因此，超出參考通道探測器輸出比率的信號通道探測器輸出比率不會受到因時間流逝而發生的老化現象的影響。在當前實用新型的溫差源單光束方法中，本條件已自動滿足了，因為參考通道和信號通道公用同一個探測器，該探測器具有相同的濾波器而只是在不同的時間點進行的操作。
[0036]為了達到相同的穩定輸出性能特性，當前實用新型使用了關鍵傳感器組件設計功能，該功能可在溫差源單光感應器設計方法的參考通道和信號通道之間創造需要的吸收偏差。申報實用新型的新穎設計功能與安裝和位於紅外檢測器前面的窄帶濾光片的戰略設計有關。通過設計濾波器的中心波長(CWL)，將關注氣體吸收帶的最突出部分與窄到可以覆蓋吸收帶的同一突出部分的濾波器半峰全寬重疊。通過探測器輸出信號可反應出關注氣體的輻射吸收量，這將會是光源光譜輸出的一個強大功能。對目前的單光束感應器設計方法來說，由於當參考通道受到低電壓幅度驅動，而信息通道受到更高電壓幅度驅動時，前者的光源光譜輸出不同於後者，這樣參考通道和信號通道的探測器信號輸出也會有所不同。這樣，為了使這種單光束非色散紅外氣體感應器隨著時間推移能一直保持顯著穩定，溫差源單光感應器設計方法的窄帶濾光片戰略設計功能就可提供在8，143，581號美國專利中講述的充足吸收偏差。
[0037]結果證明，本實用新型揭示的非色散紅外氣體感應器溫差源單光束感應器設計方法不僅滿意地解決了氣體感應器不能長時間保持穩定的問題，還設計出了非常緊湊的非色散紅外氣體感應器，其單個生產成本非常低廉。此外，這種設計方法可使，專門為可被煤礦礦工在地下用於探測即將發生的甲烷爆炸或洪水危險的非色散紅外氣體感應器，提供的特殊功能得到充分實。
[0038]圖1描繪了當前實用新型的溫差源單光束感應器示意圖，包括機械和電路布局。如圖1所示，紅外線溫差源發生器I與紅外檢測器2被安裝在一個鋁製波導管試樣室區塊3的兩端，波導管試樣室區塊3主要由一個連接光源I與檢測器2的開發導管4組成。外部空氣可以通過4個空氣進口 5自由地流入或流出波導管4，每個空氣進口都配置一個高性能空氣過濾器(未在圖1中顯示)。鋁製波導管試樣室區塊開設4個自攻螺紋安裝孔6，它們用來固定感應器的鋁製保護蓋(未在圖1中顯示)。鋁製保護蓋的功能會在下文中進行描述和解釋。除了被焊接在位於鋁製波導管試樣室區塊3下方並支撐著該區塊的印製電路板上(未在圖1中顯示)之外，紅外線溫差源發生器I和紅外檢測器2都被注入了玻璃膠7進行保護，這作為一個附加方式可確保當前實用新型的感應器從機械設計方面考慮也是真正安全的。
[0039]圖1所描繪的印製電路板8包含當前實用新型的感應器的所有電路組件。紅外線源I與電壓驅動電路9相連，而電壓驅動電路9依次又與中央處理單元(CPU) 10相連。紅外檢測器2與信號處理電路單元11相連，而信號處理電路單元11也與CPUlO相連。為完成當前實用新型感應器的整體電路布局，印製電路板8還覆蓋著功率調節電路12及一個指示裝置13，該裝置包含了警報器、準備指示燈和警示燈。
[0040]當前實用新型的單光束非色散紅外氣體感應器代表著其級別內最簡單的可能設計。感應器不僅能長時間保持卓越的輸出穩定性，在其實現量產(>100萬個)後，其單位生產成本也能降到只有幾美元，並且其總體尺寸也絕對可以達到2.50" x0.5" x0.5"。到時，當前實用新型的單光束感應器就能完全克服前文提到的阻礙非色散紅外氣體感應器得到廣泛應用的三大原因，也就是感應器長時間的輸出穩定性、感應器尺寸以及感應器量產後的單位生產成本。
[0041]特別令人滿意和值得注意的是，當前實用新型的單光束非色散紅外氣體感應器非常適合用於生產非色散紅外甲烷和露點感應器，這些感應器在地下礦井中用於消除將要面臨的甲烷爆炸或洪水危險。首先，眾所周知的是，只要關注氣體在紅外線波段內有強吸收帶，非色散紅外探測技術就可用於檢測任何氣體，如此以來就可設計一個合適的窄帶濾光片來對其加以利用。這樣，為了將當前實用新型的單光束非色散氣體感應技術用於甲烷和水蒸氣的檢測，就需要將合適的濾波器安裝到紅外檢測器的前面。為了檢測甲烷，濾波器的中心波長(CWL)就應為?3.38p，而其半峰全寬則應超出?0.19p的波段。為了檢測水蒸氣，濾波器應為:CWL=?2.57p且FWHM=?0.16p。
[0042]除了為當前實用新型的單光束非色散紅外氣體感應器提供正確的濾波器之外，為了 I)滿足氣體感應器在地下礦井中操作的所有安全要求和2)充分利用在地下工作的礦工們的特殊氣體檢測環境，必須進行一些修改。為了符合礦井的安全要求，當前實用新型的但光束非色散紅外氣體感應器的一個重要功能就是其必須真正安全。如圖1所示，目前的設計充分考慮了本功能，
[0043]所以才用矽酮密封劑7將光源I和檢測器2 (見圖1)後面的空間填滿。試樣室3本身是一塊只有一個由它製成的導管的純硬鋁，就像試樣室一樣連接著光源I和檢測器2，從機械觀點來說，這一事實連同這一功能會使感應器真正安全。由於感應器的所有電子電路都是在3.0VDC下運行的，從電氣角度來看，感應器的設計也是真正安全的。
[0044]這裡要著重說明的是，當前實用新型的非色散紅外單光束氣體感應器進行了專門設計，主要用於防止地下煤礦中致命的礦井爆炸或洪水，該感應器在探測到甲烷或水蒸氣濃度水平升高速率達到危險程度時，會向礦工發出警報。對於這一特殊用途，可以運用的感應器的設計有多種獨特的操作環境。首先，為了實現對礦工面臨的潛在地下甲烷爆炸或洪水發出警告的功能，在地下作業的每位礦工的附近都應配備一個個人感應器；所有作業礦工及附件的礦工都應能夠察覺到氣體感應器發出的警報。但是，感應器可能會因佩戴在腰帶造成磨損，因此最好將其安裝在礦工頭盔後部如圖2所示的14號位置。如圖2所示，當前實用新型的單光束非色散紅外甲烷感應器(或水蒸氣感應器)15由一個金屬(如，鋁)保護蓋16封裝，並用兩個螺絲釘17合適地固定在礦工頭盔14的後部。位於感應器印製電路板(PCB)S上的綠色「正常」LED指示燈，在感應器通電、正常運轉及準備執行報警功能時，發出綠光。紅色的「警告」指示燈19也位於感應器的PCB8 (見圖1)上，當到達或超過氣體檢測警報限制時，發出紅光。與此同時，警報器20也會發出響亮的報警聲(>90db)，警報器也裝在感應器的PCB8上。圖2中還有一個明亮的白色LED燈21，安裝在礦工頭盔前方的14號位置。該明亮的白色LED燈21由位於頭盔內部14號位置(圖2未顯示)的可充電蓄電池組供電。當前實用新型的甲烷(或水蒸氣)感應器也由相同的可充電蓄電池組供電(圖2未顯示接線方式)。
[0045]按照申報的實用新型，甲烷或水蒸氣感應器可以加裝到現有的礦工安全帽上，或納入到新制頭盔的設計中。在改裝現有頭盔時，加上一個與頭盔外表面相符的底座並保護底座外殼都很方便。底座可以通過頭盔上的鑽孔和幾個固件固定在頭盔上，同時外殼也可以用相同的幾個固件將其固定。底座和外殼採用金屬材料更好，最好是鋁。外殼應有多個開孔，在孔上覆蓋一個或多個允許氣體進入外殼的濾波器，同時還要阻止煤灰進入從而接觸到安裝在外殼內部的感應器。所有這些濾波器最好都易於拆卸，這樣在他們被阻塞後就可將其更換，但是濾波器不應阻礙燈光透出小孔，這樣透過小孔就能看見安裝在外殼內部的LED燈發出的光線，如能保證外殼內部發生的都是鏡面反射，此時可見性就會更好。對於新制頭盔來說，可將上文提到的各種部件納入到頭盔設計中，而無需進行改裝。無論是改造頭盔還是新制頭盔，最好都應將感應器安裝在礦工頭盔的外部而非內部，因為內部的氣體流動更有限。
[0046]按上述方法將當前實用新型的甲烷(或水蒸氣)傳感器方便地安裝到礦工頭盔的後部，就可運用此用途的幾個方面。最重要的一點是，在地下煤礦中作業的礦工會始終戴著一頂前方裝有明亮的LED燈的頭盔。從感應器的報警功能來看，礦工安全帽後方的感應器位置只要能讓感應器達到最佳效果就好。不論礦工在哪裡作業，感應器都要始終伴隨礦工，而這也是感應器最重要的功能之一。第二，感應器可容易地從頭盔的相同可充電蓄電池組獲得電源，還由於礦工在地下作業時其燈光必須隨時保持，所以感應器必須一直要有充足的電源。第三，因為感應器隨時都在礦工的頭盔上，感應器的綠色LED閃光燈會一直提醒礦工在其下井作業前，甲烷感應器一直顯示正常。最後，紅色LED報警燈會在作業中礦工的頭盔後部閃爍，這使得礦工在聽到警報聲後，可以有效地將報警信息傳遞給其同一區域的在其後面作業的其他礦工。這可提供防止地下煤礦潛在甲烷爆炸或洪水的雙重警報。
[0047]將當前實用新型的感應器安裝在礦工安頭盔後方是最佳選擇，但是由於上述原因，申報實用新型物的安裝位置不僅僅限制在此，因為其他由礦工個人安排的安裝位置也能給他們帶來安全保護。例如，可以設計一個能夠在綁系在礦工腰帶或其它服飾上的外殼，甚至可以將該外殼作為一種臂章，或通過其它方法、途徑佩戴外殼，這樣，只要該保護裝置便於攜帶、方便、不易遺落、不因電源耗盡功能失效，礦工就能時時刻刻攜帶在身。但是，就使用的簡便性和引發警報的適宜性而言，該安裝位置存在一些潛在缺點。如果礦工頭盔內沒有安裝個人警報裝置，就需要安裝一個聲音報警器和/或使聲音報警器與震動警報器或其它報警裝置相連，這樣礦工就能使用該裝置很容易察覺出緊急狀況。除此之外，如果沒有一個或更多額外的警報機制，附近礦工可能無法察覺出警報。例如，礦工佩戴在腰帶上的個人警報裝置也能夠觸發安裝在礦工頭盔上的獨立可見報警器，或某處礦工佩戴的一個或多個可見報警器。因此，對於沒有安裝在礦工頭盔上的個人警報裝置，很有必要進行設計，這樣使用他們的礦工、極為靠近使用礦工的其它礦工能夠輕易察覺警報。
[0048]當前實用新型的非色散紅外單光束甲烷感應器，設計了兩個報警檢測標準。第一個標準是基於探測到的礦井作業區甲烷濃度水平的過高上升率。甲烷在典型地上空氣中的爆炸下限為?4.60%或?46，OOOppm，而地下煤礦中的典型甲烷濃度水平為?500ppm或更低，在10分鐘內單調增長率達到1，OOOppm/分鐘時，在達到LEL之間允許礦工撤離作業區的時間至少有?30分鐘，這樣的增速對第一個報警標準來說是充足的。第二個報警標準是基於作業區任何時候探測到的實際甲烷濃度水平來制定的。該報警水平設定為?10，OOOppm甲燒。檢測到的甲燒報警水平遠低於甲燒爆炸的下限值(?46，OOOppm),這就使得工人們擁有充足的時間從作業區撤離並向相關部門匯報這一危險情況。
[0049]對當前實用新型的水蒸氣感應器來說，只設定了一個觸發警報的檢測標準，因為水蒸氣沒有下限值。只有當工地上出乎意料地或突然地出現大量水時，才可能觸發水蒸氣感應器報警。甚至連作業區檢測到的絕對水蒸氣壓力水平都不能用作報警標準，因為這個值一個可能隨著時間變化而變化的變量。然而，如果報警標準是基於短時間內探測到的超高的水蒸氣上升率而制定的，那麼就可能是作業區突然出現了大量的水，也可能是工人正挖到一個地下儲水池的前兆。現在實用新型的水蒸氣感應器將在10分鐘內水蒸氣壓力的單調增速達到30mmHg/分鐘的高速率時，設定為報警標準。
[0050]當前實用新型的礦井甲烷(或水蒸氣)感應器的一個重要性能特點是其可以長期保持輸出穩定性。然而，相信感應器能夠長期保持精確是一回事，而要驗證其確實如此又完全是另一回事了。如果必須定期檢查當前實用新型的甲烷(或水蒸氣)感應器的精確性:毫無疑問其服務維護開銷會高到無法承受，因為有如此多的礦工都裝備了這樣的感應器。幸運的是，所有礦工在地下工作一定的時間後，就必須回到地上，直到他們下一次輪班。因此，至少對當前實用新型的甲烷感應器來說，在礦工輪班從地下出來後，這就給感應器自動進行校準提供了一個絕佳機會，因為地上甲烷濃度通常低於?50ppm。那樣，在甲烷感應器被重新校準後，甲烷樣品濃度無論何時降到甲烷環境閥值水平(其可能被設為，如:100ppm)以下，甲烷感應器的精度都可有效地保證在+l_50ppm，這一精度足以保證為地下礦井感應器設置的報警標準。
[0051]雖然本文對本實用新型的描述涉及到了某些體現，但那些體現僅代表一些例子，並不限制本實用新型的範圍。在得益於本詳細描述的技術中，源於此的其他體現明顯屬於那些熟練技術。在不偏離以下權利要求定義的實用新型構思的前體下，也可在可替代體現中進行進一步的修改。
【權利要求】
1.一種單光束非色散紅外氣體感應器，用於檢測待檢氣體的濃度，其特徵在於:包括波導管試驗室區塊以及印製電路板；波導管試驗室區塊包括波導管，該波導管的兩端分別安裝一個紅外線溫差源發生器以及一個紅外檢測器，紅外線溫差源發生器的發射口與紅外檢測器的檢測口相對設置，且紅外檢測器配置色散元件，該色散元件與待檢氣體在紅外線溫差源發生器與紅外檢測器之間的強吸收帶一致；所述波導管的管體上開設空氣進口 ；印製電路板上安裝有中央處理單元，紅外線溫差源發生器通過電壓驅動電路與中央處理單元連接，紅外檢測器通過信號處理電路與中央處理單元連接，另外，中央處理單元還分別與功率調節電路、指示裝置連接；紅外線溫差源發生器在中央處理單元的控制下，通過功率調節電路對電壓驅動電路的調節作用，從紅外線溫差源發生器發射口經波導管管腔向紅外檢測器檢測口交替發射單一高溫紅外射線源和單一低溫紅外射線源；信號處理電路在中央處理單元的控制下，分別採集單一高溫紅外射線源對應的信號輸出和單一低溫紅外射線源對應的參考輸出；中央處理單元根據單一高溫紅外射線源對應的信號輸出和單一低溫紅外射線源對應的參考輸出之間的吸收偏差，確定待檢氣體的濃度；中央處理單元根據待檢氣體的濃度以及預先設定的報警條件，自動控制指示裝置的工作狀態。
2.根據權利要求1所述的單光束非色散紅外氣體感應器，其特徵在於:所述色散元件為窄帶濾光片。
3.根據權利要求1或2所述的單光束非色散紅外氣體感應器，其特徵在於:所述的待檢氣體為甲烷；所述報警條件為高得異常的甲烷濃度水平增長率，該高得異常的甲烷濃度水平增長率為IOOOppm/分鐘的單調速率，當待檢氣體的濃度以IOOOppm/分鐘的單調速率增長時，觸發指示裝置報警；或者為甲烷濃度高於500ppm而總體上又低於甲烷爆炸限值的甲烷升高濃度，甲烷的上升濃度為lOOOOppm，當待檢氣體的濃度高於500ppm而總體上又低於甲烷爆炸限值的甲烷升高濃度時，觸發指示裝置報警。
4.根據權利要求3所述的單光束非色散紅外氣體感應器，其特徵在於:中央處理單元預先設定環境閾值，當待檢氣體濃度低於環境閾值時，中央處理單元通過指示裝置提示校準。
5.根據權利要求1或2所述的單光束非色散紅外氣體感應器，其特徵在於:所述的待檢氣體為水蒸氣，報警條件為短時間內高得異常的水蒸氣增長率，該短時間內高得異常的水蒸氣增長率為10分鐘內水蒸氣壓力的單調增速達到30mmHg/分鐘，當待檢氣體的濃度達到該報警條件時，觸發指示裝置報警。
6.根據權利要求1或2所述的單光束非色散紅外氣體感應器，其特徵在於:所述單光束非色散紅外氣體感應器封裝在保護外殼中。
7.根據權利要求1或2所述的單光束非色散紅外氣體感應器，其特徵在於:所述空氣進口配置空氣過濾器。
8.一種包含權利要求1所述的單光束非色散紅外氣體感應器的礦工頭盔，包括礦工頭盔本體，其特徵在於:該礦工頭盔本體上安裝有單光束非色散紅外氣體感應器以及視覺指示器，所述視覺指示器位於礦工頭盔本體後方，且視覺指示器與單光束非色散紅外氣體感應器的指示裝置電連接。
【文檔編號】G01N21/3504GK203758909SQ201320627821
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】孫延鋒, 孫和平, 朱恩龍, 郭健 申請人:天源華威集團有限公司