基于紅外差分吸收的礦井瓦斯?jié)舛确植际奖O(jiān)測系統(tǒng)

尹晶晶，徐振峰

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 六安 237011)

基于紅外差分吸收的礦井瓦斯?jié)舛确植际奖O(jiān)測系統(tǒng)

尹晶晶，徐振峰

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 六安 237011)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，設(shè)計(jì)了一套基于近紅外差分吸收光譜原理的礦井瓦斯?jié)舛确植际焦饫w監(jiān)測系統(tǒng)。選用中心波長為1650nm的DFB激光器作為光源。選擇Newport公司生產(chǎn)的325型號(hào)溫控器和525型號(hào)驅(qū)動(dòng)器，將激光器輸出波長穩(wěn)定在1653.7nm處。采用光分束器將激光分為兩路信號(hào)，分別連接氣體吸收室和參考?xì)馐摇Ｒ訮IN光電二極管為光電探測器，設(shè)計(jì)了光電轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行了瓦斯?jié)舛葴y量實(shí)驗(yàn)，并得到瓦斯氣體濃度的計(jì)算表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測量瓦斯?jié)舛取?/p>

關(guān)鍵詞：差分吸收；瓦斯；分布式系統(tǒng)；紅外

0引言

我國是全球最大的煤炭消費(fèi)、生產(chǎn)和進(jìn)口國。但我國煤礦瓦斯含量高，瓦斯爆炸事故時(shí)常發(fā)生。提高瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)則有利于減少安全事故發(fā)生。甲烷氣體是瓦斯的主要成分，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測甲烷氣體濃度對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。目前常用的甲烷濃度測量方法有載體催化燃燒法[1-2]，電化學(xué)測量法[3]，光干涉測量法[4-5]以及光譜吸收[6-10]等測量方法。由于具有靈敏度高、防電磁干擾、防燃防爆等優(yōu)點(diǎn)，因此光譜吸收式甲烷測量方法成為近年來的研究熱點(diǎn)。

目前礦井瓦斯?jié)舛葯z測主要使用單點(diǎn)式測量設(shè)備。由于個(gè)別礦工安全意識(shí)淡薄，違規(guī)操作時(shí)有發(fā)生。而井上安全生產(chǎn)管理人員無法全面實(shí)時(shí)地了解井下各處瓦斯?jié)舛确植夹畔?，從而不能?zhǔn)確地評(píng)估煤礦安全生產(chǎn)潛在危險(xiǎn)。由于分布式光纖傳感器具有遠(yuǎn)距離多點(diǎn)監(jiān)測能力，因此構(gòu)建礦井瓦斯?jié)舛确植际奖O(jiān)測系統(tǒng)將有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測整座煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊姆植夹畔?，提高安全生產(chǎn)的預(yù)警及管控能力。本文采用差分吸收法，設(shè)計(jì)了一套礦井瓦斯?jié)舛裙饫w分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

1差分吸收原理

大部分非對(duì)稱雙原子分子和多原子分子的氣體在紅外光區(qū)域都有自己的特征吸收譜線。當(dāng)光源穿過氣體時(shí)，特征譜線的光會(huì)被氣體吸收，從而該譜線的光強(qiáng)度減弱。光強(qiáng)度減弱的程度與氣體濃度、光線在氣體中經(jīng)過的路程以及氣體在該譜線處的吸收強(qiáng)度有關(guān)。該關(guān)系可以采用Lambert-Beer定律來描述：

I=I0*exp(-μcl)

(1)

其中，I0為入射光強(qiáng)度；I為出射光強(qiáng)度；μ為特定波長處的吸收系數(shù)；c為待測氣體的體積濃度；l為氣體與光的作用長度。

氣體對(duì)特定波長光線的吸收系數(shù)以及氣體與光線的作用長度均是已知的。只要測得入射光強(qiáng)度和出射光強(qiáng)度，即可計(jì)算出氣體濃度。但光源不穩(wěn)定、長距離傳輸?shù)葘?dǎo)致的光強(qiáng)度衰減等因素會(huì)影響氣體濃度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。差分吸收法可以有效解決該問題。差分吸收法可分為單波長雙光路法和雙波長單光路法。以單波長雙光路法為例，激光器發(fā)送的紅外光由分束器分成兩路，其光強(qiáng)分別記為I01和I02。一路激光通過待測氣室，光強(qiáng)則因被氣體吸收而衰減；另一路則通過參考?xì)馐遥覂?nèi)氣體不吸收該波長的激光。參考?xì)馐业淖饔檬窍郎y氣室所在光路中光源波動(dòng)、傳輸衰減等因素對(duì)測量結(jié)果的影響。經(jīng)過氣室后，兩路出射光強(qiáng)度分別為：

I1=k1*I01*exp(-μcl)

(2)

I2=k2*I02

(3)

式中k1和k2分別為無甲烷氣體時(shí)光通過光纖的損耗系數(shù)，均為常數(shù)。由兩路出射光強(qiáng)之比，則可得：

(4)

在光路長度相同，光纖彎曲度相似等條件下，兩路中的光強(qiáng)損耗系數(shù)近似相等，即k1≈k2，或者兩者之比為常數(shù)。(4)式對(duì)數(shù)項(xiàng)中包含兩路入射光強(qiáng)之比I01/I02，因此可以有效消除光源光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)測量結(jié)果的影響。將光強(qiáng)損耗系數(shù)之比和兩路入射光強(qiáng)之比看作常數(shù)，記為k3，因此(4)式可以簡化為：

(5)

通過測量兩路出射光強(qiáng)度I1和I2，即可求出氣體濃度。

2瓦斯?jié)舛确植际焦饫w監(jiān)測系統(tǒng)

瓦斯光纖分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖1所示。圖中虛線框內(nèi)的設(shè)備安放在井上監(jiān)控室內(nèi)，而所有的氣室則安放在井下各監(jiān)測點(diǎn)處。激光器發(fā)射出的激光由光分束器分為多路。經(jīng)過光纜把各路激光信號(hào)送入礦井下。每根光纖都連接一個(gè)氣室。一個(gè)待測氣體吸收室和一個(gè)參考?xì)馐医M成一個(gè)敏感元件。由此可以保證兩路光信號(hào)的光程及其路徑彎曲程度等盡可能一致。待測氣體吸收室內(nèi)的氣體即為監(jiān)測點(diǎn)處的氣體。在氣體吸收室內(nèi)激光被甲烷吸收，因此其強(qiáng)度變?nèi)?。每路光信?hào)則經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及放大電路變?yōu)殡娦盘?hào)之后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。激光器的驅(qū)動(dòng)電路和溫度控制電路可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，在圖中用虛線表示。檢測室內(nèi)可以實(shí)時(shí)了解整個(gè)井下的瓦斯?jié)舛确植紶顩r，方便準(zhǔn)確地進(jìn)行事故預(yù)測和及時(shí)采取通風(fēng)排氣或急救措施。

圖1　瓦斯光纖分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

不同氣體的分子結(jié)構(gòu)不同，因此其所對(duì)應(yīng)的吸收光譜也不相同。甲烷氣體在中紅外和近紅外區(qū)域均有吸收光譜。在3.39μm，1.66μm，1.3μm三處的吸收強(qiáng)度之比大約為1000:5:1[11]。盡管甲烷在中紅外區(qū)域的吸收遠(yuǎn)強(qiáng)于在近紅外區(qū)域的吸收，但實(shí)際中難以采用中紅外吸收譜線，因?yàn)橹屑t外光源需要制冷，光源的譜帶較寬，而且現(xiàn)有光纖不適合中紅外光進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。因此本文選擇了近紅外吸收光譜區(qū)域。

本實(shí)驗(yàn)采用了日本安立公司生產(chǎn)的中心波長為1650nm的DFB激光器。該激光器具有譜線窄、功率大等優(yōu)點(diǎn)。溫控器選擇了Newport公司生產(chǎn)的325型號(hào)溫控器。該溫控器具有很好的溫度穩(wěn)定性，可以保證24小時(shí)內(nèi)溫度漂移不超過0.01℃。選擇了同一家公司生產(chǎn)的525型號(hào)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具有低噪聲、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，而且可以通過電流LIMIT設(shè)置，無條件地保護(hù)激光器。調(diào)節(jié)溫控器的輸出溫度，可以實(shí)現(xiàn)激光器輸出中心波長的粗略調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)的輸出電流，可以實(shí)現(xiàn)激光器輸出中心波長的精細(xì)調(diào)節(jié)。通過兩者的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，可以將輸出激光中心波長穩(wěn)定在甲烷氣體的某一吸收峰處。上述驅(qū)動(dòng)器和溫控器的良好性能可以保證激光器在長時(shí)間工作的情況下，輸出激光波長不會(huì)發(fā)生較大偏移。本實(shí)驗(yàn)選擇了甲烷氣體在1653.7nm處的吸收譜線。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖2所示。

使用分束器將激光信號(hào)一分為二。一路激光經(jīng)過待測氣室，另一路激光經(jīng)過參考?xì)馐摇蓚€(gè)氣室均為圓柱形密封鋼桶。氣室內(nèi)的兩端均有GRIN透鏡，構(gòu)成傳感頭。兩透鏡之間的距離設(shè)計(jì)為20cm。單光程吸收。每個(gè)氣室的兩頭均留有通氣口，用橡皮塞密封。使用注射器從甲烷容器中抽取氣體，并注射入待測氣室中，以此實(shí)現(xiàn)甲烷氣體的不同濃度配比。為使實(shí)驗(yàn)與實(shí)際情況更接近，在每個(gè)氣室前后均接入600米的光纖，即實(shí)現(xiàn)長距離傳輸。

圖2　實(shí)驗(yàn)框圖

使用PIN光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，其波長響應(yīng)范圍為1100～1700nm。讓PIN光電二極管工作于零偏置狀態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是無暗電流。由于光電二極管產(chǎn)生的電信號(hào)非常微弱，因此需要設(shè)計(jì)放大電路。這里使用了AD公司生產(chǎn)AD549作為運(yùn)放，具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。設(shè)計(jì)了兩個(gè)完全相同的電路，用以實(shí)現(xiàn)兩種光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。電路的輸出均由數(shù)據(jù)采集卡(PCI-2006)的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)。用LabVIEW軟件完成兩路光強(qiáng)的比值并取對(duì)數(shù)計(jì)算。根據(jù)(5)式可知，其比值反映了甲烷氣體的濃度值。

圖3　光電轉(zhuǎn)換電路

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圓柱形氣體吸收室的體積約為112mL。首先用氮?dú)?純度為99.99%)沖洗氣體吸收室，測量此時(shí)無甲烷氣體時(shí)的輸出電壓值。然后連續(xù)5次向氣室內(nèi)注射甲烷氣體(純度為99.95%)，每次注射1mL。記錄每一種情況下的輸出電壓比值。根據(jù)注射入的甲烷氣體體積和氣室氣體，計(jì)算出相應(yīng)的甲烷氣體濃度值。然后重新用氮?dú)鉀_洗氣室，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，記錄不同濃度下的輸出電壓比值。共重復(fù)做了6次上述實(shí)驗(yàn)。每一種濃度及其對(duì)應(yīng)輸出電壓值如表1所示。將每一種濃度下前5次的電壓比的測量值取平均，繪制出濃度與輸出電壓比值的關(guān)系圖，如圖4所示，并擬合得到兩者之間的線性關(guān)系式如(6)式所示。

表1　甲烷濃度及其輸出電壓值

圖4甲烷濃度及對(duì)應(yīng)的輸出電壓比值

y=0.0457x+0.8846

(6)

式中y為輸出電壓比值，x為甲烷氣體濃度。由此推導(dǎo)出甲烷氣體濃度計(jì)算式如下：

x=(y-0.8846)/0.0457

(7)

使用第6組的電壓比的測量值來檢驗(yàn)甲烷氣體計(jì)算表達(dá)式。將第6次測量的不同濃度下的電壓比值代入(7)式，計(jì)算出甲烷濃度，并與實(shí)際濃度值進(jìn)行比較。所計(jì)算出的濃度值及其誤差如表2所示。

表2　甲烷濃度計(jì)算值及其誤差

從上述結(jié)果可以看出，對(duì)于不同濃度的甲烷氣體，輸出電壓比值非常穩(wěn)定，這表明該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。根據(jù)多次測量所建立的甲烷濃度計(jì)算式能夠準(zhǔn)確反映出輸出電壓比值與甲烷濃度之間的關(guān)系。在實(shí)際操作過程中手動(dòng)控制注射甲烷氣體的體積會(huì)有一定的誤差。由于氣室體積較小，因此手動(dòng)操作的誤差可能會(huì)對(duì)測量結(jié)果有較大影響。如果更換為更大容量的氣室，則有望減少手動(dòng)操作的影響。

5結(jié)語

本文構(gòu)建了基于近紅外光譜差分吸收的礦井瓦斯?jié)舛确植际奖O(jiān)測系統(tǒng)。采用雙光路結(jié)構(gòu)克服了光源波動(dòng)和傳輸損耗對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測量瓦斯?jié)舛刃畔ⅰ＝窈髮⒃诖嘶A(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，包括進(jìn)一步提高系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性及可靠性，并開發(fā)上位機(jī)顯示及報(bào)警軟件等。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：周千]

Distributed Monitoring System of Mine Gas Concentration Based on Differential Infrared Absorption

YINJing-jing,XuZhen-feng

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui Vocational College of Defense Technology,Lu′an 237011,China)

Abstract：In order to realize the real time monitoring and early warning of the gas concentration in mines,a distributed optical fiber monitoring system based on the differential infrared absorption was developed.A DFB laser diode with 1650nm as central wavelength was adopted.The 325 type of temperature controller and 525 type of driver were both selected to make the output wavelength of the laser stable at 1653.7nm.A beam splitter was used to split the laser into two beams.One was connected with a gas absorption chamber while the other one was connected with a gas reference chamber.Two photoelectric transformation circuits were designed with the PIN photodiodes as detectors.Several experiments were conducted to measure the mine gas concentration,and the computational expression of gas concentration was obtained.The results show that this system can perform measurements accurately and reliably.

Key words：differential absorption;mine gas;distributed system;infrared

收稿日期：2016-02-29

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A121)

作者簡介：尹晶晶(1984-),女,安徽六安人,助教,從事智能控制研究。

中圖分類號(hào)：TP274+.52;TD712+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)03-0061-04