N1203 工作面光纖甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 潔

（潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

潞安集團(tuán)的余吾煤業(yè)由于井下光線差、空間小、施工困難，布放過(guò)多的設(shè)備、線路對(duì)后期運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，加上井下巷道構(gòu)造復(fù)雜，造成局部區(qū)域甲烷氣體賦存，井下甲烷濃度監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)，因此以余吾煤礦N1203 工作面為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。

1 工作面概況

余吾煤礦N1203 工作面所在3#煤層為主要開(kāi)采煤層，生產(chǎn)能力為600 Mt/a，煤層深度超過(guò)400 m，甲烷氣體的絕對(duì)涌出量達(dá)198.06 m3/min。工作面長(zhǎng)度約302 m，煤層總高6 m，開(kāi)采高度3.2 m，放煤高度3.4 m，在開(kāi)采過(guò)程中采用中央并列式通風(fēng)。在回采至停采線80 m距離，瓦斯爆炸發(fā)生概率增大，因此需要對(duì)N1203 工作面甲烷氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

2 甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案

甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1，圖中實(shí)線代表電信號(hào)，虛線代表光信號(hào)。對(duì)甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)主要使用了鋸齒波調(diào)制半波掃描的方法[2]。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

通過(guò)中心單元發(fā)出指令調(diào)節(jié)電流控制器與溫度控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的發(fā)光頻率控制，激光發(fā)出后進(jìn)入波分系統(tǒng)（WDM），分波裝置將激光分為8路分別達(dá)到反射式氣室，由于光的波長(zhǎng)不同，會(huì)收到8 束光回到波分系統(tǒng)。得到的光束依次經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、放大器與微分處理模塊，形成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)再由A/D 轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，回到中心單元進(jìn)行處理。

3 甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 激光器驅(qū)動(dòng)模塊

通過(guò)調(diào)整激光器輸入電流大小，可以改變激光輸出波長(zhǎng)，電流每改變1 mA，激光波長(zhǎng)相應(yīng)變化0.02 nm。為了得到不同波長(zhǎng)的激光束，激光器的輸入電流采用鋸齒波的形式輸入，其電流驅(qū)動(dòng)模塊如圖2所示，由D/A 轉(zhuǎn)換器、平滑濾波電容器、鋸齒波信號(hào)調(diào)制單元、電流轉(zhuǎn)換單元和驅(qū)動(dòng)加強(qiáng)電路五部分組成，確保電流波形清晰精準(zhǔn)。

圖2 激光器電流驅(qū)動(dòng)模塊圖

主控芯片輸出控制信號(hào)到高精度D/A，高精度D/A 根據(jù)接收到的數(shù)字信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)鋸齒波模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)電容平滑濾波器處理，由階梯狀的鋸齒波信號(hào)變?yōu)槠交匿忼X波信號(hào)。主控芯片單元參考鋸齒波信號(hào)調(diào)制得到半波掃描的輸出電壓，輸出電壓經(jīng)過(guò)電流轉(zhuǎn)換模塊與驅(qū)動(dòng)加強(qiáng)電路模塊處理，進(jìn)入激光器，激光器發(fā)射對(duì)應(yīng)激光信號(hào)。經(jīng)上述驅(qū)動(dòng)電路模塊的調(diào)制，輸入激光器的輸入電流為25～50 mA，激光器掃描波長(zhǎng)范圍為1 645.457～1 645.515 nm。

實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體濃度的精確測(cè)量，除了圖2 所示驅(qū)動(dòng)電路，激光器周邊溫度對(duì)波長(zhǎng)的影響也不能忽視。激光波長(zhǎng)集中在0.05 nm 的范圍內(nèi)，而溫度每變化一度將造成激光波長(zhǎng)0.203 nm 幅度變化，故激光器的溫度波動(dòng)范圍在0.01 ℃之內(nèi)。為此，引入TCM-X107 型溫度控制模塊，確保溫度變化幅度不超0.01 ℃。

3.2 光電轉(zhuǎn)換模塊

經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制的激光器射出激光束，激光束穿過(guò)待測(cè)氣體，依據(jù)比爾-朗伯定律，不同濃度的氣體會(huì)造成相應(yīng)的光強(qiáng)變化，且變化呈比例[3]。故對(duì)光強(qiáng)度的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可得到氣體濃度值。但現(xiàn)有的儀器設(shè)備，直接測(cè)量光強(qiáng)直觀性差、要求較高，引入光電轉(zhuǎn)換模塊，可更直接測(cè)量數(shù)值，而且便于對(duì)信號(hào)完成前置放大處理。

試驗(yàn)選取的光電轉(zhuǎn)換模塊芯片為AD8605 型號(hào)，該型號(hào)芯片轉(zhuǎn)換精度高，屬于干擾噪聲小的運(yùn)算放大器，且運(yùn)算放大器可編程，便于改變放大系數(shù)，確保多路系統(tǒng)具有良好的全局一致性。

3.3 信號(hào)解調(diào)模塊

信號(hào)解調(diào)模塊主要將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)后解調(diào)，依據(jù)解調(diào)的結(jié)果可得到氣體濃度信息，得到最終的氣體濃度數(shù)值[4]。信號(hào)解調(diào)模塊共包括七部分：前置放大電路、微分處理電路、信號(hào)解讀、信號(hào)調(diào)理、差分處理、抗混疊濾波和AD采集。

試驗(yàn)選取的微分處理模塊為OPA209型號(hào)設(shè)備，運(yùn)放正極輸入?yún)⒖茧妷簽?.5 V。信號(hào)解讀與信號(hào)調(diào)理過(guò)程，是通過(guò)分光器將一束光分為兩束分別調(diào)理，經(jīng)調(diào)理后送到差分運(yùn)算器中，用于信號(hào)計(jì)算。差分處理主要是降低信號(hào)中存在的共模干擾，抗混疊濾波用于信號(hào)波過(guò)濾，均起到降低干擾、提升結(jié)果可靠性的作用。AD 采集單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)信號(hào)采集，并輸送至DSP 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

各模塊初始化的過(guò)程，可檢驗(yàn)?zāi)K運(yùn)行狀況是否正常。信號(hào)調(diào)制主要用于激光器的輸出光調(diào)制，確保輸出光強(qiáng)與波長(zhǎng)滿足要求。光信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體后回到PIN-PD 探測(cè)器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，處理為電信號(hào)，進(jìn)而對(duì)電信號(hào)進(jìn)行路數(shù)判斷。若處理路數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)，則按照路數(shù)進(jìn)行后續(xù)處理；若處理路數(shù)不在規(guī)定范圍內(nèi)，則重新回到初始化位置。使用解調(diào)程序調(diào)整信號(hào)，將解調(diào)結(jié)果進(jìn)行AD 采集，對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)送入到DSP 中帶入預(yù)先設(shè)定的算法。最終的結(jié)果在上位機(jī)屏幕與下位機(jī)液晶屏上輸出，由機(jī)器自動(dòng)判斷數(shù)值是否超過(guò)設(shè)定閾值，若超過(guò)設(shè)定氣體濃度告警值，將在對(duì)應(yīng)支路發(fā)出報(bào)警或預(yù)報(bào)警信號(hào)。

4.1 通道選擇子程序

通道選擇子程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與判斷處理。程序正式運(yùn)行前，需要首先對(duì)通道選擇進(jìn)行初始化，進(jìn)而可對(duì)通道數(shù)值進(jìn)行判斷，確定通道數(shù)值是否在路數(shù)范圍以內(nèi)。若通道數(shù)值正好處于路數(shù)范圍以內(nèi)，則進(jìn)入運(yùn)算放大器內(nèi)，通過(guò)給定合理的放大增益，完成調(diào)節(jié)。處理通道完成后，還會(huì)將通道數(shù)+1，執(zhí)行下一路。若通道數(shù)值不在路數(shù)范圍以內(nèi)，則直接將該通道返回初始化，通道數(shù)歸零。

4.2 數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集主要為AD 采集，對(duì)各通道的信號(hào)按照采集周期進(jìn)行處理信號(hào)的采集，并完成計(jì)算。數(shù)據(jù)采集子程序運(yùn)行首先需要進(jìn)行初始化操作，初始化后等待采集信號(hào)，采集信號(hào)是在信號(hào)處理完成后向AD 采集發(fā)出的，AD 判斷采集操作。若進(jìn)行采集，則需要開(kāi)啟采集中斷程序；若不進(jìn)行采集，則直接返回程序。

4.3 串口通信子程序

串口通信主要用作信號(hào)的傳輸，經(jīng)各模塊處理與計(jì)算得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口可傳送至下位機(jī)與上位機(jī)，并在指定LCD 屏上顯示。串口通信子程序開(kāi)始運(yùn)行同樣會(huì)執(zhí)行初始化操作，待各模塊計(jì)算完成后，由串口通信子程序進(jìn)入終端，將計(jì)算結(jié)果傳送至上位機(jī)與下位機(jī)。傳輸過(guò)程中，串口通信子程序還會(huì)對(duì)傳輸過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳送一旦完成則立即執(zhí)行返回程序。

5 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

完成甲烷濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的有效性，在余吾煤業(yè)N1203 工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

首先驗(yàn)證氣體濃度與監(jiān)測(cè)結(jié)果的線性關(guān)系。將濃度已知的甲烷氣體分別通入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，得到監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄，并在圖中標(biāo)點(diǎn)，最后將所有測(cè)試結(jié)果用直線連接，得到如圖4所示的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，氣體濃度測(cè)量值與實(shí)際取值接近，誤差小，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

圖4 氣體濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

進(jìn)一步對(duì)氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。選擇濃度為82.2%的甲烷氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄周期為每3 min 記錄一次，共記錄7 d，得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。通過(guò)圖5 可以得出，在該氣體濃度下，甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤差范圍在±0.25%范圍內(nèi)波動(dòng)，監(jiān)測(cè)精度1×10-5，穩(wěn)定性可達(dá)0.01%。

圖5 氣體濃度穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

實(shí)際的工作面中，為了確保氣體濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)有效，選擇將甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器進(jìn)氣口安裝在瓦斯抽采管道的出氣口位置，傳感器與監(jiān)測(cè)儀之間可拉遠(yuǎn)連接，借助光纖優(yōu)越的傳輸性能，最大理論傳輸距離能達(dá)到10 km。監(jiān)測(cè)儀通過(guò)以太網(wǎng)接口與上位機(jī)通訊，提供實(shí)時(shí)氣體濃度數(shù)據(jù)，減少井下現(xiàn)場(chǎng)工作量。為了監(jiān)測(cè)光纖甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能，與現(xiàn)網(wǎng)使用的便攜式甲烷氣體監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行對(duì)比，分別選取兩處位置加裝便攜式甲烷氣體監(jiān)測(cè)儀，得到如圖6 所示的測(cè)試結(jié)果。其中test 1 為光纖甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，test 2 和test 3為便攜式甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)儀。通過(guò)圖6 可以得出，光纖甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度更高。

圖6 不同氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)余吾煤礦N1203 工作面光纖甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了各模塊功能與流程，對(duì)比了不同監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度，得到：

（1）通過(guò)結(jié)合傳感器技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，結(jié)合氣體的吸收譜線特性，提出鋸齒波調(diào)制半波掃描監(jiān)測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)區(qū)域的氣體濃度監(jiān)測(cè)，減少井下工作量，提升監(jiān)測(cè)精度與效率；

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明了光纖甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性，82.2%的甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)誤差范圍在±0.25%內(nèi)波動(dòng)，監(jiān)測(cè)精度1×10-5，穩(wěn)定性可達(dá)0.01%。