项 目 名 称： 便携式红外瓦斯检测仪
项目承担单位： **自动化系统工程公司
1、项目概要
本项目采用国际最新（NDIR）非色散红外探测技术,研制用于监测煤矿井下环境气体中瓦斯浓度的新一代便携式测量仪表，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸的更新换代产品。具有比以往传统检测仪表更加稳定、更加先进的优点：（1）可以实现井下瓦斯浓度的实时测量、就地显示和超限声光报警等功能。（2）核心检测元件由国外原装进口，采用高稳定放大处理电路，保证了仪器的性能稳定和测量准确性。（3）在检测原理上采用新型红外线气体检测技术，其完全不同于传统的基于催化原理的瓦斯检测技术，克服了催化原理传感器标定周期短、容易中毒等现象，具有测量准确、反应速度快、标定周期长、不受其它气体影响、测量范围宽、功耗低、使用寿命长等特点。（4）在工作过程中由于采用光学测量并不消耗甲烷，无大功率器件，所以不存在受高瓦斯冲击损坏的现象。（5）测量不受风速影响，性能稳定调校周期最低一个月，响应时间也远远快于催化原理传感器。仪器软件上采用智能化设计，易于维护和调校，大大节约仪器的使用与维护费用。
2、 项目的目的、意义及必要性
瓦斯是煤炭开采的伴生物，为煤矿灾害之首，对煤矿安全生产威胁最大。瓦斯事故是造成煤矿死亡的主要原因之一。
2005年的“1128”事故166名职工遇难，是我国自1960年11月28日平顶山龙山庙煤矿死亡187人的瓦斯煤尘爆炸事故之后，44年来我国煤炭行业最大的一起安全事故，损失惨重，教训沉痛。
2006年9月30日5时44分，黑龙江省鸡西市鸡东县哈达天龙煤矿发生一起瓦斯爆炸事故，造成21人被困井下，经抢救，其中8人生还，13人遇难。每年在10人以上重、特大死亡事故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的比重基本在80%以上。特别是近年来发生的几起煤矿瓦斯特大事故，造成了重大伤亡和经济损失，教训深刻！
煤矿瓦斯爆炸事件的频繁发生，引起了煤矿生产和管理单位对瓦斯监测的高度重视，并成为煤矿是否可以生产的必要条件。《煤矿安全规程》中第一百四十九条规定矿井必须建立瓦斯、二氧化碳和其他有害气体检查制度，并遵守下列规定：（一）矿长、矿技术负责人、爆破工、采掘区队长、通风区队长、工程技术人员、班长、流动电钳工下井时，必须携带便携式甲烷检测仪。瓦斯检查工必须携带便携式光学甲烷检测仪。安全监测工必须携带便携式甲烷检测报警仪或便携式光学甲烷检测仪。第一百六十九条规定低瓦斯矿井的采煤工作面，必须在工作面设置甲烷传感器。高瓦斯和煤（岩）与瓦斯突出矿井的采煤工作面，必须在工作面及其回风巷设置甲烷传感器，在工作面上隅角设置便携式甲烷检测报警仪。若煤（岩）与瓦斯突出矿井采煤工作面的甲烷传感器不能控制其进风巷内全部非本质安全型电气设备，则必须在进风巷设置甲烷传感器。采煤工作面采用串联通风时，被串工作面的进风巷必须设置甲烷传感器。采煤机必须设置机载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪。
而目前国内普遍使用的瓦斯检测设备大多采用热催化元件以及光学干涉法瓦斯检测，其检测精度较低，而且检测范围窄，对于高浓度瓦斯会得到致命的错误信息，这也是一些瓦斯检测人员采用传统瓦斯检测仪造成窒息死亡的原因。红外瓦斯检测仪具有检测精度高，适合于较宽的浓度范围，使用寿命长的优点，将逐步取代以往瓦斯检测仪。安全生产“十一五”规划（2006 ~ 2010）中第五项重大工程中（一）煤矿事故预防与主要灾害治理工程中强调要井下煤矿装备瓦斯监测系统及（八）科技创新和技术示范工程中强调要开展煤矿重大灾害防治、非煤矿山典型灾害预防与控制、危险化学品监测预警及事故应急处置等；中国煤炭工业协会会长范维唐在全国煤矿瓦斯防治工作现场会闭幕式上的讲话（2005/04/26日）中讲到：“解决瓦斯突出及爆炸问题，必须加强对瓦斯的监测监控。作为检测的传感器直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度，对监测监控起着决定作用……长期以来我国载体催化元件由于受生产工艺和技术的影响，一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调整校正频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯准确的有效检测，与国外同类传感器（黑白元件）比较差距是较大的。将红外原理应用于煤矿井下检测瓦斯技术是一种快速、准确的气体分析技术。国外已有多家公司推出了用于煤矿井下检测瓦斯的红外原理的传感器及便携仪，目前国内还未研制出同类产品。（目前国内已经有三到四家科研机构及公司开始研究开发红外瓦斯检测仪器）；……我国应在开发热催化原理敏感元件的同时，开展红外原理敏感元件和光纤原理敏感元件的研制。”
正是基于目前国内煤矿安全规程的要求及国内瓦斯检测的现状及新型传感器的出现及应用普及，本项目采用国际最新（NDIR）非色散红外探测技术,研制用于监测煤矿井下环境气体中瓦斯浓度的新一代便携式测量仪表，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸的更新换代产品。该仪器可以实现井下瓦斯浓度的实时测量、就地显示和超限声光报警，实时数据存储，智能电源管理等功能；我们设计开发这种新型的红外瓦斯检测设备对于国内煤矿企业更好的进行井下瓦斯的预警及检测必会带来设备技术上的革新升级，必将会大大减少瓦斯事故的发生，为煤矿的安全生产发挥更加重要的作用。
三、国内外相关技术、产品水平、现状及发展趋势
国外：已经有多家公司的相关产品出现，但价格在国内市场比较昂贵，不具备普及的优势。
国内：目前国内对于红外瓦斯检测设备的研究尚处于起步阶段，正在开发红外瓦斯检测设备的目前有两家。是武汉四方光电科技有限公司，及煤科总院重庆分院，但他们尚未开发出煤矿便携式红外瓦斯检测设备。
本项目采用国际最新非色散红外探测技术（NDIR）及嵌入式单片机技术，将结合红外光学探测和嵌入式单片机系统技术的各自优点；项目采用的探测器基于NDIR原理，具有参考通道和测量通道的双路探测器，是利用甲烷对红外光在3.3um波长处具有特定吸收峰这特性设计的，而参考通道具有参考和补偿作用。探测器将输出毫伏级的信号，通过正弦波调制红外LED，利用特定的放大检测方法检测出与浓度相对应的有用信号，大大提高了测量灵敏度，改善了稳定性，提高了信噪比。
四、项目前期研发及技术准备情况
本项目前期是**省自动化研究所的一个所基金项目，在所里资金及技术支持下课题组已在红外光源、探测器等多个方面解决了技术难题。
煤矿井下是一个特殊的环境，各地温差大，湿度大，工作地点采煤和掘进工作面尤其严重，煤尘和瓦斯的含量较地面空气高，这就要求井下使用的设备具有良好的防爆性能，密封性好，且气体检测设备具有更好的安全性、稳定性、灵敏性及精度高等特性。本项目开发的便携式红外瓦斯检测仪，从芯片的选型到电路设计，传感器的选用上，本安电源的设计上都将满足煤矿井下特殊环境的要求。项目中主要包括几点关键技术：
（1）信号采集处理
包括红外气体探测、信号调理电路、自动量程转换电路。
（2）信号通讯系统
包括基于串口的与上位PC机的数据存储及管理的数据传输通讯。
（3）本安电源
本设备采用电池供电，设备供电使用时间超过8小时，符合国家煤安标准。
我们具有设备开发所必须的试验仪器如数据传输分析