基于光纖傳感技術(shù)的瓦斯抽采管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李艷芳，岳建會(huì)，孟輝

(1.山東省光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014;2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京 100081;3.山東微感光電子有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

在煤礦開采過程中，對(duì)于一些高瓦斯礦實(shí)行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，還具有非常可觀的環(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，而甲烷在濃度5%～16%的范圍內(nèi)就容易爆炸［2］，因此為了保證瓦斯管道的完整性和抽采的安全性，在抽采過程中對(duì)氧氣的監(jiān)測(cè)也很有必要［3－4］。

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［5－7］。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，基于激光光譜吸收的光纖傳感器越來越受到研究者的關(guān)注［8－9］。這類傳感器具有不帶電、本質(zhì)安全、不受電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、靈敏度高和長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，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，我們?cè)诨诠饫w傳感技術(shù)的瓦斯抽采管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用FPG技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度壓力的測(cè)量［10－11］，并基于測(cè)量值對(duì)氣體濃度探測(cè)做了相應(yīng)的補(bǔ)償。

1 測(cè)量原理

甲烷和氧氣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［10］為

其中，α(λ)為介質(zhì)的吸收系數(shù);L為光吸收氣體的長(zhǎng)度;P為氣體介質(zhì)的總壓力;S(T)為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)為線型函數(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，在一些精密測(cè)量中需要加入溫度和壓力補(bǔ)償。

光纖氣體溫度、壓力傳感器是一種光纖光柵型傳感器。布拉格光柵會(huì)對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光(帶寬通常約為0.2 nm)，此中心波長(zhǎng)稱之為布拉格波長(zhǎng)。當(dāng)溫度、應(yīng)變同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，總的布拉格波長(zhǎng)位移應(yīng)為熱移動(dòng)分量和應(yīng)變移動(dòng)分量之和。該波長(zhǎng)λB滿足［13］

其中，ΔλB是中心波長(zhǎng)的變化，α為光纖的熱膨脹系數(shù)，ζ為熱光系數(shù)，ΔT為光柵處的溫度變化，Pe為有效光彈系數(shù)，ε為光柵的應(yīng)變，可以是壓力、位移、速度和加速度等的函數(shù)。由式(4)可以看出，光柵的波長(zhǎng)變化和所處的溫度以及承受的壓力有一定的關(guān)系，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通過測(cè)量光柵波長(zhǎng)的變化即可測(cè)得環(huán)境溫度和壓力。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure illstration

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述氣體濃度和溫度壓力測(cè)量原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于光纖傳感技術(shù)的瓦斯抽采發(fā)電安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。由中央處理單元產(chǎn)生合適的光源調(diào)制信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)甲烷、氧氣和溫度壓力檢測(cè)激光器。光源發(fā)出的光經(jīng)過各自的檢測(cè)光路后到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路，光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理電路把帶有相應(yīng)濃度信號(hào)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大濾波，經(jīng)過處理后的電信號(hào)送入采集單元，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入中央處理單元，經(jīng)過中央處理單元對(duì)數(shù)據(jù)處理后即可解調(diào)環(huán)境內(nèi)甲烷、氧氣的濃度和管道內(nèi)的溫度和壓力。由式(3)可知，氣體的檢測(cè)濃度受環(huán)境的溫度和壓力的影響。為了提高系統(tǒng)的精度，利用所測(cè)得的環(huán)境溫度和壓力對(duì)檢測(cè)濃度做了適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)證明，補(bǔ)償后系統(tǒng)的精度分別提高了7%和11%。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

3.1 氣體濃度測(cè)量結(jié)果

在本項(xiàng)目中，使用低頻鋸齒波調(diào)制DFB激光器的工作電流以便達(dá)到波長(zhǎng)調(diào)制的目的，使得激光器的中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)甲烷的一個(gè)吸收峰1653.7 nm。采用一個(gè)內(nèi)置參考?xì)馐掖_定瓦斯氣體吸收波長(zhǎng)，保障系統(tǒng)在小信號(hào)時(shí)依然可靠工作。由于測(cè)量范圍比較大，在實(shí)驗(yàn)中使用分段標(biāo)定且進(jìn)行二次擬合的方法進(jìn)行氣體濃度的標(biāo)定。圖2給出了濃度分別為0%、0.979%、4%、6.99%、20%、35%、60%、85%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)激光甲烷傳感器濃度和比值的標(biāo)定曲線，二者的關(guān)系滿足C1=2.731x12+54.42x1+0.048，其中，C1表示甲烷標(biāo)氣濃度，x1表示吸收前后光強(qiáng)的比值。圖3給出了現(xiàn)場(chǎng)某一激光甲烷傳感器和傳統(tǒng)甲烷傳感器顯示值的對(duì)比，結(jié)果顯示兩種傳感器測(cè)試的甲烷濃度變化趨勢(shì)一致，表明激光甲烷傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯管道甲烷濃度的監(jiān)測(cè)。

圖2 激光甲烷傳感器標(biāo)定曲線Fig.2 Calibration curve of a laser methane sensor

圖3 激光甲烷傳感器和傳統(tǒng)甲烷傳感器顯示值對(duì)比Fig.3 Concentration contrast between fiber laser sensor andtraditional methane sensor

氧氣的吸收峰在760 nm附近，由于在該波段普通光通訊波段1550 nm的器件損耗非常大，不能滿足光的傳輸、轉(zhuǎn)換等功能，所以用于氧氣探測(cè)的器件都采用特殊波長(zhǎng)的器件實(shí)現(xiàn)。采用DFB激光器對(duì)氧氣波長(zhǎng)在該吸收峰附近進(jìn)行掃描，得到氣體吸收光譜，分別對(duì)應(yīng)0%、1.5%、4.5%、10%、15%、30.05%、100%的標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度，得到的二次諧波信號(hào)如圖4所示。采用不同濃度的氧氣標(biāo)氣對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖5所示。氧氣濃度和二次諧波幅值滿足公式C2=0.4963x22+15.751x2－0.4903，其中，C2表示氧氣的濃度、x2表示二次諧波的幅值。

圖4 不同濃度氧氣二次諧波曲線Fig.4 Second-harmonic wave curve for different concentrations of oxygen

圖5 氧氣標(biāo)定曲線Fig.5 Oxygen calibration curve

3.2 溫度、壓力測(cè)量結(jié)果

應(yīng)用多點(diǎn)光纖氣體溫度、壓力傳感系統(tǒng)軟件對(duì)設(shè)計(jì)的溫度、壓力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，溫度傳感器標(biāo)定結(jié)果如圖6所示，溫度值和光柵的波長(zhǎng)滿足公式Tc=102.22λ－1562.6，其中，Tc表示環(huán)境溫度、λ表示光柵的中心波長(zhǎng)。壓力傳感器標(biāo)定結(jié)果如圖7所示。壓力值和光柵的波長(zhǎng)滿足公式Pc=61.263λ－93838，其中，Pc表示待測(cè)壓力。從圖中可以看出溫度、壓力傳感器的線性度很好。

圖6 溫度傳感標(biāo)定數(shù)據(jù)Fig.6 Calibration data of a temperature sensor

圖7 壓力傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)Fig.7 Calibration data of a pressure sensor

圖8 溫度傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.8 Field results of a temperature sensor

圖9 壓力傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.9 Field results of a pressure sensor

實(shí)際應(yīng)用時(shí)溫度壓力傳感器采用懸臂梁、波紋管的組合結(jié)構(gòu)，傳感器安裝方便。圖8和圖9分別給出了某一溫度和壓力傳感器的實(shí)際測(cè)量值。圖8可以看出所測(cè)的溫度值和環(huán)境溫度的變化曲線一致，圖9可以看出，管道內(nèi)的壓力隨著向管道中通入調(diào)節(jié)的高濃度甲烷，有一定幅度的波動(dòng)。

實(shí)際應(yīng)用過程中，氣體傳感器的測(cè)量濃度容易受到傳感器所處環(huán)境溫度和壓力的影響，因此，為了進(jìn)一步提高傳感器的測(cè)量精度和可靠性，根據(jù)測(cè)量所得的溫度和壓力值對(duì)氣體傳感器做了補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)時(shí)向傳感器中通入濃度為30.05%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體，圖10和圖11分別給出了溫度和壓力補(bǔ)償前后氣體傳感器的顯示值，結(jié)果顯示補(bǔ)償后氣體傳感器的顯示值更加穩(wěn)定。溫度補(bǔ)償后精度提高了7%，壓力補(bǔ)償后精度提高了11%。

圖10 溫度補(bǔ)償前后氣體濃度曲線Fig.10 Gas concentration curves before and after temperature compensation

圖11 壓力補(bǔ)償前后氣體濃度曲線Fig.11 Gas concentration curves before and after pressure compensation

4 結(jié)論

基于光纖傳感技術(shù)的瓦斯抽采管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采管道中瓦斯?jié)舛取囟取毫Α⒀鯕鉂舛鹊葏?shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，激光光譜吸收氣體檢測(cè)技術(shù)具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、氣體選擇性好以及不受水氣干擾等特點(diǎn)。同時(shí)光纖類傳感器在抽采管道中的應(yīng)用也顯示出了其優(yōu)勢(shì)，在惡劣環(huán)境下抗干擾、易維護(hù)。系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)抽采管道中甲烷的充分利用、抽采管道的維護(hù)等提供了可靠的技術(shù)支持，在降低瓦斯排放量、保護(hù)環(huán)境等方面具有非常可觀的價(jià)值。但是和其他光學(xué)傳感器類似，在儀器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)探頭的防塵、防潮仍然是工作的難點(diǎn)。此外，為了提高儀器的可靠性，在惡劣環(huán)境下光纜的安裝和保護(hù)也需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和不斷探索。

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