礦用激光甲烷傳感器示值誤差校準(zhǔn)方法及不確定度評(píng)定

【摘要】本文提出礦用激光甲烷傳感器示值誤差的校準(zhǔn)方法，并對(duì)校準(zhǔn)方法的測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行評(píng)定，為保證煤礦環(huán)境安全監(jiān)測(cè)的甲烷量值準(zhǔn)確可靠提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】礦用激光甲烷傳感器；示值誤差；校準(zhǔn)；不確定度

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.05.075

Calibration Method and Uncertainty Evaluation for Indication Error of Mine Laser Methane Sensor

SHAO Shiqu1， WAN Jinbi2*

（1.Guizhou Tiandihe Big Data Engineering Co.， Ltd.， Guiyang 550000， China； 2.GuizhouAntuo Technology Co.， Ltd.， Bijie Testing Branch， Bijie 551500， China）

Abstract： This paper presents a calibration method for indication error of mine laser methane sensor， the measurement uncertainty of calibration method is evaluated， it provides the basis for ensuring the accuracy and reliability of the methane value in the coal mine environmental safety monitoring.

Keywords： mine laser methane sensor； indication error； calibration； uncertainty

0引言

煤礦開(kāi)采主要在地下進(jìn)行，開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的礦井瓦斯含有甲烷氣體，具有較高的危險(xiǎn)性，可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故，嚴(yán)重威脅礦工的生命安全。因此，對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中瓦斯中的甲烷量值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

礦井環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用礦用激光甲烷傳感器作為甲烷監(jiān)測(cè)儀表，其能將甲烷濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并傳輸至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)礦井環(huán)境中甲烷含量的實(shí)時(shí)測(cè)量，為礦井環(huán)境安全管理提供數(shù)據(jù)支持。礦用激光甲烷傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)于保障礦井環(huán)境安全至關(guān)重要，為了確保使用中的礦用激光甲烷傳感器量值準(zhǔn)確，應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

本文提出了一種針對(duì)礦用激光甲烷傳感器示值誤差的校準(zhǔn)方法，為礦用激光甲烷傳感器的量值溯源及確保其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠提供了技術(shù)路徑，可供相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行礦用激光甲烷傳感器示值誤差校準(zhǔn)時(shí)參考使用。

1儀器原理及計(jì)量特性

1.1儀器原理

礦用激光甲烷傳感器是一種基于激光光譜吸收原理來(lái)測(cè)量甲烷濃度的儀表，廣泛應(yīng)用于礦井中甲烷濃度的監(jiān)測(cè)。礦用激光甲烷傳感器主要由激光探頭、電子部件和顯示部件等組成。在工作過(guò)程中，甲烷通過(guò)擴(kuò)散方式與激光探頭接觸，傳感器將甲烷濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。隨后，電子部件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，并在顯示部件上展示甲烷濃度值，同時(shí)輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)甲烷含量的檢測(cè)與報(bào)警。當(dāng)甲烷濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。礦用激光甲烷傳感器根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同分為兩類(lèi)：一類(lèi)用于礦井環(huán)境的常規(guī)檢測(cè)，另一類(lèi)則專(zhuān)用于瓦斯抽放管道的檢測(cè)。礦用激光甲烷傳感器工作原理見(jiàn)圖1。

1.2示值誤差

當(dāng)測(cè)量范圍X為0.00%CH4

當(dāng)測(cè)量范圍X為1.00%CH4

2校準(zhǔn)條件

2.1環(huán)境條件

1）環(huán)境溫度：15～35℃。

2）相對(duì)濕度：≤85%。

3）大氣壓力：86～106 kPa。

4）其他：無(wú)影響傳感器正常工作的氣體和電磁場(chǎng)干擾，配備必要的防爆和通風(fēng)設(shè)施。

2.2校準(zhǔn)用設(shè)備

氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：氮?dú)庵屑淄闅怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，相對(duì)擴(kuò)展不確定度≤2%（k=2）。

零點(diǎn)氣體：氮?dú)猓兌取?9.99%）。

直流穩(wěn)壓電源：輸出電壓為0～30 V（DC），輸出電流為0～

3A（DC）。

頻率計(jì)：測(cè)量范圍為0～3000 Hz，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí)及以上。

2 km仿真電路：直流電阻為12.8Ω/km。

分布電容：0.06μF/km，分布電感：0.8 mH/km。

流量計(jì)：測(cè)量范圍為60～600 mL/min，準(zhǔn)確度等級(jí)為4.0級(jí)及以上。

3校準(zhǔn)方法

先將礦用激光甲烷傳感器開(kāi)機(jī)預(yù)熱30 min以上，然后按圖2所示連接氣路，并依據(jù)使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定的通氣流量通入高純度氮?dú)庹{(diào)整零點(diǎn)。零點(diǎn)調(diào)整后，再通入體積分?jǐn)?shù)為20.0%左右的氮?dú)庵屑淄闃?biāo)準(zhǔn)氣體，或按生產(chǎn)廠商規(guī)定的要求通入相應(yīng)濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行調(diào)整，通氣3 min后，礦用激光甲烷傳感器測(cè)量值應(yīng)與通入的甲烷氣體濃度值一致，若有偏差，通過(guò)遙控器進(jìn)行調(diào)整，直至礦用激光甲烷傳感器顯示值與通入甲烷氣體濃度值一致。在此后的校準(zhǔn)過(guò)程中不再調(diào)整。

4.4不確定度來(lái)源

不確定度來(lái)源主要包括被校礦用激光甲烷傳感器測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、被校礦用激光甲烷傳感器顯示分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、頻率計(jì)準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和標(biāo)準(zhǔn)氣體準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度等。

4.5標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評(píng)定

4.5.1輸入量xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

1）被校礦用激光甲烷傳感器測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1（ xi）

采用A類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定。礦用激光甲烷傳感器測(cè)量范圍為（0%～100%）CH4，在重復(fù)性條件下，通入體積分?jǐn)?shù)約為35.30%的氮?dú)庵屑淄闅怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

【參考文獻(xiàn)】

[1]煤礦用非色散紅外甲烷傳感器：JJG 1138—2017[S].

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[3]礦用激光甲烷傳感器校準(zhǔn)規(guī)范：JJF（黔）53—2021[S].

【作者簡(jiǎn)介】

邵詩(shī)衢，男，1988年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)橛?jì)量、檢驗(yàn)檢測(cè)。

通信作者：萬(wàn)金筆，男，1987年出生，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榈V山安全計(jì)量檢定、校準(zhǔn)以及測(cè)試，843416412@qq.com。

（編輯：李加鵬）