基于光纤传感技术的瓦斯抽采管道安全监测系统

李艳芳，岳建会，孟辉

(1.山东省光纤传感重点实验室，山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014;2.北京理工大学光电学院，北京 100081;3.山东微感光电子有限公司，山东 济南 250101)

在煤矿开采过程中，对于一些高瓦斯矿实行先抽后采是防范瓦斯事故的治本之策。开展煤矿瓦斯抽采利用，可使高瓦斯矿井在低瓦斯状态下开采，避免了煤矿生产的灾害，还具有非常可观的环保价值［1］。在瓦斯抽采过程中管道内甲烷的浓度浮动较大，需要用专门的配气管道对抽采的瓦斯进行配气，才能得到浓度较高且浓度值稳定的瓦斯气体，因此对抽采和配气管道内甲烷等气体浓度的检测十分必要。瓦斯抽采的过程中为了抑爆，通常向管道内喷大量的水雾，造成管道内湿度较高。此外，由于瓦斯抽采的管道一般都比较长，且所处的环境比较复杂，在抽采过程中很容易出现管道泄漏的情况，而甲烷在浓度5%～16%的范围内就容易爆炸［2］，因此为了保证瓦斯管道的完整性和抽采的安全性，在抽采过程中对氧气的监测也很有必要［3－4］。

目前煤矿气体检测主要有载体催化燃烧式、热导式、光干涉式和红外吸收式等，但这些检测手段均存在不同程度的弊端，比如电化学类瓦斯传感器易漂移，测量范围小，长期可靠性差，精度低，易中毒等;红外吸收式传感器易存在不同气体的交叉干扰［5－7］。在这种恶劣环境下传统的甲烷传感器很难做到实时、在线且准确地测量。随着光纤传感技术的发展，基于激光光谱吸收的光纤传感器越来越受到研究者的关注［8－9］。这类传感器具有不带电、本质安全、不受电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、灵敏度高和长期稳定可靠等优点，特别适合在煤矿瓦斯抽采管道这种恶劣环境下应用。

由于抽采管道内气体的压力和环境温度变化较大，对浓度的测量值有较大的影响，为了提高对气体浓度的测量精度，我们在基于光纤传感技术的瓦斯抽采管道安全监测系统的设计过程中应用FPG技术实现了对温度压力的测量［10－11］，并基于测量值对气体浓度探测做了相应的补偿。

1 测量原理

甲烷和氧气采用气体光谱吸收的原理进行检测。根据Lambert-Beer定律，当一束光强为I0(λ)的平行光通过装有待测气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个或多个该气体的吸收谱线，则透射光强I(λ)与入射光强I0(λ)及气体浓度C之间的关系［10］为

其中，α(λ)为介质的吸收系数;L为光吸收气体的长度;P为气体介质的总压力;S(T)为该气体特征谱线的线强度，表示谱线的吸收强度，只与温度有关;φ(λ)为线型函数，表示被测吸收谱线的形状，与温度、总压力和气体中的各成分含量有关。

对式(1)两边进行对数运算后在整个频域内进行积分，则可得

因此，气体浓度可以直接通过下式计算而得。

在已知压力、吸收线强度和光吸收气体的有效长度等参数的情况下，将－ln(I/I0)在频域上的积分值带入式(3)中，就可以最终得到气体浓度值。通常情况下不直接对光谱吸收率信号进行积分，而采用对应的线型函数进行拟合，从线型拟合结果中精确得到该积分值，减小直接积分时测量误差的影响。实际传感器设计中一般先假设气体的压力和吸收线是一个常数，只需测量吸收前后光强的变化即可测得待测气体的浓度。为了提高测量的准确性和可靠性，在一些精密测量中需要加入温度和压力补偿。

光纤气体温度、压力传感器是一种光纤光栅型传感器。布拉格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光(带宽通常约为0.2 nm)，此中心波长称之为布拉格波长。当温度、应变同时发生变化时，总的布拉格波长位移应为热移动分量和应变移动分量之和。该波长λB满足［13］

其中，ΔλB是中心波长的变化，α为光纤的热膨胀系数，ζ为热光系数，ΔT为光栅处的温度变化，Pe为有效光弹系数，ε为光栅的应变，可以是压力、位移、速度和加速度等的函数。由式(4)可以看出，光栅的波长变化和所处的温度以及承受的压力有一定的关系，实际应用时通过测量光栅波长的变化即可测得环境温度和压力。

图1 系统结构图Fig.1 System structure illstration

2 系统结构

根据上述气体浓度和温度压力测量原理，我们设计了基于光纤传感技术的瓦斯抽采发电安全监测系统，其系统结构见图1。由中央处理单元产生合适的光源调制信号，分别驱动甲烷、氧气和温度压力检测激光器。光源发出的光经过各自的检测光路后到达光电转换电路，光电转换和信号处理电路把带有相应浓度信号的光信号转换为电信号，并对电信号进行相应的放大滤波，经过处理后的电信号送入采集单元，转换为数字信号后送入中央处理单元，经过中央处理单元对数据处理后即可解调环境内甲烷、氧气的浓度和管道内的温度和压力。由式(3)可知，气体的检测浓度受环境的温度和压力的影响。为了提高系统的精度，利用所测得的环境温度和压力对检测浓度做了适当地补偿，现场测试数据证明，补偿后系统的精度分别提高了7%和11%。

3 现场测量数据

3.1 气体浓度测量结果

在本项目中，使用低频锯齿波调制DFB激光器的工作电流以便达到波长调制的目的，使得激光器的中心波长对准甲烷的一个吸收峰1653.7 nm。采用一个内置参考气室确定瓦斯气体吸收波长，保障系统在小信号时依然可靠工作。由于测量范围比较大，在实验中使用分段标定且进行二次拟合的方法进行气体浓度的标定。图2给出了浓度分别为0%、0.979%、4%、6.99%、20%、35%、60%、85%的甲烷标准气对激光甲烷传感器浓度和比值的标定曲线，二者的关系满足C1=2.731x12+54.42x1+0.048，其中，C1表示甲烷标气浓度，x1表示吸收前后光强的比值。图3给出了现场某一激光甲烷传感器和传统甲烷传感器显示值的对比，结果显示两种传感器测试的甲烷浓度变化趋势一致，表明激光甲烷传感器能够实现瓦斯管道甲烷浓度的监测。

图2 激光甲烷传感器标定曲线Fig.2 Calibration curve of a laser methane sensor

图3 激光甲烷传感器和传统甲烷传感器显示值对比Fig.3 Concentration contrast between fiber laser sensor andtraditional methane sensor

氧气的吸收峰在760 nm附近，由于在该波段普通光通讯波段1550 nm的器件损耗非常大，不能满足光的传输、转换等功能，所以用于氧气探测的器件都采用特殊波长的器件实现。采用DFB激光器对氧气波长在该吸收峰附近进行扫描，得到气体吸收光谱，分别对应0%、1.5%、4.5%、10%、15%、30.05%、100%的标准氧气浓度，得到的二次谐波信号如图4所示。采用不同浓度的氧气标气对传感器进行标定，标定结果如图5所示。氧气浓度和二次谐波幅值满足公式C2=0.4963x22+15.751x2－0.4903，其中，C2表示氧气的浓度、x2表示二次谐波的幅值。

图4 不同浓度氧气二次谐波曲线Fig.4 Second-harmonic wave curve for different concentrations of oxygen

图5 氧气标定曲线Fig.5 Oxygen calibration curve

3.2 温度、压力测量结果

应用多点光纤气体温度、压力传感系统软件对设计的温度、压力传感器进行了标定，温度传感器标定结果如图6所示，温度值和光栅的波长满足公式Tc=102.22λ－1562.6，其中，Tc表示环境温度、λ表示光栅的中心波长。压力传感器标定结果如图7所示。压力值和光栅的波长满足公式Pc=61.263λ－93838，其中，Pc表示待测压力。从图中可以看出温度、压力传感器的线性度很好。

图6 温度传感标定数据Fig.6 Calibration data of a temperature sensor

图7 压力传感器标定数据Fig.7 Calibration data of a pressure sensor

图8 温度传感器现场测量结果Fig.8 Field results of a temperature sensor

图9 压力传感器现场测量结果Fig.9 Field results of a pressure sensor

实际应用时温度压力传感器采用悬臂梁、波纹管的组合结构，传感器安装方便。图8和图9分别给出了某一温度和压力传感器的实际测量值。图8可以看出所测的温度值和环境温度的变化曲线一致，图9可以看出，管道内的压力随着向管道中通入调节的高浓度甲烷，有一定幅度的波动。

实际应用过程中，气体传感器的测量浓度容易受到传感器所处环境温度和压力的影响，因此，为了进一步提高传感器的测量精度和可靠性，根据测量所得的温度和压力值对气体传感器做了补偿。实验时向传感器中通入浓度为30.05%的甲烷标准气体，图10和图11分别给出了温度和压力补偿前后气体传感器的显示值，结果显示补偿后气体传感器的显示值更加稳定。温度补偿后精度提高了7%，压力补偿后精度提高了11%。

图10 温度补偿前后气体浓度曲线Fig.10 Gas concentration curves before and after temperature compensation

图11 压力补偿前后气体浓度曲线Fig.11 Gas concentration curves before and after pressure compensation

4 结论

基于光纤传感技术的瓦斯抽采管道安全监测系统实现了瓦斯抽采管道中瓦斯浓度、温度、压力、氧气浓度等参数实时在线监测。现场应用表明，激光光谱吸收气体检测技术具有测量精度高、测量范围大、气体选择性好以及不受水气干扰等特点。同时光纤类传感器在抽采管道中的应用也显示出了其优势，在恶劣环境下抗干扰、易维护。系统的应用对抽采管道中甲烷的充分利用、抽采管道的维护等提供了可靠的技术支持，在降低瓦斯排放量、保护环境等方面具有非常可观的价值。但是和其他光学传感器类似，在仪器现场实验时发现探头的防尘、防潮仍然是工作的难点。此外，为了提高仪器的可靠性，在恶劣环境下光缆的安装和保护也需要现场实践和不断探索。

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