基于红外差分吸收的矿井瓦斯浓度分布式监测系统

尹晶晶，徐振峰

(安徽国防科技职业学院 机电工程系，安徽 六安 237011)

基于红外差分吸收的矿井瓦斯浓度分布式监测系统

尹晶晶，徐振峰

(安徽国防科技职业学院 机电工程系，安徽 六安 237011)

摘要：为了实现矿井瓦斯气体浓度的实时监测和预警，设计了一套基于近红外差分吸收光谱原理的矿井瓦斯浓度分布式光纤监测系统。选用中心波长为1650nm的DFB激光器作为光源。选择Newport公司生产的325型号温控器和525型号驱动器，将激光器输出波长稳定在1653.7nm处。采用光分束器将激光分为两路信号，分别连接气体吸收室和参考气室。以PIN光电二极管为光电探测器，设计了光电转换电路，进行了瓦斯浓度测量实验，并得到瓦斯气体浓度的计算表达式。实验结果表明该系统能够准确地测量瓦斯浓度。

关键词：差分吸收；瓦斯；分布式系统；红外

0引言

我国是全球最大的煤炭消费、生产和进口国。但我国煤矿瓦斯含量高，瓦斯爆炸事故时常发生。提高瓦斯浓度实时监测技术则有利于减少安全事故发生。甲烷气体是瓦斯的主要成分，实时准确地监测甲烷气体浓度对保障煤矿安全生产具有十分重要的意义。目前常用的甲烷浓度测量方法有载体催化燃烧法[1-2]，电化学测量法[3]，光干涉测量法[4-5]以及光谱吸收[6-10]等测量方法。由于具有灵敏度高、防电磁干扰、防燃防爆等优点，因此光谱吸收式甲烷测量方法成为近年来的研究热点。

目前矿井瓦斯浓度检测主要使用单点式测量设备。由于个别矿工安全意识淡薄，违规操作时有发生。而井上安全生产管理人员无法全面实时地了解井下各处瓦斯浓度分布信息，从而不能准确地评估煤矿安全生产潜在危险。由于分布式光纤传感器具有远距离多点监测能力，因此构建矿井瓦斯浓度分布式监测系统将有助于实时监测整座煤矿井下瓦斯浓度的分布信息，提高安全生产的预警及管控能力。本文采用差分吸收法，设计了一套矿井瓦斯浓度光纤分布式远程监测系统。

1差分吸收原理

大部分非对称双原子分子和多原子分子的气体在红外光区域都有自己的特征吸收谱线。当光源穿过气体时，特征谱线的光会被气体吸收，从而该谱线的光强度减弱。光强度减弱的程度与气体浓度、光线在气体中经过的路程以及气体在该谱线处的吸收强度有关。该关系可以采用Lambert-Beer定律来描述：

I=I0*exp(-μcl)

(1)

其中，I0为入射光强度；I为出射光强度；μ为特定波长处的吸收系数；c为待测气体的体积浓度；l为气体与光的作用长度。

气体对特定波长光线的吸收系数以及气体与光线的作用长度均是已知的。只要测得入射光强度和出射光强度，即可计算出气体浓度。但光源不稳定、长距离传输等导致的光强度衰减等因素会影响气体浓度测量结果的准确性。差分吸收法可以有效解决该问题。差分吸收法可分为单波长双光路法和双波长单光路法。以单波长双光路法为例，激光器发送的红外光由分束器分成两路，其光强分别记为I01和I02。一路激光通过待测气室，光强则因被气体吸收而衰减；另一路则通过参考气室，但室内气体不吸收该波长的激光。参考气室的作用是消除待测气室所在光路中光源波动、传输衰减等因素对测量结果的影响。经过气室后，两路出射光强度分别为：

I1=k1*I01*exp(-μcl)

(2)

I2=k2*I02

(3)

式中k1和k2分别为无甲烷气体时光通过光纤的损耗系数，均为常数。由两路出射光强之比，则可得：

(4)

在光路长度相同，光纤弯曲度相似等条件下，两路中的光强损耗系数近似相等，即k1≈k2，或者两者之比为常数。(4)式对数项中包含两路入射光强之比I01/I02，因此可以有效消除光源光强波动对测量结果的影响。将光强损耗系数之比和两路入射光强之比看作常数，记为k3，因此(4)式可以简化为：

(5)

通过测量两路出射光强度I1和I2，即可求出气体浓度。

2瓦斯浓度分布式光纤监测系统

瓦斯光纤分布式远程监测系统原理如图1所示。图中虚线框内的设备安放在井上监控室内，而所有的气室则安放在井下各监测点处。激光器发射出的激光由光分束器分为多路。经过光缆把各路激光信号送入矿井下。每根光纤都连接一个气室。一个待测气体吸收室和一个参考气室组成一个敏感元件。由此可以保证两路光信号的光程及其路径弯曲程度等尽可能一致。待测气体吸收室内的气体即为监测点处的气体。在气体吸收室内激光被甲烷吸收，因此其强度变弱。每路光信号则经过光电转换及放大电路变为电信号之后，进入计算机进行处理。激光器的驱动电路和温度控制电路可以独立运行，也可以由计算机进行控制，在图中用虚线表示。检测室内可以实时了解整个井下的瓦斯浓度分布状况，方便准确地进行事故预测和及时采取通风排气或急救措施。

图1　瓦斯光纤分布式远程监测系统

3实验系统

不同气体的分子结构不同，因此其所对应的吸收光谱也不相同。甲烷气体在中红外和近红外区域均有吸收光谱。在3.39μm，1.66μm，1.3μm三处的吸收强度之比大约为1000:5:1[11]。尽管甲烷在中红外区域的吸收远强于在近红外区域的吸收，但实际中难以采用中红外吸收谱线，因为中红外光源需要制冷，光源的谱带较宽，而且现有光纤不适合中红外光进行远距离传输。因此本文选择了近红外吸收光谱区域。

本实验采用了日本安立公司生产的中心波长为1650nm的DFB激光器。该激光器具有谱线窄、功率大等优点。温控器选择了Newport公司生产的325型号温控器。该温控器具有很好的温度稳定性，可以保证24小时内温度漂移不超过0.01℃。选择了同一家公司生产的525型号驱动器。该驱动器具有低噪声、高稳定性等特点，而且可以通过电流LIMIT设置，无条件地保护激光器。调节温控器的输出温度，可以实现激光器输出中心波长的粗略调节；调节驱动的输出电流，可以实现激光器输出中心波长的精细调节。通过两者的协调调节，可以将输出激光中心波长稳定在甲烷气体的某一吸收峰处。上述驱动器和温控器的良好性能可以保证激光器在长时间工作的情况下，输出激光波长不会发生较大偏移。本实验选择了甲烷气体在1653.7nm处的吸收谱线。实验设置如图2所示。

使用分束器将激光信号一分为二。一路激光经过待测气室，另一路激光经过参考气室。两个气室均为圆柱形密封钢桶。气室内的两端均有GRIN透镜，构成传感头。两透镜之间的距离设计为20cm。单光程吸收。每个气室的两头均留有通气口，用橡皮塞密封。使用注射器从甲烷容器中抽取气体，并注射入待测气室中，以此实现甲烷气体的不同浓度配比。为使实验与实际情况更接近，在每个气室前后均接入600米的光纤，即实现长距离传输。

图2　实验框图

使用PIN光电二极管作为光电转换器件，其波长响应范围为1100～1700nm。让PIN光电二极管工作于零偏置状态，其优点是无暗电流。由于光电二极管产生的电信号非常微弱，因此需要设计放大电路。这里使用了AD公司生产AD549作为运放，具体电路设计如图3所示。设计了两个完全相同的电路，用以实现两种光信号的转换。电路的输出均由数据采集卡(PCI-2006)的A/D转换通道进入计算机。用LabVIEW软件完成两路光强的比值并取对数计算。根据(5)式可知，其比值反映了甲烷气体的浓度值。

图3　光电转换电路

4实验结果

圆柱形气体吸收室的体积约为112mL。首先用氮气(纯度为99.99%)冲洗气体吸收室，测量此时无甲烷气体时的输出电压值。然后连续5次向气室内注射甲烷气体(纯度为99.95%)，每次注射1mL。记录每一种情况下的输出电压比值。根据注射入的甲烷气体体积和气室气体，计算出相应的甲烷气体浓度值。然后重新用氮气冲洗气室，重复上述实验，记录不同浓度下的输出电压比值。共重复做了6次上述实验。每一种浓度及其对应输出电压值如表1所示。将每一种浓度下前5次的电压比的测量值取平均，绘制出浓度与输出电压比值的关系图，如图4所示，并拟合得到两者之间的线性关系式如(6)式所示。

表1　甲烷浓度及其输出电压值

图4甲烷浓度及对应的输出电压比值

y=0.0457x+0.8846

(6)

式中y为输出电压比值，x为甲烷气体浓度。由此推导出甲烷气体浓度计算式如下：

x=(y-0.8846)/0.0457

(7)

使用第6组的电压比的测量值来检验甲烷气体计算表达式。将第6次测量的不同浓度下的电压比值代入(7)式，计算出甲烷浓度，并与实际浓度值进行比较。所计算出的浓度值及其误差如表2所示。

表2　甲烷浓度计算值及其误差

从上述结果可以看出，对于不同浓度的甲烷气体，输出电压比值非常稳定，这表明该实验系统稳定性良好。根据多次测量所建立的甲烷浓度计算式能够准确反映出输出电压比值与甲烷浓度之间的关系。在实际操作过程中手动控制注射甲烷气体的体积会有一定的误差。由于气室体积较小，因此手动操作的误差可能会对测量结果有较大影响。如果更换为更大容量的气室，则有望减少手动操作的影响。

5结语

本文构建了基于近红外光谱差分吸收的矿井瓦斯浓度分布式监测系统。采用双光路结构克服了光源波动和传输损耗对系统稳定性的影响。实验结果表明该系统能够准确地测量瓦斯浓度信息。今后将在此基础上对系统进一步完善，包括进一步提高系统测量的准确性及可靠性，并开发上位机显示及报警软件等。

参考文献

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[责任编辑、校对：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

基金项目：安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2016A121)

作者简介：尹晶晶(1984-),女,安徽六安人,助教,从事智能控制研究。

中图分类号：TP274+.52;TD712+.3

文献标识码：A

文章编号：1008-9233(2016)03-0061-04