礦用激光甲烷傳感器的穩定性試驗及應用

丁 棟，田曉波

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

0 引言

工作面內瓦斯含量會嚴重威脅礦井的安全生產，當瓦斯濃度達到5%～16%時，在密閉的空間內遇到明火就會發生爆炸。因此，在煤炭開采過程中，要快速、準確地監測井下瓦斯濃度[1]。由于激光甲烷傳感器采用全光學設計，傳感器靈敏度高、絕緣性好、響應速度快、功耗低、能實現遠距離的傳輸，因而在井下復雜的環境中占據優勢，但激光甲烷傳感器的穩定性受等許多因素的影響，還需要考慮礦井環境對傳感器的影響，加上傳感器工作穩定性的試驗周期較長。因此，需要分析各種因素下激光甲烷傳感器的穩定性，并尋找合適的試驗方法，為瓦斯濃度監測提供先進的技術，滿足井下安全高效生產。

1 激光甲烷傳感器測量原理

激光甲烷傳感器屬于光譜吸收型氣體傳感器，以DFB 激光器為光源，在正弦波調制信號電流上疊加三角波信號電流，驅動DFB 激光器發射激光，通過檢測激光光強被吸收的強弱程度，判斷甲烷氣體的濃度，不同氣體的光譜吸收曲線不同，基于甲烷吸收線尺寸和形狀，采用單色光譜技術計算甲烷濃度，且不受其他氣體的影響，測量精度較高，其原理圖如圖1 所示。

圖1 激光甲烷傳感器原理圖

采用測量波長和參考波長雙波長檢測法來測定待測氣體，按照比爾定律，激光器發出激光，在經過2 個不同的單色器后，選出測量波長和參考波長，穿過甲烷氣體被吸收產生損失，激光強度變為[2]：

式中：I是投射光強度；I0是激光器發出的強度；λa是測量波長；λb是參考波長；a是甲烷吸收系數；β是背景干擾；K是光電靈敏度；C是甲烷氣體濃度；L是甲烷氣體長度。

由于測量波長和參考波長相差較小，且測量波長的投射光強度遠小于參考波長的投射光強度，因此，得到甲烷氣體的濃度為：

采用這種方法，在理論上可以消除光路背景對測量造成的干擾，通過調整吸收系數，消除光功率不穩定造成的影響。

2 穩定性試驗設計

2.1 試驗設計

在安全標志檢驗過程中，激光甲烷傳感器要經受一些列高強度試驗，例如交變濕熱試驗、工作溫度試驗、沖擊試驗等，因此，通過進行一個長周期的摸底試驗，確定影響傳感器測量誤差的因素有激光器件、受光器件穩定度、溫度和氣壓補償效率以及結構可靠性，這幾個因素之間相互影響，相互牽連[3]。為了對比激光甲烷傳感器與催化式甲烷傳感器的穩定性，制定一套試驗方案，試驗周期為445 d，在實驗室環境和交變濕熱環境下，讓不同類型的傳感器長期通電，對比不同傳感器的測量誤差。

一組在實驗室環境下進行檢測，試驗過程中，詳細記錄試驗的溫度、濕度以及大氣壓力等環境參數。

二組在交變濕熱環境下進行檢測，以12 h+12 h為一個周期，試驗周期大于56 個周期，高溫度設置在40+2℃左右，高濕度設置在98+2%RH 左右。在通氣前，對標準氣樣與交變濕熱箱中的空氣進行混合，使用質量流量計按照1∶9 的比例混合，得到標準氣體的相對濕度為85 %、甲烷濃度為2 %，使用專用的試驗氣嘴進行通氣，通氣結束后，及時取下氣嘴，使傳感器探頭與周圍環境充分接觸[4]。

在進行降溫前2 h 開始通氣，持續通氣10 h 以上，設定3 個測試誤差時間點，分別為測試點1、2、3，每個周期內對測試點4、5 進行短時通氣，具體的試驗方案如圖2 所示。將所有的傳感器輸出都連接到監控分站板上，通過監控軟件進行數據記錄。

圖2 濕熱條件下的穩定試驗方案

初期試驗：在各個測試點分別進行誤差測量，如果測試點連續試驗7 d 內，如果數據變化不大，則進入中期試驗1 階段；如果測試點連續試驗7 d 內，如果數據出現單調增或減變化，則再試驗第8 d，如果數據持續單調變化，則終止試驗；如果測試點連續試驗7 d 內，數據變化是隨機、沒有規律的，則進入中期試驗2 階段。

中期試驗1：對測試點4 和5 進行誤差測量，如果測試點連續試驗10 d，數據變化不大，則直接進入后期試驗。

中期試驗2：對測試點4 和5 進行誤差測量，如果測試點連續試驗10 d，數據變化是隨機、沒有規律的，則終止試驗。

后期試驗：間隔一個周期在測試點4 和5 進行誤差測量，連續試驗40 d，在試驗的最后一個周期，對所有的測試點進行試驗，結束后對樣品進行靈敏度漂移分析。

2.2 加速試驗設計

將溫度作為傳感器穩定性試驗的加速應力，對加速應力值進行研究，其中應力適用范圍、應力極限、試驗應力精度能力以及試驗箱溫度控制精度等因素都會影響加速應力水平，其中試驗應力精度能力和試驗箱溫度控制精度等因素可以通過采用精度較高的試驗裝備來消除，應力極限因素則是加速試驗的關鍵因素。由于激光甲烷傳感器是一種高精度電子產品，激光器、光探測器、電阻等電器元件的溫度極限都超過100℃，在大量集成電路下，各電器元件的工作溫度最高溫度只能達到85℃。通過研究，激光器的工作溫度會直接影響發射波長的長度，從而對傳感器的精測精度產生直接影響。考慮到試驗成本以及檢測能力，采用恒定溫度加速試驗方案，為了保證試驗結果的準確性和有效性，選擇加速試驗溫度為75℃。

以激光甲燒傳感器的誤差穩定性作為故障條件，取10 臺樣機進行檢驗，將樣機全部放置在75±3℃溫度試驗箱中，連續運行12 d，每天進行測量誤差測試，在測量誤差的超限次數小于2 h，可判定甲烷傳感器的工作穩定性達180 d。

2.3 試驗結果分析

激光甲烷傳感器在測試的180 d 內，誤差沒有超出規定范圍，傳感器的穩定性較好。在實驗室環境下，經過475 d 試驗后，催化式甲烷傳感器和激光傳感器都出現明顯的偏差，在2%濃度點處，催化式甲烷傳感器向負方向偏差0.5 %，激光甲烷傳感器向正方向偏差0.4%；在20%濃度點處，激光甲烷傳感器的最大偏差為1.2 %，可見，激光甲烷傳感器的穩定性較好。

在交變濕熱環境下，催化式甲烷傳感器在試驗32 d 時，向負方向偏差10 %，在試驗52 d 時，向負方向偏差超出25 %，在試驗70 d 時，向負方向偏差超出50%，激光甲烷傳感器在試驗的475 d 內均正常工作，均向正方向偏差，在滿足傳感器穩定性的同時，驗證了激光甲烷傳感器的高測量精度，且能適應礦井下的復雜環境，大大減少了運維人員的工作量。

3 應用效果

由于郭莊煤礦的U 形采煤工作面是瓦斯涌出的必經口，極易出現瓦斯積聚，造成瓦斯濃度較高，由于工作面的位置較高，周邊的配套設備較多，頻繁地標定傳感器會增加工作難度，因此將激光甲烷傳感器懸掛在所需監測的位置，具體位置如圖3 所示。

圖3 激光甲烷傳感器安裝示意圖

由于工作面上還有一氧化碳、一氧化硫等有害氣體，也容易受水汽和電磁等干擾，通過在不同位置分別懸掛激光甲烷傳感器和催化式甲烷傳感器，對比其測試結果如表1 所示。

表1 甲烷傳感器測試對比表

在現場測試475 d，可以看出，使用催化式甲烷傳感器，需要每周對傳感器進行調校，維修工作量較大。而使用激光甲烷傳感器，不需要更換傳感器的探頭，也不需要重新進行標校，只需要對防塵濾片進行簡單清洗即可，大大降低了維修強度。

4 結 論

為解決郭莊煤礦采煤工作面甲烷傳感器頻繁標定、穩定性差的問題，通過分析激光甲烷傳感器的工作原理，對不同環境下傳感器的穩定性進行試驗分析，結果如下：

（1）在實驗室環境下，催化式甲烷傳感器和激光傳感器有明顯的偏差，催化式甲烷傳感器向負方向偏差0.5 %，激光甲烷傳感器向正方向偏差0.4 %；在交變濕熱環境下，催化式甲烷傳感器向負方向偏差超出50%，激光甲烷傳感器在試驗的475 d 內均正常工作，可見，激光甲烷傳感器的穩定性較好。

（2）通過與催化式甲烷傳感器檢測精度對比，結果表明，激光甲烷傳感器的檢測精度高、響應速度快，能實時檢測到工作面內的甲烷氣體濃度，保證礦井的安全高效生產。