論紅外瓦斯傳感器在煤礦的推廣應(yīng)用

呂利剛

摘 要：煤礦的安全關(guān)系到井下工人的生命安全，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也具有重要意義，安全生產(chǎn)依賴(lài)于完善的監(jiān)測(cè)體系。紅外瓦斯傳感器通過(guò)紅外吸收的原理，通過(guò)多種新技術(shù)的綜合使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下瓦斯氣體濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必不可少的組成和構(gòu)成部分。紅外瓦斯傳感器還避免了其他傳感器的缺點(diǎn)，穩(wěn)定性、靈敏度和抗干擾性都較高，應(yīng)當(dāng)在煤礦生產(chǎn)中推廣使用。

關(guān)鍵詞：紅外瓦斯傳感器 煤礦 安全生產(chǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（c）-0066-01

改革開(kāi)放以后，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)能源的需求量不斷上升。煤炭作為我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)重要的能源之一，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量比較豐富，煤礦的開(kāi)采是我國(guó)獲取煤炭的主要方式。但是煤礦開(kāi)采不僅對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成了巨大破壞，近些年頻繁出現(xiàn)的瓦斯事故，也引起社會(huì)上的廣泛關(guān)注。安全事故不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還往往造成井下工人死亡。因此，加強(qiáng)對(duì)瓦斯的監(jiān)控，通過(guò)有效手段來(lái)預(yù)防瓦斯事故，成為煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

1 我國(guó)煤礦檢測(cè)瓦斯的主要手段和問(wèn)題

目前，在我國(guó)煤礦中使用較多的傳感器主要有光干涉型、氣敏半導(dǎo)體型、熱催化型、熱導(dǎo)型和紅外氣體吸收型。

光干涉型使用比較方便，主要通過(guò)利用空氣中的光波對(duì)瓦斯的濃度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)瓦斯氣體濃度檢測(cè)的靈敏度也較高。但是如果空氣中的氧氣和氮?dú)獗壤_(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，很容易出現(xiàn)檢測(cè)誤差，并且在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的使用效果不好。

氣敏半導(dǎo)體型使用壽命較長(zhǎng)，靈敏度高，能耗少，近些年來(lái)發(fā)展速度較快。但是在實(shí)際應(yīng)用中受環(huán)境溫度、適度和材質(zhì)的影響較大，并且準(zhǔn)確度和精讀方面存在著較大不足，因此在實(shí)際應(yīng)用中還有待完善。

熱催化型可以對(duì)煤礦中的瓦斯進(jìn)行檢測(cè)，但是使用壽命較短，并且在使用中需要頻繁的進(jìn)行校對(duì)，穩(wěn)定性也較差。在目前強(qiáng)調(diào)安全生產(chǎn)的情況下，熱催化型基本上處于淘汰的邊緣。

熱導(dǎo)型利用熱導(dǎo)原理，通過(guò)對(duì)空氣中所測(cè)氣體之間的導(dǎo)率差進(jìn)行測(cè)算，實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體的監(jiān)測(cè)。熱導(dǎo)型傳感器壽命較長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，但是其對(duì)瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的精度較低，并且受周?chē)鯕夂退魵鉂舛鹊挠绊戄^大，往往出現(xiàn)監(jiān)測(cè)失靈的現(xiàn)象。

紅外氣體吸收型使用了目前應(yīng)用較為廣泛的紅外瓦斯傳感技術(shù)，它通過(guò)對(duì)不同氣體吸收紅外光譜的強(qiáng)度來(lái)監(jiān)測(cè)瓦斯的濃度，使用壽命較長(zhǎng)，并且在靈敏度和安全性上也具有很大的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)剛引進(jìn)此技術(shù)時(shí)，受制于成本高和兼容性差，推廣較為困難。但是通過(guò)我國(guó)科研人員的不斷努力，根據(jù)我國(guó)煤礦的環(huán)境情況，研制出了適合我國(guó)煤礦的紅外瓦斯傳感器，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)。

2 紅外瓦斯傳感器的原理及優(yōu)勢(shì)

紅外瓦斯傳感器的原理是紅外吸收原理，主要是為了監(jiān)測(cè)管道內(nèi)的氣體濃度而設(shè)計(jì)出來(lái)的。此外，在紅外瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)中，還運(yùn)用了擴(kuò)散式采樣和數(shù)字式溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，因此，紅外瓦斯傳感器的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)精度都很高，并且可以適應(yīng)我國(guó)煤礦井下復(fù)雜多變的環(huán)境，使用較為廣泛。紅外瓦斯傳感器可以廣泛應(yīng)用于天然氣輸氣管道、瓦斯抽放泵站和煤礦中的瓦斯抽放管道等。當(dāng)瓦斯的濃度超出設(shè)置上限時(shí)，傳感器就會(huì)通過(guò)聲音和二極管的閃爍發(fā)出警告信號(hào)。

紅外瓦斯傳感器的調(diào)校周期較長(zhǎng)，一般大于兩個(gè)月，保證其長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性。其水分離裝置為一體化設(shè)計(jì)，可以很好的降低管道內(nèi)的水分、塵埃等雜質(zhì)對(duì)檢測(cè)精度的干擾；氣路設(shè)計(jì)采用了特殊方法，可以很好的應(yīng)對(duì)管道內(nèi)的各種正壓和負(fù)壓；溫度補(bǔ)償也很精確，可以很好的應(yīng)對(duì)礦井下多變的環(huán)境，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的改變出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大幅度變化；其兼容性也很強(qiáng)，提供了多種常用的數(shù)據(jù)輸出接口。紅外瓦斯傳感器的這些優(yōu)勢(shì)也是其在煤礦中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，但是我國(guó)還有一些礦井中并未使用紅外瓦斯傳感器。因此，我國(guó)煤礦中對(duì)推廣使用紅外瓦斯傳感器，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

3 紅外瓦斯傳感器在煤礦中的具體應(yīng)用

煤礦井下的環(huán)境多變，存在很多的不可控因素，因而經(jīng)常發(fā)生各種安全事故，其中以瓦斯事故居多。因此，加強(qiáng)煤礦的安全意識(shí)，從技術(shù)上減少事故發(fā)生的幾率，確保井下工作人員的安全，是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。紅外瓦斯傳感器以其具有較高的使用壽命、檢測(cè)精度、抗干擾性等優(yōu)勢(shì)，為煤礦的安全生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。

紅外瓦斯傳感器通過(guò)將井下的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后將濃度數(shù)值轉(zhuǎn)換為其他關(guān)聯(lián)設(shè)備可以識(shí)別的電信號(hào)，再通過(guò)補(bǔ)償信號(hào)處理技術(shù)，可以直觀(guān)的顯示出濃度值。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)了安全范圍，報(bào)警器就開(kāi)始報(bào)警。其可以固定在煤礦中的回風(fēng)巷道、采掘工作面等地方，和斷電儀、封鎖瓦斯閉鎖裝置等配合使用。此外，雖然熱催化型、熱導(dǎo)型等其他監(jiān)測(cè)裝置存在諸多缺點(diǎn)，但是和紅外瓦斯傳感器一起使用時(shí)，可以避免某一種監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差和穩(wěn)定性較差的情況。通過(guò)人工智能技術(shù)，將不同傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后統(tǒng)一進(jìn)行處理的分析，可以大幅度的提高監(jiān)測(cè)效果，延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)器的使用壽命。通過(guò)其它配套技術(shù)的使用，還可以提高紅外傳感器的反應(yīng)速度。紅外瓦斯傳感器還增加了遙控調(diào)校、斷電控制、故障自檢等功能，便于日常的檢修和維護(hù)，節(jié)約煤礦的監(jiān)測(cè)成本，提高監(jiān)測(cè)的效果。

以我國(guó)自行研究開(kāi)發(fā)的GLG10H型紅外瓦斯傳感器為例，其設(shè)計(jì)原理是非色散紅外技術(shù)，傳感器的光源使用了安全節(jié)能的LED光源。通過(guò)特殊的算法，LED光源產(chǎn)生優(yōu)化的輻射光譜，然后通過(guò)光敏二極管和特殊的光學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)置的微電子設(shè)備和溫度傳感器產(chǎn)生電子信號(hào)。電子設(shè)備和傳感器均采用了UART的數(shù)字通信格式，可以檢測(cè)0%～100%范圍的瓦斯?jié)舛龋蛘呤?%～100%范圍的LEL。其還具有溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)字輸出，可以直接接入到上級(jí)設(shè)備，并且還能夠自動(dòng)保存溫度補(bǔ)償、濃度和其他數(shù)據(jù)。此型紅外傳感器的能耗較小，大約為5mW，并且經(jīng)過(guò)了防爆EX認(rèn)證。此型紅外瓦斯傳感器可以連續(xù)自動(dòng)的將礦井下的瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)傳輸給其它關(guān)聯(lián)設(shè)備，并且可以實(shí)時(shí)顯示出井下瓦斯的濃度值，超過(guò)了設(shè)定范圍時(shí)，可以在第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警。此型的監(jiān)測(cè)精度也較高，在0%～10%濃度范圍時(shí)，監(jiān)測(cè)分辨率達(dá)到了0.01%，大于10%時(shí)，監(jiān)測(cè)分辨率為0.1%，滿(mǎn)足我國(guó)安全生產(chǎn)管理局的要求。傳感器在設(shè)計(jì)上使用了模塊化和整體化理念，因此更加的小巧和緊湊，符合未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。在繼承傳統(tǒng)紅外傳感器較高的安全性、穩(wěn)定性和抗擾性等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，省略了傳統(tǒng)的紅外原理光學(xué)部件，降低了成本，還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的紅外傳感器容易被井下灰塵覆蓋后影響透光和反射強(qiáng)度的問(wèn)題，對(duì)于降低紅外瓦斯傳感器的報(bào)警缺陷有重要意義。

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