基于紅外差分吸收的礦井瓦斯濃度分布式監測系統

尹晶晶，徐振峰

(安徽國防科技職業學院 機電工程系，安徽 六安 237011)

基于紅外差分吸收的礦井瓦斯濃度分布式監測系統

尹晶晶，徐振峰

(安徽國防科技職業學院 機電工程系，安徽 六安 237011)

摘要：為了實現礦井瓦斯氣體濃度的實時監測和預警，設計了一套基于近紅外差分吸收光譜原理的礦井瓦斯濃度分布式光纖監測系統。選用中心波長為1650nm的DFB激光器作為光源。選擇Newport公司生產的325型號溫控器和525型號驅動器，將激光器輸出波長穩定在1653.7nm處。采用光分束器將激光分為兩路信號，分別連接氣體吸收室和參考氣室。以PIN光電二極管為光電探測器，設計了光電轉換電路，進行了瓦斯濃度測量實驗，并得到瓦斯氣體濃度的計算表達式。實驗結果表明該系統能夠準確地測量瓦斯濃度。

關鍵詞：差分吸收；瓦斯；分布式系統；紅外

0引言

我國是全球最大的煤炭消費、生產和進口國。但我國煤礦瓦斯含量高，瓦斯爆炸事故時常發生。提高瓦斯濃度實時監測技術則有利于減少安全事故發生。甲烷氣體是瓦斯的主要成分，實時準確地監測甲烷氣體濃度對保障煤礦安全生產具有十分重要的意義。目前常用的甲烷濃度測量方法有載體催化燃燒法[1-2]，電化學測量法[3]，光干涉測量法[4-5]以及光譜吸收[6-10]等測量方法。由于具有靈敏度高、防電磁干擾、防燃防爆等優點，因此光譜吸收式甲烷測量方法成為近年來的研究熱點。

目前礦井瓦斯濃度檢測主要使用單點式測量設備。由于個別礦工安全意識淡薄，違規操作時有發生。而井上安全生產管理人員無法全面實時地了解井下各處瓦斯濃度分布信息，從而不能準確地評估煤礦安全生產潛在危險。由于分布式光纖傳感器具有遠距離多點監測能力，因此構建礦井瓦斯濃度分布式監測系統將有助于實時監測整座煤礦井下瓦斯濃度的分布信息，提高安全生產的預警及管控能力。本文采用差分吸收法，設計了一套礦井瓦斯濃度光纖分布式遠程監測系統。

1差分吸收原理

大部分非對稱雙原子分子和多原子分子的氣體在紅外光區域都有自己的特征吸收譜線。當光源穿過氣體時，特征譜線的光會被氣體吸收，從而該譜線的光強度減弱。光強度減弱的程度與氣體濃度、光線在氣體中經過的路程以及氣體在該譜線處的吸收強度有關。該關系可以采用Lambert-Beer定律來描述：

I=I0*exp(-μcl)

(1)

其中，I0為入射光強度；I為出射光強度；μ為特定波長處的吸收系數；c為待測氣體的體積濃度；l為氣體與光的作用長度。

氣體對特定波長光線的吸收系數以及氣體與光線的作用長度均是已知的。只要測得入射光強度和出射光強度，即可計算出氣體濃度。但光源不穩定、長距離傳輸等導致的光強度衰減等因素會影響氣體濃度測量結果的準確性。差分吸收法可以有效解決該問題。差分吸收法可分為單波長雙光路法和雙波長單光路法。以單波長雙光路法為例，激光器發送的紅外光由分束器分成兩路，其光強分別記為I01和I02。一路激光通過待測氣室，光強則因被氣體吸收而衰減；另一路則通過參考氣室，但室內氣體不吸收該波長的激光。參考氣室的作用是消除待測氣室所在光路中光源波動、傳輸衰減等因素對測量結果的影響。經過氣室后，兩路出射光強度分別為：

I1=k1*I01*exp(-μcl)

(2)

I2=k2*I02

(3)

式中k1和k2分別為無甲烷氣體時光通過光纖的損耗系數，均為常數。由兩路出射光強之比，則可得：

(4)

在光路長度相同，光纖彎曲度相似等條件下，兩路中的光強損耗系數近似相等，即k1≈k2，或者兩者之比為常數。(4)式對數項中包含兩路入射光強之比I01/I02，因此可以有效消除光源光強波動對測量結果的影響。將光強損耗系數之比和兩路入射光強之比看作常數，記為k3，因此(4)式可以簡化為：

(5)

通過測量兩路出射光強度I1和I2，即可求出氣體濃度。

2瓦斯濃度分布式光纖監測系統

瓦斯光纖分布式遠程監測系統原理如圖1所示。圖中虛線框內的設備安放在井上監控室內，而所有的氣室則安放在井下各監測點處。激光器發射出的激光由光分束器分為多路。經過光纜把各路激光信號送入礦井下。每根光纖都連接一個氣室。一個待測氣體吸收室和一個參考氣室組成一個敏感元件。由此可以保證兩路光信號的光程及其路徑彎曲程度等盡可能一致。待測氣體吸收室內的氣體即為監測點處的氣體。在氣體吸收室內激光被甲烷吸收，因此其強度變弱。每路光信號則經過光電轉換及放大電路變為電信號之后，進入計算機進行處理。激光器的驅動電路和溫度控制電路可以獨立運行，也可以由計算機進行控制，在圖中用虛線表示。檢測室內可以實時了解整個井下的瓦斯濃度分布狀況，方便準確地進行事故預測和及時采取通風排氣或急救措施。

圖1　瓦斯光纖分布式遠程監測系統

3實驗系統

不同氣體的分子結構不同，因此其所對應的吸收光譜也不相同。甲烷氣體在中紅外和近紅外區域均有吸收光譜。在3.39μm，1.66μm，1.3μm三處的吸收強度之比大約為1000:5:1[11]。盡管甲烷在中紅外區域的吸收遠強于在近紅外區域的吸收，但實際中難以采用中紅外吸收譜線，因為中紅外光源需要制冷，光源的譜帶較寬，而且現有光纖不適合中紅外光進行遠距離傳輸。因此本文選擇了近紅外吸收光譜區域。

本實驗采用了日本安立公司生產的中心波長為1650nm的DFB激光器。該激光器具有譜線窄、功率大等優點。溫控器選擇了Newport公司生產的325型號溫控器。該溫控器具有很好的溫度穩定性，可以保證24小時內溫度漂移不超過0.01℃。選擇了同一家公司生產的525型號驅動器。該驅動器具有低噪聲、高穩定性等特點，而且可以通過電流LIMIT設置，無條件地保護激光器。調節溫控器的輸出溫度，可以實現激光器輸出中心波長的粗略調節；調節驅動的輸出電流，可以實現激光器輸出中心波長的精細調節。通過兩者的協調調節，可以將輸出激光中心波長穩定在甲烷氣體的某一吸收峰處。上述驅動器和溫控器的良好性能可以保證激光器在長時間工作的情況下，輸出激光波長不會發生較大偏移。本實驗選擇了甲烷氣體在1653.7nm處的吸收譜線。實驗設置如圖2所示。

使用分束器將激光信號一分為二。一路激光經過待測氣室，另一路激光經過參考氣室。兩個氣室均為圓柱形密封鋼桶。氣室內的兩端均有GRIN透鏡，構成傳感頭。兩透鏡之間的距離設計為20cm。單光程吸收。每個氣室的兩頭均留有通氣口，用橡皮塞密封。使用注射器從甲烷容器中抽取氣體，并注射入待測氣室中，以此實現甲烷氣體的不同濃度配比。為使實驗與實際情況更接近，在每個氣室前后均接入600米的光纖，即實現長距離傳輸。

圖2　實驗框圖

使用PIN光電二極管作為光電轉換器件，其波長響應范圍為1100～1700nm。讓PIN光電二極管工作于零偏置狀態，其優點是無暗電流。由于光電二極管產生的電信號非常微弱，因此需要設計放大電路。這里使用了AD公司生產AD549作為運放，具體電路設計如圖3所示。設計了兩個完全相同的電路，用以實現兩種光信號的轉換。電路的輸出均由數據采集卡(PCI-2006)的A/D轉換通道進入計算機。用LabVIEW軟件完成兩路光強的比值并取對數計算。根據(5)式可知，其比值反映了甲烷氣體的濃度值。

圖3　光電轉換電路

4實驗結果

圓柱形氣體吸收室的體積約為112mL。首先用氮氣(純度為99.99%)沖洗氣體吸收室，測量此時無甲烷氣體時的輸出電壓值。然后連續5次向氣室內注射甲烷氣體(純度為99.95%)，每次注射1mL。記錄每一種情況下的輸出電壓比值。根據注射入的甲烷氣體體積和氣室氣體，計算出相應的甲烷氣體濃度值。然后重新用氮氣沖洗氣室，重復上述實驗，記錄不同濃度下的輸出電壓比值。共重復做了6次上述實驗。每一種濃度及其對應輸出電壓值如表1所示。將每一種濃度下前5次的電壓比的測量值取平均，繪制出濃度與輸出電壓比值的關系圖，如圖4所示，并擬合得到兩者之間的線性關系式如(6)式所示。

表1　甲烷濃度及其輸出電壓值

圖4甲烷濃度及對應的輸出電壓比值

y=0.0457x+0.8846

(6)

式中y為輸出電壓比值，x為甲烷氣體濃度。由此推導出甲烷氣體濃度計算式如下：

x=(y-0.8846)/0.0457

(7)

使用第6組的電壓比的測量值來檢驗甲烷氣體計算表達式。將第6次測量的不同濃度下的電壓比值代入(7)式，計算出甲烷濃度，并與實際濃度值進行比較。所計算出的濃度值及其誤差如表2所示。

表2　甲烷濃度計算值及其誤差

從上述結果可以看出，對于不同濃度的甲烷氣體，輸出電壓比值非常穩定，這表明該實驗系統穩定性良好。根據多次測量所建立的甲烷濃度計算式能夠準確反映出輸出電壓比值與甲烷濃度之間的關系。在實際操作過程中手動控制注射甲烷氣體的體積會有一定的誤差。由于氣室體積較小，因此手動操作的誤差可能會對測量結果有較大影響。如果更換為更大容量的氣室，則有望減少手動操作的影響。

5結語

本文構建了基于近紅外光譜差分吸收的礦井瓦斯濃度分布式監測系統。采用雙光路結構克服了光源波動和傳輸損耗對系統穩定性的影響。實驗結果表明該系統能夠準確地測量瓦斯濃度信息。今后將在此基礎上對系統進一步完善，包括進一步提高系統測量的準確性及可靠性，并開發上位機顯示及報警軟件等。

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[責任編輯、校對：周千]

Distributed Monitoring System of Mine Gas Concentration Based on Differential Infrared Absorption

YINJing-jing,XuZhen-feng

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui Vocational College of Defense Technology,Lu′an 237011,China)

Abstract：In order to realize the real time monitoring and early warning of the gas concentration in mines,a distributed optical fiber monitoring system based on the differential infrared absorption was developed.A DFB laser diode with 1650nm as central wavelength was adopted.The 325 type of temperature controller and 525 type of driver were both selected to make the output wavelength of the laser stable at 1653.7nm.A beam splitter was used to split the laser into two beams.One was connected with a gas absorption chamber while the other one was connected with a gas reference chamber.Two photoelectric transformation circuits were designed with the PIN photodiodes as detectors.Several experiments were conducted to measure the mine gas concentration,and the computational expression of gas concentration was obtained.The results show that this system can perform measurements accurately and reliably.

Key words：differential absorption;mine gas;distributed system;infrared

收稿日期：2016-02-29

基金項目：安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2016A121)

作者簡介：尹晶晶(1984-),女,安徽六安人,助教,從事智能控制研究。

中圖分類號：TP274+.52;TD712+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)03-0061-04