侯俊波

（晉能控股集團(tuán)責(zé)任公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

目前，隨著我國(guó)煤礦開(kāi)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(guò)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(dǎo)致水浸、電機(jī)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(diǎn)開(kāi)展了沼氣監(jiān)測(cè)與控制工作，對(duì)所有安全隱患進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，使事故得到提前處理和預(yù)防[3]。首先，需要對(duì)煤礦各關(guān)鍵位置的環(huán)境甲烷氣體分布和動(dòng)態(tài)進(jìn)行高精度、高可靠性的連續(xù)監(jiān)測(cè)。光纖甲烷傳感器提供了0~100%全范圍監(jiān)測(cè)的潛力，無(wú)需重新校準(zhǔn)。

2 光纖甲烷氣體傳感器

甲烷（CH4）是目前煤礦安全監(jiān)測(cè)中最重要的瓦斯，當(dāng)空氣中甲烷含量達(dá)到5~16%時(shí)[4]，即發(fā)生爆炸。傳統(tǒng)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?xì)怏w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(jiān)測(cè)傳感器內(nèi)部有源傳感器電阻和惰性補(bǔ)償電阻之間的差異。催化劑甲烷氣體傳感器的測(cè)量范圍小，一般在0~4%之間，靈敏度隨時(shí)間衰減，需要頻繁的重新校準(zhǔn)和維護(hù)。催化劑甲烷傳感器對(duì)可燃?xì)怏w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(cè)器來(lái)檢測(cè)甲烷吸收信號(hào)，同時(shí)也會(huì)受到濕度和溫度漂移的干擾。近紅外范圍的半導(dǎo)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(nèi)可以使用很多波長(zhǎng)。根據(jù)比爾-朗伯比爾定律，激光束通過(guò)濃度為C，路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)的吸收氣體時(shí)，透射光功率I（λ）可以用S（T）可以通過(guò)線性或多項(xiàng)式擬合對(duì)操作溫度范圍進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)表征。

典型的激光甲烷傳感器及探測(cè)系統(tǒng)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(gè)是直接一個(gè)光電二極管和放大轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)電壓V1作為參考,然后其他經(jīng)過(guò)傳感器氣體細(xì)胞發(fā)送信號(hào)檢測(cè)PD2和放大信號(hào)電壓V2。利用鋸齒波掃描注入電流可以調(diào)制激光二極管的波長(zhǎng)，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(cè)能力。

圖1 光譜光纖氣體傳感器原理圖

在掃描波長(zhǎng)范圍內(nèi)的V1/V2的比值作為歸一化光譜，可以用來(lái)進(jìn)行直接吸收分析，以確定氣體濃度。

直接歸一化方法簡(jiǎn)單、魯棒，通過(guò)對(duì)激光驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行正弦調(diào)制，利用鎖相檢測(cè)二次諧波吸收光譜，可以提高檢測(cè)靈敏度。激光驅(qū)動(dòng)器調(diào)制電流和吸收諧波信號(hào)如下頁(yè)圖2所示，典型調(diào)制頻率為10 kHz，吸收信號(hào)為20 kHz[5]。

圖2 激光驅(qū)動(dòng)電流的正弦調(diào)制和氣體吸收諧波信號(hào)

多通道傳感器可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將激光輸出分離到多纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)直接吸收和二次諧波方案。

氣體光譜的吸收強(qiáng)度受單位體積氣體分子的絕對(duì)密度的影響，而絕對(duì)密度又受環(huán)境溫度和壓力的影響。因此，需要進(jìn)行糾正。采用長(zhǎng)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(cè)量數(shù)據(jù)。分析得由于分子密度降低，測(cè)量數(shù)據(jù)隨溫度下降。光纖甲烷氣體傳感器的典型規(guī)格：0~4%范圍精度為±0.05%；對(duì)于范圍4~100%，準(zhǔn)確度為0~5%的實(shí)際值[5]。

2 基于激光光譜學(xué)的多氣體傳感器

一氧化碳在紅外區(qū)有很強(qiáng)的吸收能力。如圖3所示，在4.6 μm和4.75 μm區(qū)域，CO的吸收線的系數(shù)約為4.5×10-19和4.0×10-19。為了使用電信激光裝置和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，諧波近紅外區(qū)域的吸收光譜是值得關(guān)注的。圖4為1 568 nm和1 583 nm波長(zhǎng)區(qū)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(qū)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(qū)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(dá)到亞ppm的靈敏度，需要多反射長(zhǎng)路徑長(zhǎng)度的氣體電池。采用兩種透鏡的Harriet設(shè)計(jì)具有機(jī)械振動(dòng)容限高的優(yōu)點(diǎn)。其中半導(dǎo)體激光二極管的光發(fā)射在CO波長(zhǎng)，波長(zhǎng)集成器，然后分裂成三個(gè)纖維臂。一個(gè)直接連接到光電二極管，用作功率參考；一個(gè)直接連接到光電二極管，用作功率參考；通過(guò)參照室與光電二極管相連，參照室包含待測(cè)氣體混合物，用作波長(zhǎng)參照室；第三個(gè)連接到光纖通道長(zhǎng)度為20 m的Harriet光柵構(gòu)成的傳感器氣室。

通過(guò)傳感器的信號(hào)被功率基準(zhǔn)歸一化，以消除光源功率波動(dòng)的影響。CO、C2H2、C2H4、和CO2的典型歸一化吸收信號(hào)。

基于激光光譜對(duì)單一分子氣體N2進(jìn)行監(jiān)測(cè)其中分別摻雜有CO、C2H2、C2H4氣體，結(jié)果顯示靈敏度分別為1×10-6、0.1×10-6和0.1×10-6。當(dāng)其中存在高濃度的CH4和CO2時(shí)，對(duì)CO和C2H4的串?dāng)_進(jìn)行補(bǔ)償就很重要。

3 煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)煤礦安全規(guī)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(guān)鍵位置、采煤機(jī)截煤處等釋放甲烷的地方以及工作面的通風(fēng)出口巷道。目前黑白甲烷傳感器占主導(dǎo)地位，由于成本低被煤礦行業(yè)廣泛應(yīng)用。激光和紅外甲烷傳感器已逐漸被業(yè)界所接受。然而，光纖傳感器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中仍處于起步階段，主要原因是缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。下頁(yè)圖6為煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖，由傳感器、傳感器站、數(shù)據(jù)或信號(hào)發(fā)射機(jī)或工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)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(hào)/數(shù)據(jù)通信接口。傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器站和光纖傳輸鏈路進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸或通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)交換連接傳送到地面控制數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器。煤層甲烷瓦斯報(bào)警閾值一般設(shè)為1.0%為音頻報(bào)警，當(dāng)周?chē)淄闅怏w濃度達(dá)到1.5%或2.0%時(shí)，傳感器站為工作面生產(chǎn)設(shè)備啟動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)信號(hào)。

圖6 甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

在不需要現(xiàn)場(chǎng)顯示的情況下，光纖甲烷傳感器比傳統(tǒng)的電子傳感器更有優(yōu)勢(shì)。典型的例子是甲烷排水系統(tǒng)，光纖甲烷氣體傳感器可以用于監(jiān)測(cè)管道甲烷濃度，并提供0~100%的全量程能力。定期重新校準(zhǔn)黑白甲烷傳感器（通常每?jī)芍芤淮危┦欠浅Ｂ闊┑?。激光、紅外線或光纖甲烷傳感器的使用，使校準(zhǔn)或維護(hù)周期延長(zhǎng)至每六個(gè)月一次，大大減少了傳感器維護(hù)的人力，以及與傳感器校準(zhǔn)例行工作有關(guān)的人為錯(cuò)誤。圖7為甲烷氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)記錄，其中短峰值為傳感器數(shù)據(jù)讀取響應(yīng)2.0%標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體。

圖7 記錄現(xiàn)場(chǎng)甲烷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（使用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)2.0%甲烷氣體測(cè)試傳感器）

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦是工作場(chǎng)所中最危險(xiǎn)的場(chǎng)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(shè)備。該區(qū)域面積大，環(huán)境復(fù)雜，待監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)量多，有時(shí)電力供應(yīng)不足，傳統(tǒng)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(zhì)安全、傳輸距離長(zhǎng)、覆蓋面積大、多參數(shù)傳感等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文簡(jiǎn)要介紹了光纖傳感器在甲烷、燃燒、巖爆、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急信息系統(tǒng)中的幾種關(guān)鍵傳感器及其典型應(yīng)用。該系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多家煤礦應(yīng)用，成功地預(yù)防了一些煤炭燃燒危害、設(shè)備故障預(yù)防等。