本發(fā)明涉及燃?xì)鈾z測，尤其涉及一種煤礦用無線激光式甲烷測定器及測定方法。

背景技術(shù)：

雖然煤炭在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的地位，但是我國的煤礦安全生產(chǎn)問題卻十分的突出，煤礦井下瓦斯爆炸是引發(fā)礦難的最主要原因。瓦斯的主要成分為甲烷，為了有效減小礦難發(fā)生的概率，煤礦需要安排專職的瓦檢工作人員對井下的甲烷氣體濃度及檢測甲烷所使用設(shè)備的精度進(jìn)行檢測及校準(zhǔn)。

現(xiàn)有技術(shù)中的便攜式甲烷濃度檢測裝置中最為精確的儀器為光干涉式甲烷測定器，它既可以檢測煤礦井下當(dāng)前位置甲烷濃度，又可以利用其檢測值對其他檢測設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校。但是光干涉式甲烷測定器從根本上并不是直接測定甲烷的濃度，而是通過測試由于甲烷與空氣的折射率不一致而引起的光干涉條紋移動量來測定甲烷濃度的大小，它對甲烷的測定屬于間接的測定，并非直接的測定，并且甲烷與二氧化碳折射率是比較相近的，實質(zhì)上兩種氣體是無法從根本原理上進(jìn)行區(qū)分的，所以在測試過程中引入了鈉石灰對二氧化碳進(jìn)行吸收過濾，當(dāng)二氧化碳濃度較低時，光干涉式甲烷測定器能夠進(jìn)行有效的測試，但當(dāng)二氧化碳濃度過高時，光干涉式甲烷測定器上的鈉石灰不能有效的將二氧化碳吸收掉，這會造成甲烷的誤測，從而引起誤報，所以在二氧化碳濃度含量較高的礦井下，不適合利用光干涉式甲烷測定器進(jìn)行濃度測試，同時由于光干涉式甲烷測定器不具有電子顯示及數(shù)據(jù)傳輸、存儲等功能，并且其濃度檢測數(shù)據(jù)曲線不具有線性，這就需要專業(yè)人員對其刻度線進(jìn)行讀數(shù)，不便于操作，帶來了檢測和記錄上的不方便，而水蒸氣對其還具有一定影響，需要定期更換過濾劑，增加了儀器維護(hù)的工作量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)校周期長、安全性能及靈敏度高的煤礦用無線激光式甲烷測定器及其測定方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種煤礦用無線激光式甲烷測定器，其創(chuàng)新點在于：包括電池管理模塊、礦用電池、穩(wěn)壓模塊、供電開關(guān)模塊、中央控制器、功能顯示模塊、無線數(shù)據(jù)交互模塊和甲烷濃度激光信號采集模塊，所述電池管理模塊、礦用電池、穩(wěn)壓模塊和供電開關(guān)模塊依次電連接，所述供電開關(guān)模塊與中央控制器雙向電連接，所述功能顯示模塊、無線數(shù)據(jù)交互模塊和甲烷濃度激光信號采集模塊分別與中央控制器電連接。

進(jìn)一步的，所述中央控制器電連接有聲光報警模塊。

進(jìn)一步的，所述中央控制器通過單向供電指示線路與聲光報警模塊電連接。

進(jìn)一步的，所述電池管理模塊、礦用電池、穩(wěn)壓模塊和供電開關(guān)模塊依次通過供電指示線路電連接。

進(jìn)一步的，所述供電開關(guān)模塊與中央控制器通過供電指示線路雙向電連接。

進(jìn)一步的，所述中央控制器與功能顯示模塊通過單向供電指示線路電連接，所述無線數(shù)據(jù)交互模塊和甲烷濃度激光信號采集模塊分別與中央控制器通過雙向供電指示線路電連接。

進(jìn)一步的，所述礦用電池為礦用鋰電池。

進(jìn)一步的，所述甲烷濃度激光信號采集模塊電連接有激光發(fā)射器，所述激光發(fā)射器的外端設(shè)置有氣室，所述氣室的另一側(cè)設(shè)置有光電接收器，所述激光發(fā)射器與光電接收器相對設(shè)置。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種煤礦用無線激光式甲烷測定器的測定方法，包括步驟一，中央控制器控制供電開關(guān)模塊將電流供給激光發(fā)射器，激光發(fā)射器所發(fā)出的激光經(jīng)過氣室中甲烷氣體的吸收，含有甲烷濃度值的信號被光電接收器所接收；步驟二，光電接收器將檢測到的光信號經(jīng)過處理后，以電信號發(fā)送給中央控制器，中央控制器對采集到的含有甲烷濃度信息的電信號進(jìn)行運算處理，甲烷濃度數(shù)據(jù)實時發(fā)送到功能顯示模塊進(jìn)行當(dāng)前甲烷濃度顯示，同時數(shù)據(jù)通過無線模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

進(jìn)一步的，當(dāng)中央控制器運算得到的甲烷濃度超過預(yù)先設(shè)置報警點后，中央控制器向聲光報警模塊發(fā)出報警信號。

采用上述結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明有益效果為：

本發(fā)明采用激光式甲烷測定器進(jìn)行測定甲烷濃度，全面的克服了光干涉式甲烷測定器所存在的無數(shù)據(jù)電子顯示、使用操作困難、受其他氣體、粉塵、水蒸氣干擾大的問題，并且其穩(wěn)定性好，檢測精度高，使用簡單等特點可以作為其他類型的礦用傳感器的標(biāo)校檢驗設(shè)備。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的煤礦用無線激光式甲烷測定器整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明中的

圖3是本發(fā)明中的甲烷濃度激光信號采集模塊的運行電路圖；

圖4是本發(fā)明中的供電開關(guān)模塊的運行電路圖；

圖5是本發(fā)明中的聲光報警模塊的運行電路圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實施方式，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參看圖1，本具體實施方式披露了一種煤礦用無線激光式甲烷測定器，包括外部電源適配器電連接電池管理模塊200，電池管理模塊200通過供電指示線路電連接礦用鋰電池201，礦用鋰電池201電連接穩(wěn)壓模塊202，穩(wěn)壓模塊202電連接供電開關(guān)模塊203，供電開關(guān)模塊203通過供電指示線路雙向電連接中央控制器100。中央控制器100電連接有聲光報警模塊101、功能顯示模塊102、無線數(shù)據(jù)交互模塊103和甲烷濃度激光信號采集模塊104。中央控制器100與聲光報警模塊101和功能顯示模塊102均通過單向供電指示線路進(jìn)行電連接。中央控制器100與無線數(shù)據(jù)交互模塊103和甲烷濃度激光信號采集模塊104均通過供電指示線路雙向電連接。

可行的，電池管理模塊200還可以具有智能充電功能，參看圖2，是電池管理模塊200的電路圖，u2的第6引腳u206和第7引腳u207分別與礦用鋰電池p1的正負(fù)引腳連接，r7與u2的第4引腳u204連接可控制p1的充電電流，c6、c7分別與u2的第5引腳連接可控制p1的最大充電時間，led1分別與u2的第1引腳和第2引腳連接，p1開始充電時led1點亮，充電結(jié)束后led1熄滅，電池電壓檢測點r2、r3的一端引腳分別與u4的第2引腳u402相連。

甲烷濃度激光信號采集模塊104的運行電路如圖3所示，其中u4的第28引腳u428連接u3的第3引腳u303，u3的第6引腳u306通過r13連接q4的第1引腳q401，q4的第2引腳q402連接激光發(fā)射器ld1的引腳，u4的第3引腳403連接u5的第6引腳u506，u5的第2引腳u502和第3引腳u503依次順序連接pd1的兩個引腳。

聲光報警模塊101的運行電路圖如圖5所示，u4的第26引腳u426與r16連接，順序連接q6的第1引腳q601，q6的第3引腳q603連接蜂鳴器p2的第2引腳p202來控制聲報警。u4的第27引腳u427與r18連接，順序連接q5的第1引腳q501，q5的第3引腳q503連接報警燈led2來進(jìn)行控制光報警。實現(xiàn)了光報警和聲音報警，能夠有效的避免設(shè)備故障下運行和防止故障情況運行出現(xiàn)錯誤監(jiān)測數(shù)據(jù)。

功能顯示模塊102的運行電路圖如圖3所示，u4的第32引腳u432、第33引腳u433分別與p3的兩個引腳連接，完成u4與p3之間的數(shù)據(jù)通訊?？尚械?，功能顯示模塊102可以電連接一觸屏顯示屏，通過該顯示屏進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)，方便實用。

無線數(shù)據(jù)交互模塊103的運行電路圖如圖3所示，u4的第17引腳u417、18引腳u418、19引腳u419、20引腳u420、21引腳u421、22引腳u422分別與p4的相對應(yīng)引腳連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)傳輸。可行的，無線信號傳輸采用ifrd模式，傳輸效率高，通過無線傳輸數(shù)據(jù)的方式，增加了設(shè)備的適用性，方便快捷。

供電開關(guān)模塊203的運行電路圖如圖4所示，u4的第23引腳u423通過r8依次順序連接q3的第1引腳q301，q3的第3引腳q303順序連接r6和q1的第2引腳q102；u4的第24引腳u424連接d1的第1引腳d101，d1的第2引腳順序連接s1的第1引腳s101和第3引腳s303。

可行的，甲烷濃度激光信號采集模塊電連接有激光發(fā)射器，激光發(fā)射器ld1的外端設(shè)置有氣室1041，氣室1041的另一側(cè)設(shè)置有光電接收器pd1，激光發(fā)射器ld1與光電接收器pd1相對設(shè)置，可行的，激光發(fā)射器ld1采用自擴(kuò)散的氣體采樣方式，檢測精度高，不容易受干擾。

上述煤礦用無線激光式甲烷測定器的測定原理為：中央控制器100通過u4的第28引腳u428將電流掃描信號發(fā)送給u3，u3通過控制q4將電流供給激光發(fā)生器ld1，激光發(fā)射器ld1所發(fā)出的激光經(jīng)過氣室中甲烷氣體的吸收，含有甲烷濃度值的信號將會被光電接收器pd1所接收。光電接收器pd1將檢測到的光信號經(jīng)過u5的處理后，以電信號發(fā)送給u4,u4對采集到的含有甲烷濃度信息的電信號進(jìn)行運算處理，甲烷濃度數(shù)據(jù)實時發(fā)送到顯示屏p3中，進(jìn)行當(dāng)前甲烷濃度顯示，同時濃度數(shù)據(jù)還可以通過無線模塊p4進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)甲烷濃度超過報警點設(shè)置后，u4將報警信號(高低電平值)分別發(fā)送到q5和q6中，控制q5和q6的導(dǎo)通截止，從而控制蜂鳴器p2和報警點led2的導(dǎo)通，發(fā)出聲光報警信號。

測定器的供電方式采用的是礦用鋰電池供電及外部電源適配器對礦用鋰電池進(jìn)行充電的方式，礦用鋰電池201通過穩(wěn)壓模塊202，供電開關(guān)模塊203對測定器進(jìn)行供電。

具體的，甲烷氣體在近紅外譜段吸收譜線峰值波長為1653.72nm，中央控制器100通過u4的第28引腳u428將調(diào)制頻率為10khz，調(diào)制幅度為±20ma的三角波電流掃描信號通過u3、q4將電流供給激光發(fā)生器ld1，激光發(fā)射器ld1的中心波長可選擇范圍為1653.7nm±0.2nm，調(diào)制電流變化1ma，對應(yīng)激光器波長改變0.01nm，所以當(dāng)激光發(fā)射器ld1所發(fā)出的激光波長范圍為1653.50nm～1653.90nm時，通過±20ma的三角波電流掃描都可以讓激光器的波長經(jīng)過1653.72nm，并且在三角波電流掃描信號的作用下，在一個掃描周期內(nèi)激光發(fā)射器ld1所發(fā)出的激光波長中心值將兩次經(jīng)過甲烷氣體吸收譜線峰處，產(chǎn)生最強(qiáng)的吸收效果，并且可以將兩次所采集到的最大值進(jìn)行相加平均，使采集峰值更加穩(wěn)定。

u4對采集到的含有甲烷濃度的信息的電信號進(jìn)行處理的算法為：甲烷濃度光信號經(jīng)u5轉(zhuǎn)換為甲烷濃度電信號，甲烷濃度值與檢測到的甲烷濃度電信號幅值成正比例的關(guān)系，通過采集計算檢測到的甲烷濃度電信號的幅值就可以反推出甲烷濃度值，將采集到的數(shù)據(jù)利用12位a/d轉(zhuǎn)換器平分為4096份，單片機(jī)需要將接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐點的采集，首先取數(shù)組的頭和尾，拉一條直線，然后將實測數(shù)組和直線做減法，得出新的數(shù)組，比較相鄰的兩個數(shù)據(jù)。將所有的點通過“冒泡法”進(jìn)行比較，找出最大值，而這個最大值就應(yīng)該是甲烷氣體吸收峰最強(qiáng)烈的地方，并且這個最大值只能有一個，這個點的幅值與當(dāng)前甲烷濃度值成正比。由于激光器本身是模擬器件，所以具有一定的波動性，這樣就會導(dǎo)致這個最大值在每遍掃描的時候產(chǎn)生一定的誤差(比如上次掃描是1000，這一次變成1002)，針對這個問題，單片機(jī)采用移動平均的方式，將采集到的最大值20或者30一組進(jìn)行平均處理，數(shù)據(jù)逐漸采入，同時逐漸輸出，這樣可以保證所輸出的最大值，平穩(wěn)。由于最大值與甲烷濃度值成正比，甲烷濃度越高，最大值越大，但是由于光吸收特性所導(dǎo)致，甲烷濃度曲線只是一條近視線性的曲線，所以為了提高甲烷濃度曲線的精度，濃度曲線擬合方程為y＝anxn+an-1xn-1+……+a1x1+a0(n≥3)，n的值越大濃度曲線擬合越準(zhǔn)確。

u4通過第2引腳u402可以檢測到電池電壓的實時值，當(dāng)?shù)V用鋰電池的電量低于3.6vdc時，測定器發(fā)出低電量報警信號，提示使用者關(guān)機(jī)并對測定器開始充電，充電過程為智能控制充電方式，p1開始充電led1點亮，充電結(jié)束后led1熄滅，r7控制p1的充電電流，c6、c7控制p1的最大充電時間，當(dāng)電池電量充滿后，u2會對礦用鋰電池自動斷電。

供電開關(guān)模塊203中，當(dāng)按鍵s1閉合時q1的第2引腳q102置低，q1的第1引腳q101和第3引腳q102電流導(dǎo)通，整個測定器供電電路導(dǎo)通，同時u4通過第23引腳u423將q3的第1引腳q301置高，q3的第2和第3引腳導(dǎo)通，q1的第2引腳q102將持續(xù)保持低電平，q1處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，這時可以將按鍵s1開啟，完成測定器的開機(jī)。當(dāng)按鍵s1再次閉合時，u4通過24引腳經(jīng)d1檢測到低電平后，u4通過23引腳將q3的1引腳置低，q3的2、3引腳截止，當(dāng)按鍵s1開啟后，由于r4的上拉作用，q1的2引腳置高，q1的第1引腳q101和第3引腳q103電流截止，完成測定器的關(guān)機(jī)。

本發(fā)明的誤差范圍在0.00～0.99％檢測時小于等于±0.05％甲烷含量，在1.00～10.0％檢測時誤差在真值的±2.5％，遠(yuǎn)高于光干涉式甲烷測定器測量誤差范圍。

由于激光波長的“單一性”，在檢測甲烷氣體的過程中激光器所發(fā)出的中心波長值為甲烷氣體吸收譜線的峰值，只針對甲烷氣體分子有反應(yīng)，不受二氧化碳、水蒸氣、粉塵等其他干擾因素的影響。

此外，激光光源長壽命、高穩(wěn)定性等特點，決定了激光式甲烷測定器的標(biāo)校周期不小于兩年，遠(yuǎn)大于光干涉式甲烷測定器的3個月。

以上所述，僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案所做的其它修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。