基于TDLAS 的礦用氣體監測系統在云崗煤礦的應用研究

周 敏

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037001）

1 概況

云崗煤礦井下瓦斯濃度在0.5%～1%之間，屬于低瓦斯煤礦，但由于綜采工藝的實施，會存在瓦斯富集區域，發生安全事故的隱患一直存在。煤礦積極響應智慧礦山發展理念，對井下礦井氣體監測系統進行升級改造[1-6]，旨在提升井下采煤安全性，提升煤礦的智能化程度。目前云崗礦的井下氣體尤其是甲烷濃度監測采用濕氣化學檢測手段，即通過吸氣采樣與實驗分析相結合以檢測其濃度。雖然靈敏度能得到保證，但實時性和監測連續性都很差，基于此進行礦用氣體濃度實時監測系統研究開發[7-10]，保證監測精度的同時實現連續性實時濃度監測。

2 TDLAS 氣體監測原理

TDLAS 氣體濃度監測實質上發射監測激光，被測氣體對監測激光吸收后，通過對光譜波長或頻率函數采集，以此為原始數據進行被測氣體分子光學吸收截面的確定，進而對氣體濃度完成計算。與傳統氣體濃度監測手段相比，TDLAS 直接吸收光譜技術具有無需定標、直接檢測氣體濃度的優勢。TDLAS 氣體監測吸收光譜技術有兩種不同的應用方式：（1）連續線性對入射激光進行頻率調節，并對被測氣體持續掃描，形成吸收譜線的數據是經過信號平均器處理后的；（2）對入射激光加入特定的鋸齒波形的信號，保持入射激光的頻率保持在某個特定范圍內連續變化，經過被測氣體吸收后，由信號平均器處理，形成吸收譜線。原理示意圖如圖1。

圖1 TDLAS 直接吸收氣體濃度測量原理圖

經過光譜吸收后，探測器上會輸出一條連續的吸收線，通過對吸收線特征的解讀，可以完成氣體濃度計算。值得注意的是，吸收線的特征會受到噪聲影響，利用TDLAS 原理進行氣體濃度測量的系統要配置數據處理設備，將噪聲因素影響降到最低或者消除。噪聲主要包括奇次諧波引入的剩余幅度調制、標準具效應產生的干涉條紋等。

3 云崗煤礦氣體監測系統硬件設計

云崗煤礦井下甲烷氣體濃度監測系統采用TDLAS 波長調制技術原理進行設計。系統總體架構如圖2，該系統組成可以分為三部分：激光驅動系統、光路調整系統與信號采集接收系統。其中激光驅動系統包含圖2 中的鋸齒波發生裝置、正弦波發生裝置、激光驅動器等；光路調整系統包括圖2的可調諧激光二極管、甲烷樣品池、溫度補償電路、倍頻電路等；信號采集接收系統包括光電探測器、鎖相放大器、信息處理模塊以及顯示模塊。

圖2 基于TDLAS 原理的甲烷濃度監測系統總體架構圖

基于TDLAS 原理的甲烷濃度監測系統的氣體監測流程為：采用TDLAS 波長調制技術，將50 Hz鋸齒波發生器和50 Hz 正弦波發生器產生的附加波通過DSP 控制，經過電路增加到激光發生器上，激光驅動器產生疊加狀態的調制光線，經過可調諧激光二極管的調制光線入射到甲烷樣品池后經過甲烷吸收，信息被光電探測器捕獲將激光信號轉化為電信號后輸出到鎖相放大器，被正弦波信號的兩倍頻信號解調，從鎖相放大器輸出的電信號就是與甲烷濃度相關的二次諧波信號，通過TMS320F2812 信號處理模塊的去噪、計算等處理，將監測結果顯示在顯示模塊上，完成濃度監測。

下面對系統的核心硬件選型進行分析：

（1）激光光源與驅動器

激光光源選擇要依托被監測濃度的氣體對光譜的吸收特點確定，查閱資料可知甲烷氣體的吸收線位于1 653.72 nm，因此光源首先要輸出該波長的激光，同時輸出功率要與附加不同波形電流線性相關，實現保證吸收光譜的可識別性。基于此選擇日本NTT 公司的NLK1U5EAAA（14 針蝶形）分布式反饋激光器作為系統光源，該光源輸出波長范圍為1620～1675 nm 之間，輸出功率10 MW，通過電路控制能夠保持在輸出波長1 653.72 nm，保證甲烷吸收波長的穩定。

（2）光電探測器

系統的光電探測器是實現光信號轉化為電信號的功能，在系統中是光路系統與電路系統連接的橋梁，輸出的信號甲烷濃度吸收光譜轉化的電信號，但未經放大，因此選型主要考慮到抗干擾性和精度。RS-IGA-010-UE 型光電探測器在甲烷吸收波長范圍內的響應速度快，且光電轉化具有精準的線性相關性，保證監測精度。具體參數見表1。

表1 RS-IGA-010-UE 型光電探測器參數

（3）鎖相放大器

鎖相放大器具有兩個作用，一是將輸入的電信號的頻率分量幅值進行放大，另外還可以根據被監測氣體濃度電信號與噪音電信號的互不相關性，進行噪音電信號的抑制，最終輸出帶有被監測氣體濃度信息的直流電信號。系統選擇美國ADI 公司的AD630 型鎖相放大器，該元件成本低，對噪音信號抑制性強，適合對甲烷濃度監測系統的技術需求。

4 云崗煤礦氣體監測系統軟件設計

云崗煤礦基于TDLAS 原理的甲烷濃度監測系統運行流程如圖3。系統登錄后經過一系列參數設置后，系統自動進行礦井甲烷氣體和標準氣體的二次諧波信號的顯示，系統將兩種諧波進行最小二乘法線性擬合，反演處理得到的待測甲烷濃度會經過系統的濾波，去除背景影響以提升監測濃度精度，顯示器上會顯示出最終的濃度數值。系統還設置有濃度超限報警系統，但監測到的甲烷濃度高于設定的報警值后，系統自動發出聲光報警信號，并發出設定好的動作信號，操作濃度降低設備或系統動作。

圖3 甲烷濃度監測系統運行流程圖

5 應用效果

為了驗證該系統的運行穩定性和對井下甲烷濃度監測精度，將該系統應用到云崗煤礦10302 工作面進行試驗。監測精度試驗分別配置了十種氣體，監測各氣體濃度與實際標氣濃度的關系，得到數據形成圖4（左）。經過計算機運算，測量誤差在5%以下，絕對值誤差不大于0.06。系統穩定性檢驗主要針對6×10-3的濃度進行試驗，圖4（右）為試驗500 min 周期內的濃度監測數值圖，系統穩定誤差基本不超過10%，說明系統穩定性可靠。

圖4 系統精度與穩定性試驗圖