N1203 工作面光纖甲烷濃度監測系統設計與應用

王 潔

（潞安化工集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

潞安集團的余吾煤業由于井下光線差、空間小、施工困難，布放過多的設備、線路對后期運行維護帶來極大挑戰，加上井下巷道構造復雜，造成局部區域甲烷氣體賦存，井下甲烷濃度監測不準，因此以余吾煤礦N1203 工作面為研究對象，設計甲烷濃度監測系統[1]。

1 工作面概況

余吾煤礦N1203 工作面所在3#煤層為主要開采煤層，生產能力為600 Mt/a，煤層深度超過400 m，甲烷氣體的絕對涌出量達198.06 m3/min。工作面長度約302 m，煤層總高6 m，開采高度3.2 m，放煤高度3.4 m，在開采過程中采用中央并列式通風。在回采至停采線80 m距離，瓦斯爆炸發生概率增大，因此需要對N1203 工作面甲烷氣體濃度進行實時、精準監測。

2 甲烷濃度監測系統的整體方案

甲烷濃度監測系統結構圖如圖1，圖中實線代表電信號，虛線代表光信號。對甲烷氣體濃度監測主要使用了鋸齒波調制半波掃描的方法[2]。

圖1 系統整體結構框圖

通過中心單元發出指令調節電流控制器與溫度控制器，實現對激光器的發光頻率控制，激光發出后進入波分系統（WDM），分波裝置將激光分為8路分別達到反射式氣室，由于光的波長不同，會收到8 束光回到波分系統。得到的光束依次經過光電轉換、放大器與微分處理模塊，形成模擬信號，模擬信號再由A/D 轉換變為數字信號，回到中心單元進行處理。

3 甲烷濃度監測系統硬件設計

3.1 激光器驅動模塊

通過調整激光器輸入電流大小，可以改變激光輸出波長，電流每改變1 mA，激光波長相應變化0.02 nm。為了得到不同波長的激光束，激光器的輸入電流采用鋸齒波的形式輸入，其電流驅動模塊如圖2所示，由D/A 轉換器、平滑濾波電容器、鋸齒波信號調制單元、電流轉換單元和驅動加強電路五部分組成，確保電流波形清晰精準。

圖2 激光器電流驅動模塊圖

主控芯片輸出控制信號到高精度D/A，高精度D/A 根據接收到的數字信號輸出對應鋸齒波模擬信號，模擬信號經過電容平滑濾波器處理，由階梯狀的鋸齒波信號變為平滑的鋸齒波信號。主控芯片單元參考鋸齒波信號調制得到半波掃描的輸出電壓，輸出電壓經過電流轉換模塊與驅動加強電路模塊處理，進入激光器，激光器發射對應激光信號。經上述驅動電路模塊的調制，輸入激光器的輸入電流為25～50 mA，激光器掃描波長范圍為1 645.457～1 645.515 nm。

實現對甲烷氣體濃度的精確測量，除了圖2 所示驅動電路，激光器周邊溫度對波長的影響也不能忽視。激光波長集中在0.05 nm 的范圍內，而溫度每變化一度將造成激光波長0.203 nm 幅度變化，故激光器的溫度波動范圍在0.01 ℃之內。為此，引入TCM-X107 型溫度控制模塊，確保溫度變化幅度不超0.01 ℃。

3.2 光電轉換模塊

經過驅動電路調制的激光器射出激光束，激光束穿過待測氣體，依據比爾-朗伯定律，不同濃度的氣體會造成相應的光強變化，且變化呈比例[3]。故對光強度的變化情況進行監測，可得到氣體濃度值。但現有的儀器設備，直接測量光強直觀性差、要求較高，引入光電轉換模塊，可更直接測量數值，而且便于對信號完成前置放大處理。

試驗選取的光電轉換模塊芯片為AD8605 型號，該型號芯片轉換精度高，屬于干擾噪聲小的運算放大器，且運算放大器可編程，便于改變放大系數，確保多路系統具有良好的全局一致性。

3.3 信號解調模塊

信號解調模塊主要將接收到的光信號轉換為相應電信號后解調，依據解調的結果可得到氣體濃度信息，得到最終的氣體濃度數值[4]。信號解調模塊共包括七部分：前置放大電路、微分處理電路、信號解讀、信號調理、差分處理、抗混疊濾波和AD采集。

試驗選取的微分處理模塊為OPA209型號設備，運放正極輸入參考電壓為2.5 V。信號解讀與信號調理過程，是通過分光器將一束光分為兩束分別調理，經調理后送到差分運算器中，用于信號計算。差分處理主要是降低信號中存在的共模干擾，抗混疊濾波用于信號波過濾，均起到降低干擾、提升結果可靠性的作用。AD 采集單元則負責信號采集，并輸送至DSP 進行數據處理。

4 甲烷濃度監測系統軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖3。

圖3 系統主程序流程圖

各模塊初始化的過程，可檢驗模塊運行狀況是否正常。信號調制主要用于激光器的輸出光調制，確保輸出光強與波長滿足要求。光信號經過待測氣體后回到PIN-PD 探測器，經光電轉換，處理為電信號，進而對電信號進行路數判斷。若處理路數在規定范圍內，則按照路數進行后續處理；若處理路數不在規定范圍內，則重新回到初始化位置。使用解調程序調整信號，將解調結果進行AD 采集，對應數字信號送入到DSP 中帶入預先設定的算法。最終的結果在上位機屏幕與下位機液晶屏上輸出，由機器自動判斷數值是否超過設定閾值，若超過設定氣體濃度告警值，將在對應支路發出報警或預報警信號。

4.1 通道選擇子程序

通道選擇子程序可實現對分布式信號的實時監測與判斷處理。程序正式運行前，需要首先對通道選擇進行初始化，進而可對通道數值進行判斷，確定通道數值是否在路數范圍以內。若通道數值正好處于路數范圍以內，則進入運算放大器內，通過給定合理的放大增益，完成調節。處理通道完成后，還會將通道數+1，執行下一路。若通道數值不在路數范圍以內，則直接將該通道返回初始化，通道數歸零。

4.2 數據采集子程序

數據采集主要為AD 采集，對各通道的信號按照采集周期進行處理信號的采集，并完成計算。數據采集子程序運行首先需要進行初始化操作，初始化后等待采集信號，采集信號是在信號處理完成后向AD 采集發出的，AD 判斷采集操作。若進行采集，則需要開啟采集中斷程序；若不進行采集，則直接返回程序。

4.3 串口通信子程序

串口通信主要用作信號的傳輸，經各模塊處理與計算得到的數據經過串口可傳送至下位機與上位機，并在指定LCD 屏上顯示。串口通信子程序開始運行同樣會執行初始化操作，待各模塊計算完成后，由串口通信子程序進入終端，將計算結果傳送至上位機與下位機。傳輸過程中，串口通信子程序還會對傳輸過程進行實時監測，數據傳送一旦完成則立即執行返回程序。

5 現場驗證

完成甲烷濃度監測系統軟硬件設計，為了檢驗該系統的有效性，在余吾煤業N1203 工作面進行了現場驗證。

首先驗證氣體濃度與監測結果的線性關系。將濃度已知的甲烷氣體分別通入監測系統中，得到監測結果記錄，并在圖中標點，最后將所有測試結果用直線連接，得到如圖4所示的測試結果。可以看出，氣體濃度測量值與實際取值接近，誤差小，測量結果準確。

圖4 氣體濃度監測結果圖

進一步對氣體濃度監測系統的測量穩定性進行測試。選擇濃度為82.2%的甲烷氣體進行實時監測，記錄周期為每3 min 記錄一次，共記錄7 d，得到的監測結果如圖5。通過圖5 可以得出，在該氣體濃度下，甲烷氣體監測系統的誤差范圍在±0.25%范圍內波動，監測精度1×10-5，穩定性可達0.01%。

圖5 氣體濃度穩定性監測結果圖

實際的工作面中，為了確保氣體濃度監測數據更精準有效，選擇將甲烷氣體濃度監測系統的傳感器進氣口安裝在瓦斯抽采管道的出氣口位置，傳感器與監測儀之間可拉遠連接，借助光纖優越的傳輸性能，最大理論傳輸距離能達到10 km。監測儀通過以太網接口與上位機通訊，提供實時氣體濃度數據，減少井下現場工作量。為了監測光纖甲烷氣體濃度監測系統性能，與現網使用的便攜式甲烷氣體監測儀進行對比，分別選取兩處位置加裝便攜式甲烷氣體監測儀，得到如圖6 所示的測試結果。其中test 1 為光纖甲烷氣體濃度監測系統，test 2 和test 3為便攜式甲烷氣體濃度監測儀。通過圖6 可以得出，光纖甲烷氣體濃度監測系統精度更高。

圖6 不同氣體監測系統監測數據對比

6 結論

通過對余吾煤礦N1203 工作面光纖甲烷氣體濃度監測系統的軟硬件設計與現場測試，分析了各模塊功能與流程，對比了不同監測方法的監測精度，得到：

（1）通過結合傳感器技術、光電轉換技術，結合氣體的吸收譜線特性，提出鋸齒波調制半波掃描監測方法，能夠實現對多個區域的氣體濃度監測，減少井下工作量，提升監測精度與效率；

（2）通過現場測試，證明了光纖甲烷氣體濃度監測系統具有良好的實用性，82.2%的甲烷氣體濃度監測誤差范圍在±0.25%內波動，監測精度1×10-5，穩定性可達0.01%。