激光甲烷傳感器在瓦斯抽放管道在線監測的應用

2018-11-15 08:17:56金光賢賈光輝

山東煤炭科技 2018年11期

金光賢孟輝賈光輝

（1.山東微感光電子有限公司，山東濟南 250014；2.山東新礦趙官能源有限責任公司，山東德州 251113）

在高瓦斯礦井開采過程中，先抽后采是防范瓦斯事故的治本之策。開展煤礦瓦斯抽采利用，可使高瓦斯礦井在低瓦斯狀態下開采，避免了煤礦生產的災害，同時具有非常可觀的環保價值[1]。在瓦斯抽采過程中管道內甲烷的濃度浮動較大，需要用專門的配氣管道對抽采的瓦斯進行配氣，才能得到濃度較高且濃度值穩定的瓦斯氣體，因此，對抽采和配氣管道內甲烷等氣體濃度的檢測十分必要。瓦斯抽采的過程中為了抑爆，通常向管道內噴大量的水霧，造成管道內濕度較高。此外，由于瓦斯抽采的管道一般都比較長，且所處的環境比較復雜，在抽采過程中很容易出現管道泄漏的情況，而甲烷在5%～16%的范圍內就容易爆炸[2]。

目前煤礦氣體檢測主要有載體催化燃燒式、熱導式、光干涉式和紅外吸收式等，但這些檢測手段均存在不同程度的弊端，比如電化學類瓦斯傳感器易漂移，測量范圍小，長期可靠性差，精度低，易中毒等；紅外吸收式傳感器易存在不同氣體的交叉干擾[3-5]。在這種惡劣環境下傳統的甲烷傳感器很難做到實時、在線且準確地測量。隨著光纖傳感技術的發展，激光光譜吸收的光纖傳感器越來越受到研究者的關注[6-7]。激光甲烷傳感器具有測量范圍寬、測量誤差低、響應速度快、調校周期長，使用壽命長、氣體單一性高、后期維護方便等特點。通過綜合對比，激光甲烷傳感器與其他幾種傳感器對比，在穩定性和可靠性方面要具有明顯的優勢，特別適合在煤礦瓦斯抽采管道這種惡劣環境下應用。

由于抽采管道內氣體的壓力和環境溫度變化較大，對濃度的測量值有較大的影響，為了提高對氣體濃度的測量精度，本文介紹了激光甲烷傳感器在寬溫度范圍、寬壓力范圍下的適應性，并引入物聯網技術，實現遠端實時監測。

1 激光甲烷傳感器工作原理

甲烷采用氣體光譜吸收的原理進行檢測。根據Lambert-Beer定律，當一束光強為I0(λ)的平行光通過裝有待測氣體的氣室時，如果光源光譜覆蓋一個或多個該氣體的吸收譜線，則透射光強I(λ)與入射光強I0(λ)及氣體濃度C之間的關系（2）為：

式中：

α(λ)-介質的吸收系數；

L-光吸收氣體的長度；

P-氣體介質的總壓力；

S(T)-該氣體特征譜線的線強度，表示譜線的吸收強度，只與溫度有關；

Φ(λ)-線型函數，表示被測吸收譜線的形狀，與溫度、總壓力和氣體中的各成分含量有關。

對式（1）兩邊進行對數運算后在整個頻域內進行積分，則可得：

因此，氣體濃度可以直接通過下式計算而得：

在已知壓力、吸收線強度和光吸收氣體的有效長度等參數的情況下，將-ln(I/I0)在頻域上的積分值帶入式（3）中，就可以最終得到氣體濃度值。通常情況下不直接對光譜吸收率信號進行積分，而采用對應的線型函數進行擬合，從線型擬合結果中精確得到該積分值，減小直接積分時測量誤差的影響。實際傳感器設計中一般先假設氣體的壓力和吸收線是一個常數，只需測量吸收前后光強的變化即可測得待測氣體的濃度。為了提高測量的準確性和可靠性，需要溫度和壓力補償[8]。