論紅外瓦斯傳感器在煤礦的推廣應(yīng)用

呂利剛

摘 要：煤礦的安全關(guān)系到井下工人的生命安全，對于我國經(jīng)濟的發(fā)展也具有重要意義，安全生產(chǎn)依賴于完善的監(jiān)測體系。紅外瓦斯傳感器通過紅外吸收的原理，通過多種新技術(shù)的綜合使用，實現(xiàn)了對井下瓦斯氣體濃度實時監(jiān)測，是煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)必不可少的組成和構(gòu)成部分。紅外瓦斯傳感器還避免了其他傳感器的缺點，穩(wěn)定性、靈敏度和抗干擾性都較高，應(yīng)當(dāng)在煤礦生產(chǎn)中推廣使用。

關(guān)鍵詞：紅外瓦斯傳感器 煤礦 安全生產(chǎn)

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（c）-0066-01

改革開放以后，我國的經(jīng)濟快速發(fā)展，對能源的需求量不斷上升。煤炭作為我國工業(yè)生產(chǎn)重要的能源之一，為我國的經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。我國的煤炭儲量比較豐富，煤礦的開采是我國獲取煤炭的主要方式。但是煤礦開采不僅對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成了巨大破壞，近些年頻繁出現(xiàn)的瓦斯事故，也引起社會上的廣泛關(guān)注。安全事故不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，還往往造成井下工人死亡。因此，加強對瓦斯的監(jiān)控，通過有效手段來預(yù)防瓦斯事故，成為煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

1 我國煤礦檢測瓦斯的主要手段和問題

目前，在我國煤礦中使用較多的傳感器主要有光干涉型、氣敏半導(dǎo)體型、熱催化型、熱導(dǎo)型和紅外氣體吸收型。

光干涉型使用比較方便，主要通過利用空氣中的光波對瓦斯的濃度進行檢測，對瓦斯氣體濃度檢測的靈敏度也較高。但是如果空氣中的氧氣和氮氣比例達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的時候，很容易出現(xiàn)檢測誤差，并且在長時間內(nèi)的使用效果不好。

氣敏半導(dǎo)體型使用壽命較長，靈敏度高，能耗少，近些年來發(fā)展速度較快。但是在實際應(yīng)用中受環(huán)境溫度、適度和材質(zhì)的影響較大，并且準(zhǔn)確度和精讀方面存在著較大不足，因此在實際應(yīng)用中還有待完善。

熱催化型可以對煤礦中的瓦斯進行檢測，但是使用壽命較短，并且在使用中需要頻繁的進行校對，穩(wěn)定性也較差。在目前強調(diào)安全生產(chǎn)的情況下，熱催化型基本上處于淘汰的邊緣。

熱導(dǎo)型利用熱導(dǎo)原理，通過對空氣中所測氣體之間的導(dǎo)率差進行測算，實現(xiàn)瓦斯氣體的監(jiān)測。熱導(dǎo)型傳感器壽命較長，使用簡單，但是其對瓦斯氣體監(jiān)測的精度較低，并且受周圍氧氣和水蒸氣濃度的影響較大，往往出現(xiàn)監(jiān)測失靈的現(xiàn)象。

紅外氣體吸收型使用了目前應(yīng)用較為廣泛的紅外瓦斯傳感技術(shù)，它通過對不同氣體吸收紅外光譜的強度來監(jiān)測瓦斯的濃度，使用壽命較長，并且在靈敏度和安全性上也具有很大的優(yōu)勢。我國剛引進此技術(shù)時，受制于成本高和兼容性差，推廣較為困難。但是通過我國科研人員的不斷努力，根據(jù)我國煤礦的環(huán)境情況，研制出了適合我國煤礦的紅外瓦斯傳感器，達(dá)到了國際先進水準(zhǔn)。

2 紅外瓦斯傳感器的原理及優(yōu)勢

紅外瓦斯傳感器的原理是紅外吸收原理，主要是為了監(jiān)測管道內(nèi)的氣體濃度而設(shè)計出來的。此外，在紅外瓦斯傳感器的設(shè)計中，還運用了擴散式采樣和數(shù)字式溫度補償?shù)燃夹g(shù)，因此，紅外瓦斯傳感器的穩(wěn)定性和監(jiān)測精度都很高，并且可以適應(yīng)我國煤礦井下復(fù)雜多變的環(huán)境，使用較為廣泛。紅外瓦斯傳感器可以廣泛應(yīng)用于天然氣輸氣管道、瓦斯抽放泵站和煤礦中的瓦斯抽放管道等。當(dāng)瓦斯的濃度超出設(shè)置上限時，傳感器就會通過聲音和二極管的閃爍發(fā)出警告信號。

紅外瓦斯傳感器的調(diào)校周期較長，一般大于兩個月，保證其長時間工作的穩(wěn)定性。其水分離裝置為一體化設(shè)計，可以很好的降低管道內(nèi)的水分、塵埃等雜質(zhì)對檢測精度的干擾；氣路設(shè)計采用了特殊方法，可以很好的應(yīng)對管道內(nèi)的各種正壓和負(fù)壓；溫度補償也很精確，可以很好的應(yīng)對礦井下多變的環(huán)境，不會因為環(huán)境的改變出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的大幅度變化；其兼容性也很強，提供了多種常用的數(shù)據(jù)輸出接口。紅外瓦斯傳感器的這些優(yōu)勢也是其在煤礦中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，但是我國還有一些礦井中并未使用紅外瓦斯傳感器。因此，我國煤礦中對推廣使用紅外瓦斯傳感器，對于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

3 紅外瓦斯傳感器在煤礦中的具體應(yīng)用

煤礦井下的環(huán)境多變，存在很多的不可控因素，因而經(jīng)常發(fā)生各種安全事故，其中以瓦斯事故居多。因此，加強煤礦的安全意識，從技術(shù)上減少事故發(fā)生的幾率，確保井下工作人員的安全，是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。紅外瓦斯傳感器以其具有較高的使用壽命、檢測精度、抗干擾性等優(yōu)勢，為煤礦的安全生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。

紅外瓦斯傳感器通過將井下的瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，然后將濃度數(shù)值轉(zhuǎn)換為其他關(guān)聯(lián)設(shè)備可以識別的電信號，再通過補償信號處理技術(shù)，可以直觀的顯示出濃度值。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^了安全范圍，報警器就開始報警。其可以固定在煤礦中的回風(fēng)巷道、采掘工作面等地方，和斷電儀、封鎖瓦斯閉鎖裝置等配合使用。此外，雖然熱催化型、熱導(dǎo)型等其他監(jiān)測裝置存在諸多缺點，但是和紅外瓦斯傳感器一起使用時，可以避免某一種監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差和穩(wěn)定性較差的情況。通過人工智能技術(shù)，將不同傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總，然后統(tǒng)一進行處理的分析，可以大幅度的提高監(jiān)測效果，延長監(jiān)測器的使用壽命。通過其它配套技術(shù)的使用，還可以提高紅外傳感器的反應(yīng)速度。紅外瓦斯傳感器還增加了遙控調(diào)校、斷電控制、故障自檢等功能，便于日常的檢修和維護，節(jié)約煤礦的監(jiān)測成本，提高監(jiān)測的效果。

以我國自行研究開發(fā)的GLG10H型紅外瓦斯傳感器為例，其設(shè)計原理是非色散紅外技術(shù)，傳感器的光源使用了安全節(jié)能的LED光源。通過特殊的算法，LED光源產(chǎn)生優(yōu)化的輻射光譜，然后通過光敏二極管和特殊的光學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)置的微電子設(shè)備和溫度傳感器產(chǎn)生電子信號。電子設(shè)備和傳感器均采用了UART的數(shù)字通信格式，可以檢測0%～100%范圍的瓦斯?jié)舛?，或者?%～100%范圍的LEL。其還具有溫度補償設(shè)計，通過數(shù)字輸出，可以直接接入到上級設(shè)備，并且還能夠自動保存溫度補償、濃度和其他數(shù)據(jù)。此型紅外傳感器的能耗較小，大約為5mW，并且經(jīng)過了防爆EX認(rèn)證。此型紅外瓦斯傳感器可以連續(xù)自動的將礦井下的瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號傳輸給其它關(guān)聯(lián)設(shè)備，并且可以實時顯示出井下瓦斯的濃度值，超過了設(shè)定范圍時，可以在第一時間進行報警。此型的監(jiān)測精度也較高，在0%～10%濃度范圍時，監(jiān)測分辨率達(dá)到了0.01%，大于10%時，監(jiān)測分辨率為0.1%，滿足我國安全生產(chǎn)管理局的要求。傳感器在設(shè)計上使用了模塊化和整體化理念，因此更加的小巧和緊湊，符合未來的發(fā)展趨勢。在繼承傳統(tǒng)紅外傳感器較高的安全性、穩(wěn)定性和抗擾性等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，省略了傳統(tǒng)的紅外原理光學(xué)部件，降低了成本，還彌補了傳統(tǒng)的紅外傳感器容易被井下灰塵覆蓋后影響透光和反射強度的問題，對于降低紅外瓦斯傳感器的報警缺陷有重要意義。

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