激光甲烷傳感器在瓦斯抽放管道在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

金光賢 孟 輝 賈光輝

（1.山東微感光電子有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.山東新礦趙官能源有限責(zé)任公司，山東 德州 251113）

在高瓦斯礦井開采過程中，先抽后采是防范瓦斯事故的治本之策。開展煤礦瓦斯抽采利用，可使高瓦斯礦井在低瓦斯?fàn)顟B(tài)下開采，避免了煤礦生產(chǎn)的災(zāi)害，同時(shí)具有非?？捎^的環(huán)保價(jià)值[1]。在瓦斯抽采過程中管道內(nèi)甲烷的濃度浮動(dòng)較大，需要用專門的配氣管道對(duì)抽采的瓦斯進(jìn)行配氣，才能得到濃度較高且濃度值穩(wěn)定的瓦斯氣體，因此，對(duì)抽采和配氣管道內(nèi)甲烷等氣體濃度的檢測(cè)十分必要。瓦斯抽采的過程中為了抑爆，通常向管道內(nèi)噴大量的水霧，造成管道內(nèi)濕度較高。此外，由于瓦斯抽采的管道一般都比較長(zhǎng)，且所處的環(huán)境比較復(fù)雜，在抽采過程中很容易出現(xiàn)管道泄漏的情況，而甲烷在5%～16%的范圍內(nèi)就容易爆炸[2]。

目前煤礦氣體檢測(cè)主要有載體催化燃燒式、熱導(dǎo)式、光干涉式和紅外吸收式等，但這些檢測(cè)手段均存在不同程度的弊端，比如電化學(xué)類瓦斯傳感器易漂移，測(cè)量范圍小，長(zhǎng)期可靠性差，精度低，易中毒等；紅外吸收式傳感器易存在不同氣體的交叉干擾[3-5]。在這種惡劣環(huán)境下傳統(tǒng)的甲烷傳感器很難做到實(shí)時(shí)、在線且準(zhǔn)確地測(cè)量。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，激光光譜吸收的光纖傳感器越來越受到研究者的關(guān)注[6-7]。激光甲烷傳感器具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量誤差低、響應(yīng)速度快、調(diào)校周期長(zhǎng)，使用壽命長(zhǎng)、氣體單一性高、后期維護(hù)方便等特點(diǎn)。通過綜合對(duì)比，激光甲烷傳感器與其他幾種傳感器對(duì)比，在穩(wěn)定性和可靠性方面要具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別適合在煤礦瓦斯抽采管道這種惡劣環(huán)境下應(yīng)用。

由于抽采管道內(nèi)氣體的壓力和環(huán)境溫度變化較大，對(duì)濃度的測(cè)量值有較大的影響，為了提高對(duì)氣體濃度的測(cè)量精度，本文介紹了激光甲烷傳感器在寬溫度范圍、寬壓力范圍下的適應(yīng)性，并引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 激光甲烷傳感器工作原理

甲烷采用氣體光譜吸收的原理進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)Lambert-Beer定律，當(dāng)一束光強(qiáng)為I0(λ)的平行光通過裝有待測(cè)氣體的氣室時(shí)，如果光源光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)該氣體的吸收譜線，則透射光強(qiáng)I(λ)與入射光強(qiáng)I0(λ)及氣體濃度C之間的關(guān)系（2）為：

式中：

α(λ)-介質(zhì)的吸收系數(shù)；

L-光吸收氣體的長(zhǎng)度；

P-氣體介質(zhì)的總壓力；

S(T)-該氣體特征譜線的線強(qiáng)度，表示譜線的吸收強(qiáng)度，只與溫度有關(guān)；

Φ(λ)-線型函數(shù)，表示被測(cè)吸收譜線的形狀，與溫度、總壓力和氣體中的各成分含量有關(guān)。

對(duì)式（1）兩邊進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算后在整個(gè)頻域內(nèi)進(jìn)行積分，則可得：

因此，氣體濃度可以直接通過下式計(jì)算而得：

在已知壓力、吸收線強(qiáng)度和光吸收氣體的有效長(zhǎng)度等參數(shù)的情況下，將-ln(I/I0)在頻域上的積分值帶入式（3）中，就可以最終得到氣體濃度值。通常情況下不直接對(duì)光譜吸收率信號(hào)進(jìn)行積分，而采用對(duì)應(yīng)的線型函數(shù)進(jìn)行擬合，從線型擬合結(jié)果中精確得到該積分值，減小直接積分時(shí)測(cè)量誤差的影響。實(shí)際傳感器設(shè)計(jì)中一般先假設(shè)氣體的壓力和吸收線是一個(gè)常數(shù)，只需測(cè)量吸收前后光強(qiáng)的變化即可測(cè)得待測(cè)氣體的濃度。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，需要溫度和壓力補(bǔ)償[8]。

2 管道無線激光甲烷傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，在瓦斯抽放管道使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是時(shí)代的進(jìn)步及趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地可查看瓦斯抽放管道的數(shù)據(jù)，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)意義非常大。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 無線激光甲烷傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由傳感器端、服務(wù)器端、PC及移動(dòng)終端組成。傳感器使用礦用無線激光甲烷傳感器，通訊方式為GPRS通訊方式，設(shè)備終端由常規(guī)的電腦終端、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備端組成。服務(wù)器端使用有人服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)傳感器與電腦端、手機(jī)移動(dòng)端的連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

2.2 溫度補(bǔ)償技術(shù)研究

傳統(tǒng)甲烷傳感器工作溫度范圍為0～40℃，適用于煤礦井下環(huán)境。在瓦斯抽放監(jiān)測(cè)中，室外使用時(shí)需要更寬的工作溫度范圍?；贒FB的激光甲烷傳感器需要激光器溫控單元，且溫控單元可控溫的范圍是有限的，一般在±20℃范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高工作溫度范圍擴(kuò)展存在難度。

基于VCSEL激光器技術(shù)創(chuàng)新了自適應(yīng)多波段光譜吸收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無溫控、超低功耗激光光譜檢測(cè)。應(yīng)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了寬溫度范圍的準(zhǔn)確測(cè)量。

激光甲烷傳感器在-10℃～50℃內(nèi)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 激光甲烷傳感器溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)氣體20%）

圖2 激光甲烷傳感器溫度補(bǔ)償曲線（標(biāo)準(zhǔn)氣體20%）

為適應(yīng)于煤礦使用，當(dāng)前設(shè)計(jì)的溫度范圍為-15℃～55℃。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，溫度可擴(kuò)展到-30℃～70℃，進(jìn)一步提高性能。

2.3 壓力補(bǔ)償技術(shù)研究

當(dāng)前，在瓦斯抽放中使用的傳統(tǒng)甲烷傳感器壓力范圍為50～150kPa，為了適應(yīng)各種場(chǎng)合的應(yīng)用，研究寬壓力補(bǔ)償方法是非常必要的?；赩CSEL激光器技術(shù)創(chuàng)新了壓力高精度補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)30～200kPa壓力范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量。

激光甲烷傳感器在30～200kPa壓力范圍內(nèi)甲烷濃度測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 激光甲烷傳感器壓力補(bǔ)償數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)氣體20%）

激光甲烷傳感器在30～200kPa壓力范圍內(nèi)甲烷濃度趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 激光甲烷傳感器壓力補(bǔ)償曲線（標(biāo)準(zhǔn)氣體20%）

壓力范圍30～200kPa內(nèi)，通過壓力補(bǔ)償監(jiān)測(cè)精度有明顯的提高。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及討論

為了穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)安裝了濾水濾塵裝置，同步在設(shè)備內(nèi)部采用防水措施。如圖4所示。

引入物聯(lián)網(wǎng)概念，搭建礦用無線激光甲烷傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的?？稍谌蛉魏蔚胤剑S時(shí)查詢每個(gè)傳感器信息。

礦用激光甲烷傳感器可同時(shí)精確測(cè)量甲烷濃度、溫度、壓力等信息，長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，不出現(xiàn)跳變、斷線等異常情況。

4 結(jié)論

闡述了激光甲烷傳感器，基于VCSEL激光器技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬溫度補(bǔ)償及寬壓力補(bǔ)償。在溫度范圍-15℃～55℃、壓力范圍30～200kPa下更準(zhǔn)確地測(cè)量甲烷濃度,適用于瓦斯抽放監(jiān)測(cè)。并在瓦斯抽放管道的應(yīng)用中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)的目的。

圖5 手機(jī)移動(dòng)端數(shù)據(jù)展示