一種泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度監測系統的製作方法
2023-11-09 19:50:52 7
本發明涉及一種煤礦瓦斯氣體安全監測技術領域，尤其涉及一種泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度監測系統。
背景技術：
在經濟發展和對資源需求量的不斷攀升的同時，由於礦井瓦斯超標引起的各類事故屢見不鮮，造成了重大的經濟損失和人員傷亡，使得煤炭安全生產面臨嚴峻的挑戰。因此必須對井下瓦斯進行有效監控。現有的煤礦瓦斯氣體安全監測系統中的瓦斯傳感器選擇主要有傳統的光幹涉瓦斯測定器和電化學式瓦斯測定器兩種。
傳統的光幹涉瓦斯測定器，採用白熾燈泡作為光源，利用光波對空氣和甲烷折射率不同產生的光程差，引起幹涉條紋移動來實現對不同甲烷濃度的測定。其優點是準確度高，堅固耐用，校正容易，高低濃度均可測量，還可測量二氧化碳濃度；其缺點是濃度指示不直觀，操作繁瑣不利於煤礦對測量數據的管理。
電化學式瓦斯測定器，採用催化燃燒原理，利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起電阻的變化來測定甲烷濃度。其具有檢測速度快，讀數直觀，操作相對方便的優點。但也存在工作溫度高，元件易受硫化物、滷素化合物等的影響，降低使用壽命，在缺氧環境下用可燃氣體報警器檢測時指示值誤差較大等缺點。
因此，有必要設計一種更好的煤礦瓦斯氣體安全監測系統，以解決上述問題的需求。
技術實現要素：
針對現有技術存在的問題，本發明提供一種準確度高，堅固耐用，能實時監測、直觀反映監測點瓦斯氣體濃度變化的泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度監測系統。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度監測系統，包括設置於礦井內多個監測點的泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊，及網絡連接於所述泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊的網絡傳輸模塊及地面監控模塊，所述泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊用於採集井下信息並通過所述網絡傳輸模塊向所述地面監控模塊傳輸數據；
所述泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊包括防爆殼，所述防爆殼內設有光幹涉瓦斯濃度傳感器，所述光幹涉瓦斯濃度傳感器包括殼體，所述殼體設有進氣孔和出氣孔，所述進氣孔用於供採集的瓦斯氣體進入，所述進氣孔連接於過濾室，所述過濾室連接於隔膜式循環氣泵，所述隔膜式循環氣泵通過進氣管連接於氣室，所述氣室包括氣樣室及位於所述氣樣室兩側與其平行設置的空氣室，所述氣樣室的進口連接於所述進氣管，所述氣樣室的出口通過出氣管連接於所述出氣孔，所述氣室的兩端分別設有折光稜鏡和平面鏡，所述折光稜鏡位於所述氣室出口的一端，所述平面鏡位於所述氣室進口的一端，所述平面鏡與所述氣室端面的平光透鏡呈45°角相對放置，所述殼體內還設有聚光鏡和反射稜鏡，所述聚光鏡位於光源和所述平面鏡之間，所述反射稜鏡位於所述平面鏡的出光射線上，所述反射稜鏡的出光射線上設置有測微玻璃，所述測微玻璃與所述反射稜鏡之間放置有物鏡，所述殼體在正對於所述測微玻璃的位置處開設有通光孔，所述通光孔處設有光學鏡頭，所述光學鏡頭的端部設有高解析度線陣CCD。
進一步，所述泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊還包括穩壓變壓器、圖像採集卡、數據轉換傳輸模塊、聲光報警模塊及液晶顯示屏，所述穩壓變壓器用於為所述光幹涉瓦斯濃度傳感器、所述圖像採集卡、所述數據轉換傳輸模塊、所述聲光報警模塊及所述液晶顯示屏供電，所述圖像採集卡用於採集幹涉條紋經所述高解析度線陣CCD轉化的電信號，所述數據轉換傳輸模塊用於處理所述圖像採集卡採集的電信號，所述液晶顯示屏用於顯示監測到的瓦斯濃度值，在瓦斯濃度超標的情況下觸發所述聲光報警模塊，發出警報。
進一步，所述地面監控模塊包括監控計算機、資料庫伺服器和印表機，所述監控計算機用於將收到的數據存儲在所述資料庫伺服器中備份，所述監控計算機與所述資料庫伺服器連接，所述資料庫伺服器用於存儲各監測點的歷史數據和報警記錄，所述監控計算機與所述印表機相連，所述印表機用於列印所需的各種記錄信息。
進一步，所述過濾室包括相互連接的水蒸汽過濾室和二氧化碳過濾室，所述水蒸汽過濾室與所述進氣孔相連，所述二氧化碳過濾室與所述隔膜式循環氣泵相連。
進一步，所述殼體外設有毛細管，所述毛細管通過空氣管道連接於兩個所述空氣室，用於向所述空氣室內通入空氣並平衡氣壓。
進一步，所述出氣管上設有放氣閥。
進一步，所述平面鏡的背面鍍有反射膜。
進一步，所述光學鏡頭包括鏡身、鏡頭和鏡片，所述鏡頭裝設在所述鏡身靠近所述殼體的一端，所述鏡頭通過旋轉調焦，所述鏡片與所述測微玻璃同軸線設置。
進一步，擬定所述測微玻璃與所述鏡片之間的距離為u，所述光學鏡頭焦距為f，所述鏡片與所述高解析度線陣CCD之間的距離為v，則u、f、v之間需滿足f＜u＜2f，v＞2f。
進一步，所述隔膜式循環氣泵包括隔膜泵和電動馬達，所述隔膜泵設有吸氣口和出氣口，所述吸氣口通過管路連接於所述過濾室，所述出氣口連接於所述進氣管，所述電動馬達用於帶動所述隔膜泵的膜運動，以改變所述隔膜泵的容積，實現吸氣或出氣動作。
本發明的有益效果：
在礦井內多個監測點設置泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊，可實現對井下不同區域的實時瓦斯監測，各監測點的瓦斯濃度數據信息均通過網絡傳輸模塊傳輸給地面監控模塊，組建成井下瓦斯濃度光纖網絡測量系統，實現井下瓦斯濃度的實時監測，可以對數據進行實時採集和同步保存，從而研究井下瓦斯濃度的變化規律；
由光源產生的平行光束通過光幹涉瓦斯濃度傳感器的光路後變成兩束幹涉光，該兩束幹涉光產生明暗相間的幹涉條紋，幹涉條紋通過光學鏡頭被清晰的投射到高解析度線陣CCD上，並轉化為電信號波形圖，供數據採集和傳輸。本發明光幹涉瓦斯濃度傳感器具有準確度高，堅固耐用，校正容易，易維護，高低濃度均可測量的優點，在礦井內設置該傳感器，大大減輕了煤礦瓦斯檢測人員的工作量。
附圖說明
圖1為本發明泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度監測系統的原理框圖；
圖2為圖1中泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊的原理框圖，實線為信號傳輸路徑，虛線為供電路徑；
圖3為圖1中泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊的結構示意圖；
圖4為圖3中光幹涉瓦斯濃度傳感器的結構示意圖；
圖5為圖4中光學鏡頭的剖視圖；
圖6為圖5中光學鏡頭成像原理示意圖；
圖7為圖4中隔膜式循環氣泵的結構示意圖；
圖中，1—光幹涉瓦斯濃度傳感器、2—防爆殼、3—穩壓變壓器、4—圖像採集卡、5—數據轉換傳輸模塊、6—聲光報警模塊、7—液晶顯示屏、8—殼體、9—進氣孔、10—出氣孔、11—水蒸汽過濾室、12—二氧化碳過濾室、13—隔膜式循環氣泵、14—進氣管、15—光源、16—聚光鏡、17—平面鏡、18—反射稜鏡、19—氣樣室、20—空氣室、21—平光透鏡、22—空氣管道、23—毛細管、24—折光稜鏡、25—物鏡、26—測微玻璃、27—出氣管、28—光學鏡頭、29—高解析度線陣CCD、30—鏡身、31—鏡頭、32—鏡片、33—隔膜泵、34—電動馬達、35—吸氣口、36—出氣口。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明，本發明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、後……)僅用於解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。
如圖1，本發明提供一種泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度監測系統，包括泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊，網絡傳輸模塊及地面監控模塊，泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊設置於礦井內多個監測點處，每個監測點處均部署一套泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊，網絡傳輸模塊網絡連接於多個泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊和地面監控模塊，泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊採集井下信息並通過網絡傳輸模塊向地面監控模塊傳輸數據，從而實時監測井下瓦斯濃度。
如圖2及圖3，泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊包括防爆殼2，防爆殼2內設有光幹涉瓦斯濃度傳感器1，穩壓變壓器3、圖像採集卡4、數據轉換傳輸模塊5、聲光報警模塊6及液晶顯示屏7。光幹涉瓦斯濃度傳感器1用於監測井下監測點處瓦斯濃度，穩壓變壓器3用於將外接電壓經調整後分別為光幹涉瓦斯濃度傳感器1、圖像採集卡4、數據轉換傳輸模塊5、聲光報警模塊6及液晶顯示屏7供電，圖像採集卡4用於採集光幹涉瓦斯濃度傳感器1產生的電信號，數據轉換傳輸模塊5用於處理圖像採集卡4採集的電信號，液晶顯示屏7用於顯示監測到的瓦斯濃度值，液晶顯示屏7上具有電源開關按鍵和調節按鈕，在瓦斯濃度超標的情況下自動觸發聲光報警模塊6，發出警報。
網絡傳輸模塊，用於將上述泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊採集的信息傳輸到地面監控模塊。
地面監控模塊，用於將經過網絡模塊所匯集傳輸的由泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊採集的數據進行實時顯示、處理和上傳。地面監控模塊包括監控計算機、資料庫伺服器和印表機，監控計算機用於將收到的數據存儲在資料庫伺服器中備份，監控計算機與資料庫伺服器連接，資料庫伺服器用於存儲各監測點的歷史數據和報警記錄，監控計算機與印表機相連，印表機用於列印所需的各種記錄信息的報表。
如圖4，光幹涉瓦斯濃度傳感器1包括殼體8，殼體8設有進氣孔9和出氣孔10，進氣孔9用於供採集的瓦斯氣體進入，進氣孔9連接於過濾室，過濾室連接於隔膜式循環氣泵13，在本實施例中，過濾室包括相互連接的水蒸汽過濾室11和二氧化碳過濾室12，水蒸汽過濾室11與進氣孔9相連，二氧化碳過濾室12與隔膜式循環氣泵13相連。隔膜式循環氣泵13通過進氣管14連接於氣室，氣室包括氣樣室19及位於氣樣室19兩側與其平行設置的空氣室20，氣樣室19的進口連接於進氣管14，氣樣室19的出口通過出氣管27連接於出氣孔10，出氣管27上設有放氣閥。殼體8外設有毛細管23，毛細管23通過空氣管道22連接於兩個空氣室20，用於向空氣室20內通入空氣並自動平衡氣壓變化，使空氣室20和大氣連通，且保證空氣室20與氣樣室19具有相同的氣壓，減少氣體擴散作用的影響。
氣室的兩端面上分別設有平光透鏡21，兩端外分別設有折光稜鏡24和平面鏡17，折光稜鏡24位於氣室出口的一端，平面鏡17位於氣室進口的一端，平面鏡17的背面鍍有反射膜，平面鏡17與平光透鏡21呈45°角相對放置，殼體8內還設有聚光鏡16和反射稜鏡18，聚光鏡16位於光源15和平面鏡17之間，光源15為0.3A/2.5V螺口小燈珠，為光幹涉瓦斯濃度傳感器1提供光源，螺口小燈珠通過穩壓變壓器3供電。反射稜鏡18位於平面鏡17的出光射線上，反射稜鏡18的出光射線上設置有測微玻璃26，測微玻璃26與反射稜鏡28之間放置有物鏡25，殼體8在正對於測微玻璃26的位置處開設有通光孔，通光孔處設有光學鏡頭28，光學鏡頭28的端部設有高解析度線陣CCD29。由光源產生的平行光束通過光幹涉瓦斯濃度傳感器1的光路後變成兩束幹涉光，該兩束幹涉光產生明暗相間的幹涉條紋，幹涉條紋通過特製的光學鏡頭28被清晰的投射到高解析度線陣CCD29上，並轉化為電信號波形圖，供圖像採集卡4採集。
如圖5，光學鏡頭28是為避免人工觀察目鏡時帶來的誤差，根據光學成像原理特殊加工，安置於反射稜鏡18光路上的通光孔處，可以使光幹涉瓦斯濃度傳感器1的幹涉光線清晰、均勻的投射到高解析度CCD29的感光晶片上。光學鏡頭28包括鏡身30、鏡頭31和鏡片32，鏡頭31裝設在鏡身30靠近殼體8的一端，鏡頭31通過旋轉調焦，鏡片32與測微玻璃26同軸線設置。在本實施例中，鏡身30為鋁製，鏡頭31為鋼製，鏡片32為玻璃制的，在其它實施例中，三者的材質可以根據需要選擇。本實施例中，鏡身30是將47mm長，外直徑18mm，內直徑11mm的鋁管加工成長42mm，外直徑18mm，內直徑15mm和長5mm外直徑18mm，內直徑11mm兩部分；鏡頭31是將13mm長，外直徑15mm，內直徑9mm的鋼管加工成3mm長，外直徑15mm，內直徑10mm和9mm長，外直徑11mm，內直徑10mm及1mm長，外直徑11mm，內直徑9mm三部分。將鏡頭31裝設在鏡身30端部，鏡片32採用直徑10毫米凸透鏡。
如圖6，是光學鏡頭成像原理示意圖，擬定測微玻璃26與鏡片32之間的距離為u，光學鏡頭28焦距為f，鏡片32與高解析度線陣CCD29之間的距離為v，則u、f、v之間需滿足f＜u＜2f，v＞2f，從而可以清晰均勻的在高解析度線陣CCD29上投影出倒立放大實像，有利於快速、精準的採集數據。在本實施例中，光線通過測微玻璃26時呈3mm長光帶，u＝15mm，f＝8.8mm，v＝49mm。
高解析度線陣CCD29的積分曝光時間100級可調，範圍為10us-1ms。觸發模式為內觸發或外觸發軟體編程可選。CCD的圖像數據一方面可以通過USB輸入到計算機中，另一方面也可以通過同步模擬輸出埠由示波器顯示或者通過其它採集卡進行採集。同步觸發輸出埠可以將內觸發時的內部時鐘信號或者外觸發的信號同步輸出，可用此信號來觸發示波器，該信號與CCD圖像的模擬信號同步。利用高解析度線陣CCD29，可以快速高效採集光幹涉條紋並將其轉換為電信號波形圖；圖像信號更清晰直觀。
如圖7，隔膜式循環氣泵13為12V隔膜泵，供電後可持續穩定為光幹涉瓦斯濃度傳感器1提供監測氣體。隔膜式循環氣泵13包括隔膜泵33和電動馬達34，隔膜泵33設有吸氣口35和出氣口36，吸氣口35通過管路連接於二氧化碳過濾室12的出口，出氣口36連接於進氣管14，電動馬達34帶動隔膜泵33的膜運動，以改變隔膜泵33的容積，實現吸氣或出氣動作，從而向氣樣室19內泵入瓦斯氣體。
本發明泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度監測系統在使用時，將泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊放置在井下各監測點，然後通過隔膜式循環氣泵13向氣樣室19內通入瓦斯氣體，同時光源發出的光經聚光鏡16聚集後，再通過平面鏡17經其反射與折射形成兩束光，分別通過空氣室20和氣樣室19，再經過折光稜鏡24折射後，由空氣室20和氣樣室19穿過再由平面鏡17反射和折射，一同射入反射稜鏡18，反射稜鏡18將豎向的光反射為水平向，再穿過物鏡25和測微玻璃26。光在經過上述反射、折射等過程後產生幹涉條紋，通過通光孔射入光學鏡頭28內，根據光學鏡頭成像原理，幹涉條紋以放大倒像形式清晰、均勻的投射到高解析度線陣CCD29上。經過高解析度線陣CCD29內部的圖像傳感器轉化為電信號波形圖，該波形圖經過連接的圖像採集卡4、數據轉換傳輸模塊5處理，在液晶顯示屏7上顯示瓦斯濃度，在瓦斯濃度超標情況下直接觸發聲光報警模塊6，發出警報。
泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊採集的數據信息由網絡傳輸模塊傳輸給地面監控模塊，通過監控計算機上實現同步顯示瓦斯濃度值和同步數據存儲。
本發明利用穩壓變壓器3可同時為不同額定電壓的光源15、隔膜循環氣泵13供電，利用隔膜循環氣泵13可持續穩定為光幹涉瓦斯濃度傳感器1提供監測氣體；利用特製的光學鏡頭28，更好的將光幹涉條紋清晰均勻的投射到高解析度CCD晶片29上；利用高解析度線陣CCD29，快速高效採集光幹涉條紋並將其轉換為電信號波形圖，圖像信號更清晰直觀，且可同步觸發輸出埠可以將觸發的信號同步輸出；電信號以數字形式同步顯示在液晶顯示屏7，當瓦斯濃度超限式直接觸發聲光報警模塊6發出報警；通過網絡傳輸模塊，可實現地面監控計算機信號同步顯示，減少了處理誤差，使得操作過程簡單、快速、提高了測量精度；多點採集可實現煤礦瓦斯氣體安全監測系統。
本發明具有以下有益效果：
(1)本發明光幹涉瓦斯濃度傳感器1具有準確度高，堅固耐用，校正容易，易維護，高低濃度均可測量的優點，在礦井內設置該傳感器，大大減輕了煤礦瓦斯檢測人員的工作量。
(2)在礦井內多個監測點設置泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊，可實現對井下不同區域的實時瓦斯監測，地面工作人員可以利用一臺監控計算機連接多臺泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度傳感器模塊，組建井下瓦斯濃度光纖網絡測量系統，實現井下瓦斯濃度的實時監測。
(3)不僅可以對數據進行實時採集和同步保存，也可以對數據進行回放、處理、顯示和繪製相關曲線，有利於比較同一採樣點不同時間段內瓦斯濃度的變化和多個採樣點相同時間內瓦斯濃度的變化規律。
(4)利用搭建起來的泵吸式CCD光幹涉瓦斯濃度監測系統對多點監測採集的數據，結合有關參數，利用相應軟體程序對探索在不同類型巷道內不同風速情況下瓦斯氣體的彌散度有很大意義。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍內。