甲烷传感器的应用改进研究

2022-09-16常映辉

江西化工 2022年4期

常映辉

(晋能控股煤业集团，山西大同 037000)

0 引言

某能源企业所处的地理环境存在瓦斯浓度较高的情况，且这种情况还会伴随掘进的加深而愈发严重。该能源企业存在的特殊问题决定了企业对瓦斯的检测变成了安全的关键部分[1]。CH4是组成瓦斯的主要部分，因此对于甲烷的检测主要是针对CH4进行。现在，传统的能源企业安全监测是通过高低浓度传感器以及催化燃烧式传感器的协同工作完成。高低浓度传感器的稳定性有所欠缺，经常受到其他环境因素影响，从而导致最终的结果精度降低。催化燃烧式传感器存在量程范围不足的问题，无法检测高浓度开采区，且占用较大面积，标定周期较短，这将极大增加了工作量。因此，为了提升能源企业的安全性，笔者充分考虑该企业的高瓦斯浓度、水汽丰富、气体浑浊的环境特点，设计了新型激光甲烷传感器以提升企业的安全监测性能。

1 激光甲烷传感器设计

设计的激光甲烷传感器是一种气体传感器，运用的是光谱吸收的原理，对于不同气体会呈现出不同的光谱吸收曲线，据此依靠单色光谱识别技术完成CH4浓度计算工作[2]，且其他的环境因素对其结果不会产生影响，具体的原理图如图1。

根据激光甲烷传感器中的光强计算用下式。

I=I0exp(-AD)

(1)

其中，I代表传感器探测的激光光强，单位cd(代表candela)；I0代表的是激光射出时的光强，单位cd；A 代表消光系数，单位L/(mol·cm)；D代表光程，单位m。

图1 激光甲烷传感器设计原理图

设计的传感器中，光强度I0通过发光二极管测出，其中的消光系数[3-5]：

A=Cαλ

(2)

其中，C代表甲烷的体积分数，单位为%；αλ代表甲烷的吸收系数。

因此，甲烷的体积分数可以通过以上的(1)、(2)公式得出。如果遇上井下复杂因素对光探测器结果精度造成影响，可以通过使用标校双路探测法来实现对最终结果精度的保障。

2 激光甲烷传感器对比试验

将激光甲烷传感器与其余两种催化燃烧式传感器及高低浓度传感器做对照实验。设计的传感器本身有较高的稳定性和检测精度，同时还具备自校准功能，即遇见复杂环境中不利因素的干扰，也能给出可靠的检测结果。实验中的混合气体主要包含烷类、丁醇类、烷类混合气体和苯类，实验中的气体体积分数占比分别为样本气体占4%，丁烷混合气体和甲烷气体各占剩余气体的一半。最终结果如表1[6-8]。

表1 测试盒中固定气体浓度下测得CH4 体积分数单位：%

经上表可知，高浓度甲烷传感器与催化燃烧式传感器都存在一定的测量误差。但是，设计的激光甲烷传感器由于其特殊的检测原理显示出超高的精度。能源企业井下的工作区域存在较多的电磁设备，因此对设备的传感器造成干扰在所难免，其中就有供电系统的谐振引起的过压问题；其余设备的电磁干扰；开关产生的电磁导致的干扰[9]。对于以上几种问题，本文有针对性地设计出以下几种实验：不同间距的干扰测试；高频通讯设备发射瞬时对传感器的影响测试；380 V 开关，开关动作瞬时对传感器的影响测试。这3 组试验的所用样本甲烷的体积分数均为4%。统计出以下三表的测试结果[10]。

表2 不同距离3组传感器测得的CH4体积分数结果单位：%

通过上表结果可知，当传感器与干扰源距离越小时，产生的测量误差越大，距离超过5米后，这种干扰将不会对结果产生大的影响。从以上三组实验中也可得到，催化燃烧式传感器受到影响最大，其次是高浓度甲烷传感器，设计的激光甲烷传感器则是变现最为稳定的，几乎不受其影响。

表3 开关动作瞬间3组传感器测得的CH4体积分数结果单位：%

通过上表结果可知，受到开关动作影响最明显的传感器为催化燃烧式传感器，且具有20%测量误差，其余两种传感器产生几乎可以忽略的干扰。这从另外一方面表明了设计的传感器完备的性能。

表4 通讯设备与传感器不同距离下测得的CH4体积分数结果单位：%

通过上表结果可知，前两个传感器受通讯设备影响较大，同时激光甲烷传感器显示出了强大的抗干扰性能。若设备的电路引用电磁屏蔽技术，则可以保证传感器在复杂电磁环境中的正常工作，显著减少干扰产生的不必要的影响。

激光甲烷传感器性能的验证需要在实地进行测量，因此，笔者特意将5套激光甲烷传感器设定在同煤矿下的各个区域，同时在各传感器旁边设定一个T1000型传感器，进行连天不间断采样，采样间隔为2 h，对其测量的数值对比[11]。笔者取这两个设备的平均值为对比参考，观察其每天的相对误差值的波动，最终结果显示，激光甲烷传感器的整体相对误差在2%以下，误差范围控制在±2%。以前布置设备不便，如今笔者再布置5台传感器，并收集30天的数据，最终得到所有设备的相对误差波动如图2[12]。