車載式甲烷傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研究

張遠(yuǎn)征

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400039）

隨著我國綜合國力的持續(xù)增強(qiáng)，生產(chǎn)生活活動需要大量的煤炭、石油、天然氣等各種能源，現(xiàn)階段我國能源結(jié)構(gòu)仍然以煤炭資源為主，占據(jù)了50%以上的市場份額。煤炭的開采工藝復(fù)雜，開采難度大，近些年隨著各種新的開采工藝和裝備技術(shù)的涌現(xiàn)，煤炭開采產(chǎn)量常年維持在高量水平，為國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。瓦斯是造成煤炭開采過程中安全事故的重要誘因，為了保障安全生產(chǎn)，防止瓦斯安全事故發(fā)生，在煤礦開采環(huán)節(jié)的膠輪車、采煤機(jī)、千米鉆機(jī)等防爆機(jī)車上均安裝車載式甲烷傳感器，保障設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。因載體催化原理甲烷檢測技術(shù)具有價格便宜，制造工藝成熟等特點(diǎn)，目前防爆機(jī)車監(jiān)測普遍采用載體催化原理，然而載體催化原理受振動、環(huán)境等因素的影響，黑白催化元件上的鉑金絲容易疲勞損壞引起檢測誤報(bào)、元件失效等情況，導(dǎo)致甲烷傳感器易誤報(bào)、易損壞、可靠性低，無法為設(shè)備提供及時可靠的安全保障[2]。

因此，本文根據(jù)車載甲烷檢測領(lǐng)域的特殊性，提出了一種基于非色散紅外檢測原理，在礦用車載領(lǐng)域可長時間高可靠工作的甲烷檢測技術(shù)，可大大提高檢測的準(zhǔn)確性，降低甲烷傳感器的損壞率，降低甲烷檢測的誤報(bào)率，提高煤礦安全生產(chǎn)效率。

1 檢測原理及傳感器總體設(shè)計(jì)

1.1 非色散紅外甲烷檢測原理

非色散紅外甲烷檢測技術(shù)一般采用近紅外光測量，其波長范圍780 nm～3000 nm[3]，并且滿足朗伯比爾定律，如式（1）所示：

式中：I 代表入射光被氣體吸收后的光強(qiáng)；I0代表入射光的初始光強(qiáng)；k（v）代表氣體對頻率v 的吸收系數(shù)；C 代表吸收氣體的濃度；L 代表入射光的總光程。

根據(jù)式（1）可知，對于甲烷敏感元件，其光程長度確定，那么甲烷濃度只與初始光強(qiáng)和吸收后的光強(qiáng)相關(guān)，即只需要測量出電流信號，并經(jīng)信號整理轉(zhuǎn)換為電壓信號，即可測量出環(huán)境中甲烷濃度。甲烷濃度測量示意圖如圖1所示。

圖1 甲烷濃度測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of methane concentration measurement

紅外光對甲烷氣體的吸收系數(shù)與環(huán)境溫度和大氣壓強(qiáng)相關(guān)，大氣壓強(qiáng)的日變化幅度較小，造成的測量影響甚微，而溫度的變化幅度跟所處環(huán)境有很大的關(guān)系，影響不可忽略不計(jì)[4]，因此需要采用對應(yīng)的方法來降低溫度對甲烷濃度測量的影響，提高甲烷的測量精度[5]。

1.2 傳感器總體設(shè)計(jì)

機(jī)載式甲烷監(jiān)測探頭如圖2所示，傳感器主要由ARM 處理器、溫度采樣電路、甲烷采集電路、恒溫控制電路、顯示電路、RS485 通訊電路、遙控電路、報(bào)警電路構(gòu)成[6]。其中，紅外元件、甲烷采集電路、恒溫控制電路、溫度采集電路采用澆封方式集成在一個結(jié)構(gòu)體內(nèi)，ARM 處理器用于觸發(fā)特定頻率紅外光源的發(fā)射，甲烷濃度信號的采集和溫度補(bǔ)償算法的運(yùn)算處理，環(huán)境溫度的實(shí)時采集和恒溫控制電路的閉環(huán)控制，甲烷濃度的實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

圖2 傳感器系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Sensor system architecture

2 車載甲烷檢測技術(shù)的研究

2.1 車載溫控與振動技術(shù)研究

礦山機(jī)車常常穿梭于地面和井下巷道，整車所處的環(huán)境溫度時常變化，特別是冬季，地面和井下的溫差最高可達(dá)±40 ℃，而且機(jī)車運(yùn)行過程中車身具有明顯的振動，道路的高低起伏還會造成更大g值的振動，甲烷傳感器極易受溫度變化、振動等因素造成測量不準(zhǔn)確，甚至損壞的可能，為提高甲烷濃度的測量精度，防止振動導(dǎo)致探頭損壞，需采用澆封體型式確保溫度補(bǔ)償技術(shù)和防振動技術(shù)的結(jié)合處理[7]。

首先，采用金屬圓柱體作為外殼，將陶瓷發(fā)熱體嵌入其中；其次，將溫度元件、紅外元件和控制電路嵌入其中，確保陶瓷發(fā)熱體與紅外元件可靠接觸；最后，用防水透氣膜封堵進(jìn)氣口，并用導(dǎo)熱灌封膠澆封，使上述各部件組成一個整體。經(jīng)過上述步驟，紅外元件便制備成了具有溫度測量、電輔助加熱、恒溫控制、防塵防水的紅外元件結(jié)構(gòu)體，即可避免振動對甲烷測量的不利影響，同時也為溫度補(bǔ)償、提高甲烷測量精度提供了硬件保障[8]。紅外元件結(jié)構(gòu)體整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅外元件結(jié)構(gòu)體組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of infrared component

2.2 自適應(yīng)溫度補(bǔ)償方法

為了確保在不同溫升斜率下的自適應(yīng)補(bǔ)償速度和補(bǔ)償精度，需要建立溫度變化對甲烷測量值的影響數(shù)據(jù)模型，其包括在溫度-20～50 ℃范圍內(nèi)每間隔5 ℃完成一次模擬濃度測試，模擬濃度測試點(diǎn)選取0.5%CH4，2%CH4，3.5%CH4，并記錄下對應(yīng)溫度點(diǎn)的傳感器測量值，完成濃度-溫度數(shù)據(jù)模型的建立，基本的溫度測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對甲烷氣體傳感器測量的影響Fig.4 Influence of temperature on measurement of methane gas sensor

參照不同溫度點(diǎn)下的自適應(yīng)溫度補(bǔ)償斜率公式為

計(jì)算出甲烷濃度值固定、溫度值變化條件下，不同溫度點(diǎn)下的自適應(yīng)溫度補(bǔ)償斜率K-20，K-15，K-10，…，K45，K50。并同時計(jì)算出溫度值固定不變條件下，甲烷濃度量程范圍內(nèi)相鄰試驗(yàn)點(diǎn)之間的自適應(yīng)補(bǔ)償精度斜率K′，K′0.5，K′1.0，…，K′4.0，采用最小二乘法分別對所造成的測量誤差結(jié)果進(jìn)行了分段式的線性計(jì)算和測量誤差擬合[9]，計(jì)算公式如式（3）所示：

傳感器在實(shí)際使用中采用以下步驟完成自適應(yīng)溫度補(bǔ)償算法的運(yùn)算：①實(shí)時獲取測量環(huán)境的溫度值T 和該環(huán)境下的甲烷濃度值C′；②將甲烷濃度值C′和溫度補(bǔ)償斜率K 代入公式（3）獲得第1 次溫度補(bǔ)償?shù)募淄闈舛戎礐″；③將甲烷濃度值C″和自適應(yīng)補(bǔ)償精度斜率K′代入公式（3）獲得第2 次補(bǔ)償?shù)募淄闈舛戎礐?；④計(jì)算第1 次補(bǔ)償后的甲烷濃度值和第2 次補(bǔ)償后的甲烷濃度值是否滿足≤0.01 的自適應(yīng)補(bǔ)償終止條件，直至滿足精度條件后停止循環(huán)補(bǔ)償[10]。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于非色散紅外檢測原理基于紅外元件結(jié)構(gòu)體型式的甲烷關(guān)鍵技術(shù)的有效性和數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，在恒溫試驗(yàn)箱中對車載甲烷傳感器樣機(jī)進(jìn)行了0.5%CH4，1%CH4，1.5%CH4，2%CH4，2.5%CH4，3%CH4，3.5%CH4，4%CH4濃度下的精度測試，分別計(jì)算得出測量誤差，結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度下甲烷濃度測量Tab.1 Methane concentration measurement at different temperatures

根據(jù)表1可以看出，車載甲烷傳感器完全能滿足不同溫度條件下甲烷濃度的精確測量，測量精度優(yōu)于±0.05%CH4。

同時為了驗(yàn)證基于上述技術(shù)的車載甲烷傳感器在振動環(huán)境的適應(yīng)性，在振動試驗(yàn)臺完成了12 h的±5 g 的振動模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 振動試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Vibration test data

根據(jù)表2可以看出，在不同加速度值的振動條件下，車載甲烷傳感器的零點(diǎn)顯示值均未發(fā)生明顯影響測量精度的漂移，且經(jīng)過12 h 的振動模擬試驗(yàn)后，傳感器各項(xiàng)指標(biāo)工作正常，完全能適應(yīng)礦山機(jī)車在復(fù)雜振動環(huán)境下的需要，提高了車載甲烷傳感器的環(huán)境適應(yīng)性，提高了傳感器整機(jī)的工作壽命和可靠性。

4 結(jié)語

本文分析了礦山機(jī)車使用環(huán)境的特點(diǎn)，指出了現(xiàn)有礦山機(jī)車等車載式甲烷濃度監(jiān)測設(shè)備的局限性，提出了一種基于非色散紅外甲烷檢測原理，并適用于礦用車載領(lǐng)域長時間、高可靠、高精度的甲烷檢測技術(shù)和裝備，可以克服振動因素、環(huán)境溫度變化對甲烷測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的影響，通過振動、高低溫度試驗(yàn)證明了本方法的可行性，提高了車載式甲烷傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力，提高了車載式甲烷設(shè)備振動環(huán)境的適應(yīng)性，降低了設(shè)備的損耗率，同時通過標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證了測量精度，車載式甲烷傳感器測量誤差小于±0.05%CH4，測量精度較高，能滿足煤礦現(xiàn)場的準(zhǔn)確測量需求。