煤矿生产中的气体监测需求分析及在线式红外气体分析仪推荐

　　我国是世界上产煤大国，同时也是煤矿安全生产形势最为严峻的国家之一。在煤矿事故的防治工作中，CH4、CO2、CO是主要的监测对象。为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡事故，在线实时准确的监测CH4、CO2、CO浓度已成为客观需求。随着光谱吸收技术的发展，红外光谱吸收技术在气体检测方面的优势日益凸显。

　　红外光谱吸收技术是目前一种比较先进的分析技术，具有快速、准确、稳定性好等特点。基于此技术的CH4、CO2、CO传感器具有检测精度高、响应速度快、检测范围广、性能稳定、不受检测环境中其他气体的感染、无有害气体中毒现象、寿命长等特点，越来越受到煤矿及其他工业安全领域的青睐。

　　一、CH4、CO2、CO的红外吸收光谱

　　气体的特征吸收与光的波长有关，即气体对光的波长有选择性。在被测气体的光吸收过程中，不同的气体物质体现出不同的吸收峰和不同的吸收谱，其决定了用气体光谱吸收法测量的选择性和鉴别性。以CH4为例，红外光谱吸收检测技术选取的CH4气体特征吸收谱线位于中红外区域，即3.31μm处。

图2、CH4在中、近红外区域的吸收光谱图

图3、常见气体的红外吸收光谱图

表1、CH4、CO2、CO的红外特征吸收波长

　　二、红外光谱吸收气体检测技术的优缺点

　　1、优点

　　1）检测精度高。红外检测和光干涉检测都是通过光对气体物理量进行检测，不受气体流速的影响。

　　2）量程范围宽。可高精度的检测0~100%的CH4、CO2、CO气体。而催化燃烧式传感器一般只能检测0~4%左右。

　　3）反应灵敏度高。同一环境下相应速度明显快于催化燃烧式传感器。由于催化燃烧式传感器工作过程中要消耗CH4气体，在低流速状态下灵敏度会明显低于非分光红外光谱吸收检测法。

　　4）选择性好。对于混合气体检测时，各种气体吸收各自对应频率的特征频率光谱，是互相独立、互不干扰的。这位混合气体中某种特定气体浓度的检测提供了条件。

　　2、缺点

　　红外光谱吸收气体检测技术在工程实践中也发生了一些问题，例如红外甲烷传感器的特征吸收峰在3.31μm处，而该区域同时也存在相关烷烃类气体的吸收峰；由于红外灯发出的光源是连续光谱，滤光片在3.31μm处的滤波响应特性，会导致其他气体吸收峰波长的光进入测量系统，以致产生误差。但对于CO和CO2，其红外吸收波长在4.26μm和4.5μm处，不存在其他气体的吸收峰的干扰。

图4、烷烃气体的红外吸收光谱

　　三、红外气体分析仪在煤矿生产中的应用

　　随着红外光谱吸收检测技术的不断发展，近年来出现一种利用滤光片实现非分光红外光谱吸收监测技术，基于差分吸收方式来实现测量仪器的小型化和低功耗、低成本，并在煤矿监测领域得到推广应用。

　　红外光源发出的红外光经过充有待测气体的气室后到达两片中心波长不同的滤光片，测量滤光片允许目标气体特征吸收波长的光通过，参比滤光片允许不可能被目标气体吸收的红外光通过（作为环境因素影响的补偿），经过滤光片筛选的红外光分别到达红外线探测元件转换为电信号。

　　光经过探测气室由于目标气体对特征波长的吸收，探测元件接收的剩余特征光能量有所减小，从而输出的电信号会随浓度而改变，而参考元件输出的信号不会改变，并且参考通道信号的引入可有效补偿由于光源衰减、器件老化、气室污染、温度改变等因素引起的探测元件信号变化，从而实现目标气体浓度的准确测量及长期稳定性。

　　四方仪器Gasboard-3500防爆型红外气体分析仪采用非分光红外气体分析技术，集成长寿命的电化学传感技术，不仅可在线测量CO、CH4、CO2的体积浓度，还可同时测量C3H8、H2S、O2等气体的体积浓度，测量准确度高，工作性能稳定。其采用防爆设计，隔爆外壳使设备内部空间与周围的环境隔开，确保发生爆炸时，外壳可承受产生的爆炸压力而不被损坏，使火焰不能穿越隔爆间隙点燃外部爆炸性环境，满足多领域易燃易爆场所气体检测，保障工业现场安全。

图7-图9、Gasboard-3500在山西晋城某煤矿煤层气监测现场的应用

　　四、结语

　　非分光红外气体检测技术（NDIR）是目前最为成熟的基于光谱吸收原理的气体检测技术。基于NDIR的气体分析仪器越来越受到工业安全领域的关注，其红外CH4传感器、红外CO2传感器、红外CO传感器具有监测精度高、调校周期长等有限，已成为煤矿气体检测技术的主流。