基于TDLAS 的礦用氣體監(jiān)測系統(tǒng)在云崗煤礦的應(yīng)用研究

周 敏

（晉能控股煤業(yè)集團云崗礦，山西 大同 037001）

1 概況

云崗煤礦井下瓦斯?jié)舛仍?.5%～1%之間，屬于低瓦斯煤礦，但由于綜采工藝的實施，會存在瓦斯富集區(qū)域，發(fā)生安全事故的隱患一直存在。煤礦積極響應(yīng)智慧礦山發(fā)展理念，對井下礦井氣體監(jiān)測系統(tǒng)進行升級改造[1-6]，旨在提升井下采煤安全性，提升煤礦的智能化程度。目前云崗礦的井下氣體尤其是甲烷濃度監(jiān)測采用濕氣化學檢測手段，即通過吸氣采樣與實驗分析相結(jié)合以檢測其濃度。雖然靈敏度能得到保證，但實時性和監(jiān)測連續(xù)性都很差，基于此進行礦用氣體濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)研究開發(fā)[7-10]，保證監(jiān)測精度的同時實現(xiàn)連續(xù)性實時濃度監(jiān)測。

2 TDLAS 氣體監(jiān)測原理

TDLAS 氣體濃度監(jiān)測實質(zhì)上發(fā)射監(jiān)測激光，被測氣體對監(jiān)測激光吸收后，通過對光譜波長或頻率函數(shù)采集，以此為原始數(shù)據(jù)進行被測氣體分子光學吸收截面的確定，進而對氣體濃度完成計算。與傳統(tǒng)氣體濃度監(jiān)測手段相比，TDLAS 直接吸收光譜技術(shù)具有無需定標、直接檢測氣體濃度的優(yōu)勢。TDLAS 氣體監(jiān)測吸收光譜技術(shù)有兩種不同的應(yīng)用方式：（1）連續(xù)線性對入射激光進行頻率調(diào)節(jié)，并對被測氣體持續(xù)掃描，形成吸收譜線的數(shù)據(jù)是經(jīng)過信號平均器處理后的；（2）對入射激光加入特定的鋸齒波形的信號，保持入射激光的頻率保持在某個特定范圍內(nèi)連續(xù)變化，經(jīng)過被測氣體吸收后，由信號平均器處理，形成吸收譜線。原理示意圖如圖1。

圖1 TDLAS 直接吸收氣體濃度測量原理圖

經(jīng)過光譜吸收后，探測器上會輸出一條連續(xù)的吸收線，通過對吸收線特征的解讀，可以完成氣體濃度計算。值得注意的是，吸收線的特征會受到噪聲影響，利用TDLAS 原理進行氣體濃度測量的系統(tǒng)要配置數(shù)據(jù)處理設(shè)備，將噪聲因素影響降到最低或者消除。噪聲主要包括奇次諧波引入的剩余幅度調(diào)制、標準具效應(yīng)產(chǎn)生的干涉條紋等。

3 云崗煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

云崗煤礦井下甲烷氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)采用TDLAS 波長調(diào)制技術(shù)原理進行設(shè)計。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2，該系統(tǒng)組成可以分為三部分：激光驅(qū)動系統(tǒng)、光路調(diào)整系統(tǒng)與信號采集接收系統(tǒng)。其中激光驅(qū)動系統(tǒng)包含圖2 中的鋸齒波發(fā)生裝置、正弦波發(fā)生裝置、激光驅(qū)動器等；光路調(diào)整系統(tǒng)包括圖2的可調(diào)諧激光二極管、甲烷樣品池、溫度補償電路、倍頻電路等；信號采集接收系統(tǒng)包括光電探測器、鎖相放大器、信息處理模塊以及顯示模塊。

圖2 基于TDLAS 原理的甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

基于TDLAS 原理的甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)的氣體監(jiān)測流程為：采用TDLAS 波長調(diào)制技術(shù)，將50 Hz鋸齒波發(fā)生器和50 Hz 正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的附加波通過DSP 控制，經(jīng)過電路增加到激光發(fā)生器上，激光驅(qū)動器產(chǎn)生疊加狀態(tài)的調(diào)制光線，經(jīng)過可調(diào)諧激光二極管的調(diào)制光線入射到甲烷樣品池后經(jīng)過甲烷吸收，信息被光電探測器捕獲將激光信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸出到鎖相放大器，被正弦波信號的兩倍頻信號解調(diào)，從鎖相放大器輸出的電信號就是與甲烷濃度相關(guān)的二次諧波信號，通過TMS320F2812 信號處理模塊的去噪、計算等處理，將監(jiān)測結(jié)果顯示在顯示模塊上，完成濃度監(jiān)測。

下面對系統(tǒng)的核心硬件選型進行分析：

（1）激光光源與驅(qū)動器

激光光源選擇要依托被監(jiān)測濃度的氣體對光譜的吸收特點確定，查閱資料可知甲烷氣體的吸收線位于1 653.72 nm，因此光源首先要輸出該波長的激光，同時輸出功率要與附加不同波形電流線性相關(guān)，實現(xiàn)保證吸收光譜的可識別性?；诖诉x擇日本NTT 公司的NLK1U5EAAA（14 針蝶形）分布式反饋激光器作為系統(tǒng)光源，該光源輸出波長范圍為1620～1675 nm 之間，輸出功率10 MW，通過電路控制能夠保持在輸出波長1 653.72 nm，保證甲烷吸收波長的穩(wěn)定。

（2）光電探測器

系統(tǒng)的光電探測器是實現(xiàn)光信號轉(zhuǎn)化為電信號的功能，在系統(tǒng)中是光路系統(tǒng)與電路系統(tǒng)連接的橋梁，輸出的信號甲烷濃度吸收光譜轉(zhuǎn)化的電信號，但未經(jīng)放大，因此選型主要考慮到抗干擾性和精度。RS-IGA-010-UE 型光電探測器在甲烷吸收波長范圍內(nèi)的響應(yīng)速度快，且光電轉(zhuǎn)化具有精準的線性相關(guān)性，保證監(jiān)測精度。具體參數(shù)見表1。

表1 RS-IGA-010-UE 型光電探測器參數(shù)

（3）鎖相放大器

鎖相放大器具有兩個作用，一是將輸入的電信號的頻率分量幅值進行放大，另外還可以根據(jù)被監(jiān)測氣體濃度電信號與噪音電信號的互不相關(guān)性，進行噪音電信號的抑制，最終輸出帶有被監(jiān)測氣體濃度信息的直流電信號。系統(tǒng)選擇美國ADI 公司的AD630 型鎖相放大器，該元件成本低，對噪音信號抑制性強，適合對甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)需求。

4 云崗煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

云崗煤礦基于TDLAS 原理的甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)運行流程如圖3。系統(tǒng)登錄后經(jīng)過一系列參數(shù)設(shè)置后，系統(tǒng)自動進行礦井甲烷氣體和標準氣體的二次諧波信號的顯示，系統(tǒng)將兩種諧波進行最小二乘法線性擬合，反演處理得到的待測甲烷濃度會經(jīng)過系統(tǒng)的濾波，去除背景影響以提升監(jiān)測濃度精度，顯示器上會顯示出最終的濃度數(shù)值。系統(tǒng)還設(shè)置有濃度超限報警系統(tǒng)，但監(jiān)測到的甲烷濃度高于設(shè)定的報警值后，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警信號，并發(fā)出設(shè)定好的動作信號，操作濃度降低設(shè)備或系統(tǒng)動作。

圖3 甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)運行流程圖

5 應(yīng)用效果

為了驗證該系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和對井下甲烷濃度監(jiān)測精度，將該系統(tǒng)應(yīng)用到云崗煤礦10302 工作面進行試驗。監(jiān)測精度試驗分別配置了十種氣體，監(jiān)測各氣體濃度與實際標氣濃度的關(guān)系，得到數(shù)據(jù)形成圖4（左）。經(jīng)過計算機運算，測量誤差在5%以下，絕對值誤差不大于0.06。系統(tǒng)穩(wěn)定性檢驗主要針對6×10-3的濃度進行試驗，圖4（右）為試驗500 min 周期內(nèi)的濃度監(jiān)測數(shù)值圖，系統(tǒng)穩(wěn)定誤差基本不超過10%，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性可靠。

圖4 系統(tǒng)精度與穩(wěn)定性試驗圖