車載式甲烷傳感器關鍵技術的研究

張遠征

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400039）

隨著我國綜合國力的持續增強，生產生活活動需要大量的煤炭、石油、天然氣等各種能源，現階段我國能源結構仍然以煤炭資源為主，占據了50%以上的市場份額。煤炭的開采工藝復雜，開采難度大，近些年隨著各種新的開采工藝和裝備技術的涌現，煤炭開采產量常年維持在高量水平，為國家的經濟建設做出了重要貢獻。瓦斯是造成煤炭開采過程中安全事故的重要誘因，為了保障安全生產，防止瓦斯安全事故發生，在煤礦開采環節的膠輪車、采煤機、千米鉆機等防爆機車上均安裝車載式甲烷傳感器，保障設備的安全運行[1]。因載體催化原理甲烷檢測技術具有價格便宜，制造工藝成熟等特點，目前防爆機車監測普遍采用載體催化原理，然而載體催化原理受振動、環境等因素的影響，黑白催化元件上的鉑金絲容易疲勞損壞引起檢測誤報、元件失效等情況，導致甲烷傳感器易誤報、易損壞、可靠性低，無法為設備提供及時可靠的安全保障[2]。

因此，本文根據車載甲烷檢測領域的特殊性，提出了一種基于非色散紅外檢測原理，在礦用車載領域可長時間高可靠工作的甲烷檢測技術，可大大提高檢測的準確性，降低甲烷傳感器的損壞率，降低甲烷檢測的誤報率，提高煤礦安全生產效率。

1 檢測原理及傳感器總體設計

1.1 非色散紅外甲烷檢測原理

非色散紅外甲烷檢測技術一般采用近紅外光測量，其波長范圍780 nm～3000 nm[3]，并且滿足朗伯比爾定律，如式（1）所示：

式中：I 代表入射光被氣體吸收后的光強；I0代表入射光的初始光強；k（v）代表氣體對頻率v 的吸收系數；C 代表吸收氣體的濃度；L 代表入射光的總光程。

根據式（1）可知，對于甲烷敏感元件，其光程長度確定，那么甲烷濃度只與初始光強和吸收后的光強相關，即只需要測量出電流信號，并經信號整理轉換為電壓信號，即可測量出環境中甲烷濃度。甲烷濃度測量示意圖如圖1所示。

圖1 甲烷濃度測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of methane concentration measurement

紅外光對甲烷氣體的吸收系數與環境溫度和大氣壓強相關，大氣壓強的日變化幅度較小，造成的測量影響甚微，而溫度的變化幅度跟所處環境有很大的關系，影響不可忽略不計[4]，因此需要采用對應的方法來降低溫度對甲烷濃度測量的影響，提高甲烷的測量精度[5]。

1.2 傳感器總體設計

機載式甲烷監測探頭如圖2所示，傳感器主要由ARM 處理器、溫度采樣電路、甲烷采集電路、恒溫控制電路、顯示電路、RS485 通訊電路、遙控電路、報警電路構成[6]。其中，紅外元件、甲烷采集電路、恒溫控制電路、溫度采集電路采用澆封方式集成在一個結構體內，ARM 處理器用于觸發特定頻率紅外光源的發射，甲烷濃度信號的采集和溫度補償算法的運算處理，環境溫度的實時采集和恒溫控制電路的閉環控制，甲烷濃度的實時顯示、數據傳輸等。

圖2 傳感器系統架構Fig.2 Sensor system architecture

2 車載甲烷檢測技術的研究

2.1 車載溫控與振動技術研究

礦山機車常常穿梭于地面和井下巷道，整車所處的環境溫度時常變化，特別是冬季，地面和井下的溫差最高可達±40 ℃，而且機車運行過程中車身具有明顯的振動，道路的高低起伏還會造成更大g值的振動，甲烷傳感器極易受溫度變化、振動等因素造成測量不準確，甚至損壞的可能，為提高甲烷濃度的測量精度，防止振動導致探頭損壞，需采用澆封體型式確保溫度補償技術和防振動技術的結合處理[7]。

首先，采用金屬圓柱體作為外殼，將陶瓷發熱體嵌入其中；其次，將溫度元件、紅外元件和控制電路嵌入其中，確保陶瓷發熱體與紅外元件可靠接觸；最后，用防水透氣膜封堵進氣口，并用導熱灌封膠澆封，使上述各部件組成一個整體。經過上述步驟，紅外元件便制備成了具有溫度測量、電輔助加熱、恒溫控制、防塵防水的紅外元件結構體，即可避免振動對甲烷測量的不利影響，同時也為溫度補償、提高甲烷測量精度提供了硬件保障[8]。紅外元件結構體整體結構如圖3所示。

圖3 紅外元件結構體組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of infrared component

2.2 自適應溫度補償方法

為了確保在不同溫升斜率下的自適應補償速度和補償精度，需要建立溫度變化對甲烷測量值的影響數據模型，其包括在溫度-20～50 ℃范圍內每間隔5 ℃完成一次模擬濃度測試，模擬濃度測試點選取0.5%CH4，2%CH4，3.5%CH4，并記錄下對應溫度點的傳感器測量值，完成濃度-溫度數據模型的建立，基本的溫度測試數據結果如圖4所示。

圖4 溫度對甲烷氣體傳感器測量的影響Fig.4 Influence of temperature on measurement of methane gas sensor

參照不同溫度點下的自適應溫度補償斜率公式為

計算出甲烷濃度值固定、溫度值變化條件下，不同溫度點下的自適應溫度補償斜率K-20，K-15，K-10，…，K45，K50。并同時計算出溫度值固定不變條件下，甲烷濃度量程范圍內相鄰試驗點之間的自適應補償精度斜率K′，K′0.5，K′1.0，…，K′4.0，采用最小二乘法分別對所造成的測量誤差結果進行了分段式的線性計算和測量誤差擬合[9]，計算公式如式（3）所示：

傳感器在實際使用中采用以下步驟完成自適應溫度補償算法的運算：①實時獲取測量環境的溫度值T 和該環境下的甲烷濃度值C′；②將甲烷濃度值C′和溫度補償斜率K 代入公式（3）獲得第1 次溫度補償的甲烷濃度值C″；③將甲烷濃度值C″和自適應補償精度斜率K′代入公式（3）獲得第2 次補償的甲烷濃度值C?；④計算第1 次補償后的甲烷濃度值和第2 次補償后的甲烷濃度值是否滿足≤0.01 的自適應補償終止條件，直至滿足精度條件后停止循環補償[10]。

3 試驗

為了驗證基于非色散紅外檢測原理基于紅外元件結構體型式的甲烷關鍵技術的有效性和數據測量的準確性，在恒溫試驗箱中對車載甲烷傳感器樣機進行了0.5%CH4，1%CH4，1.5%CH4，2%CH4，2.5%CH4，3%CH4，3.5%CH4，4%CH4濃度下的精度測試，分別計算得出測量誤差，結果如表1所示。

表1 不同溫度下甲烷濃度測量Tab.1 Methane concentration measurement at different temperatures

根據表1可以看出，車載甲烷傳感器完全能滿足不同溫度條件下甲烷濃度的精確測量，測量精度優于±0.05%CH4。

同時為了驗證基于上述技術的車載甲烷傳感器在振動環境的適應性，在振動試驗臺完成了12 h的±5 g 的振動模擬試驗，試驗數據如表2所示。

表2 振動試驗數據Tab.2 Vibration test data

根據表2可以看出，在不同加速度值的振動條件下，車載甲烷傳感器的零點顯示值均未發生明顯影響測量精度的漂移，且經過12 h 的振動模擬試驗后，傳感器各項指標工作正常，完全能適應礦山機車在復雜振動環境下的需要，提高了車載甲烷傳感器的環境適應性，提高了傳感器整機的工作壽命和可靠性。

4 結語

本文分析了礦山機車使用環境的特點，指出了現有礦山機車等車載式甲烷濃度監測設備的局限性，提出了一種基于非色散紅外甲烷檢測原理，并適用于礦用車載領域長時間、高可靠、高精度的甲烷檢測技術和裝備，可以克服振動因素、環境溫度變化對甲烷測量準確性和穩定性的影響，通過振動、高低溫度試驗證明了本方法的可行性，提高了車載式甲烷傳感器的環境適應能力，提高了車載式甲烷設備振動環境的適應性，降低了設備的損耗率，同時通過標準氣體標定試驗驗證了測量精度，車載式甲烷傳感器測量誤差小于±0.05%CH4，測量精度較高，能滿足煤礦現場的準確測量需求。