新型傳感器在煤礦井下環境監測中的應用

侯俊波

（晉能控股集團責任公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

目前，隨著我國煤礦開采深度的增加，大地壓、巖爆或瓦斯涌出等安全隱患顯著增加。超過55%的煤礦中含瓦斯，因此瓦斯突出和爆炸、頂板塌落和煤巖突出導致水浸、電機故障等安全事故。大型傷亡事故中，約80%是由甲烷爆炸引起的[2]。為此，重點開展了沼氣監測與控制工作，對所有安全隱患進行在線監測，使事故得到提前處理和預防[3]。首先，需要對煤礦各關鍵位置的環境甲烷氣體分布和動態進行高精度、高可靠性的連續監測。光纖甲烷傳感器提供了0~100%全范圍監測的潛力，無需重新校準。

2 光纖甲烷氣體傳感器

甲烷（CH4）是目前煤礦安全監測中最重要的瓦斯，當空氣中甲烷含量達到5~16%時[4]，即發生爆炸。傳統的催化型甲烷氣體傳感器含有鉑加熱器的傳感電阻元件，該元件在可燃氣體中燃燒，引起電阻隨氣體濃度的變化。惠斯通電橋電路用于監測傳感器內部有源傳感器電阻和惰性補償電阻之間的差異。催化劑甲烷氣體傳感器的測量范圍小，一般在0~4%之間，靈敏度隨時間衰減，需要頻繁的重新校準和維護。催化劑甲烷傳感器對可燃氣體敏感，缺乏選擇性，它在低氧水平下也不能正常工作，容易中毒。紅外甲烷傳感器采用寬帶紅外LED光源和涂有紅外濾波器的光電二極管探測器來檢測甲烷吸收信號，同時也會受到濕度和溫度漂移的干擾。近紅外范圍的半導體激光二極管或LED具有良好的選擇性和靈敏度，可與光纖傳感器頭配套使用。

在1 650 nm范圍內可以使用很多波長。根據比爾-朗伯比爾定律，激光束通過濃度為C，路徑長度為L的吸收氣體時，透射光功率I（λ）可以用S（T）可以通過線性或多項式擬合對操作溫度范圍進行經驗表征。

典型的激光甲烷傳感器及探測系統如圖1所示。光從激光二極管源排放在1 663 nm左右分為兩束,一個是直接一個光電二極管和放大轉換為電子信號電壓V1作為參考,然后其他經過傳感器氣體細胞發送信號檢測PD2和放大信號電壓V2。利用鋸齒波掃描注入電流可以調制激光二極管的波長，得到了氣體吸收光譜。采用DFB和VECSEL兩種激光二極管作為光源。DFB提供更大的功率，而VCSEL提供更大的探測能力。

圖1 光譜光纖氣體傳感器原理圖

在掃描波長范圍內的V1/V2的比值作為歸一化光譜，可以用來進行直接吸收分析，以確定氣體濃度。

直接歸一化方法簡單、魯棒，通過對激光驅動電流進行正弦調制，利用鎖相檢測二次諧波吸收光譜，可以提高檢測靈敏度。激光驅動器調制電流和吸收諧波信號如下頁圖2所示，典型調制頻率為10 kHz，吸收信號為20 kHz[5]。

圖2 激光驅動電流的正弦調制和氣體吸收諧波信號

多通道傳感器可以通過簡單地將激光輸出分離到多纖維來實現直接吸收和二次諧波方案。

氣體光譜的吸收強度受單位體積氣體分子的絕對密度的影響，而絕對密度又受環境溫度和壓力的影響。因此，需要進行糾正。采用長度為6.0 mm的傳感器氣槽直接吸收分析得到的典型甲烷氣體濃度測量數據。分析得由于分子密度降低，測量數據隨溫度下降。光纖甲烷氣體傳感器的典型規格：0~4%范圍精度為±0.05%；對于范圍4~100%，準確度為0~5%的實際值[5]。

2 基于激光光譜學的多氣體傳感器

一氧化碳在紅外區有很強的吸收能力。如圖3所示，在4.6 μm和4.75 μm區域，CO的吸收線的系數約為4.5×10-19和4.0×10-19。為了使用電信激光裝置和標準單模光纖，諧波近紅外區域的吸收光譜是值得關注的。圖4為1 568 nm和1 583 nm波長區域的吸收譜線。可以看出，近紅外吸收比紅外吸收弱約4×10-24。

圖3 CO氣體紅外光譜

圖4 1.568μm和1.583 μm區域的CO諧波譜

C2H2的近紅外光譜如圖5所示，可以看到吸收帶在1 520~1 535 nm區域。C2H4、C2H6、CO2和O2的吸收波段分別在1 626 nm、1 654 nm、1 538 nm和760 nm左右。

圖5 C2H2近紅外光譜

為了達到亞ppm的靈敏度，需要多反射長路徑長度的氣體電池。采用兩種透鏡的Harriet設計具有機械振動容限高的優點。其中半導體激光二極管的光發射在CO波長，波長集成器，然后分裂成三個纖維臂。一個直接連接到光電二極管，用作功率參考；一個直接連接到光電二極管，用作功率參考；通過參照室與光電二極管相連，參照室包含待測氣體混合物，用作波長參照室；第三個連接到光纖通道長度為20 m的Harriet光柵構成的傳感器氣室。

通過傳感器的信號被功率基準歸一化，以消除光源功率波動的影響。CO、C2H2、C2H4、和CO2的典型歸一化吸收信號。

基于激光光譜對單一分子氣體N2進行監測其中分別摻雜有CO、C2H2、C2H4氣體，結果顯示靈敏度分別為1×10-6、0.1×10-6和0.1×10-6。當其中存在高濃度的CH4和CO2時，對CO和C2H4的串擾進行補償就很重要。

3 煤礦瓦斯在線監測系統

根據煤礦安全規程，將甲烷傳感器放置于井下工作面頂角等瓦斯容易積聚的關鍵位置、采煤機截煤處等釋放甲烷的地方以及工作面的通風出口巷道。目前黑白甲烷傳感器占主導地位，由于成本低被煤礦行業廣泛應用。激光和紅外甲烷傳感器已逐漸被業界所接受。然而，光纖傳感器在現場應用中仍處于起步階段，主要原因是缺乏行業標準。下頁圖6為煤礦瓦斯監測系統框圖，由傳感器、傳感器站、數據或信號發射機或工業網絡、數據服務器和顯示器組成。甲烷等氣體傳感器與傳感器站相連，傳感器站提供直流電源和信號/數據通信接口。傳感器數據通過傳感器站和光纖傳輸鏈路進行點對點傳輸或通過工業網絡中的網絡交換連接傳送到地面控制數據中心的數據服務器。煤層甲烷瓦斯報警閾值一般設為1.0%為音頻報警，當周圍甲烷氣體濃度達到1.5%或2.0%時，傳感器站為工作面生產設備啟動斷電開關信號。

圖6 甲烷監測系統框圖

在不需要現場顯示的情況下，光纖甲烷傳感器比傳統的電子傳感器更有優勢。典型的例子是甲烷排水系統，光纖甲烷氣體傳感器可以用于監測管道甲烷濃度，并提供0~100%的全量程能力。定期重新校準黑白甲烷傳感器（通常每兩周一次）是非常麻煩的。激光、紅外線或光纖甲烷傳感器的使用，使校準或維護周期延長至每六個月一次，大大減少了傳感器維護的人力，以及與傳感器校準例行工作有關的人為錯誤。圖7為甲烷氣體監測數據的現場記錄，其中短峰值為傳感器數據讀取響應2.0%標準甲烷氣體。

圖7 記錄現場甲烷監測數據（使用常規標準2.0%甲烷氣體測試傳感器）

4 結語

煤礦是工作場所中最危險的場景之一，有易燃易爆和有毒氣體，燃燒，洪水，頂板坍塌和許多大型設備。該區域面積大，環境復雜，待監測對象數量多，有時電力供應不足，傳統電子傳感器使用不方便。光纖物理傳感器和氣體傳感器具有本質安全、傳輸距離長、覆蓋面積大、多參數傳感等獨特優勢。本文簡要介紹了光纖傳感器在甲烷、燃燒、巖爆、設備狀態監測和應急信息系統中的幾種關鍵傳感器及其典型應用。該系統已在國內多家煤礦應用，成功地預防了一些煤炭燃燒危害、設備故障預防等。