常映輝

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，山西 大同 037000)

0 引言

某能源企業(yè)所處的地理環(huán)境存在瓦斯?jié)舛容^高的情況，且這種情況還會(huì)伴隨掘進(jìn)的加深而愈發(fā)嚴(yán)重。該能源企業(yè)存在的特殊問(wèn)題決定了企業(yè)對(duì)瓦斯的檢測(cè)變成了安全的關(guān)鍵部分[1]。CH4是組成瓦斯的主要部分，因此對(duì)于甲烷的檢測(cè)主要是針對(duì)CH4進(jìn)行。現(xiàn)在，傳統(tǒng)的能源企業(yè)安全監(jiān)測(cè)是通過(guò)高低濃度傳感器以及催化燃燒式傳感器的協(xié)同工作完成。高低濃度傳感器的穩(wěn)定性有所欠缺，經(jīng)常受到其他環(huán)境因素影響，從而導(dǎo)致最終的結(jié)果精度降低。催化燃燒式傳感器存在量程范圍不足的問(wèn)題，無(wú)法檢測(cè)高濃度開(kāi)采區(qū)，且占用較大面積，標(biāo)定周期較短，這將極大增加了工作量。因此，為了提升能源企業(yè)的安全性，筆者充分考慮該企業(yè)的高瓦斯?jié)舛?、水汽豐富、氣體渾濁的環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新型激光甲烷傳感器以提升企業(yè)的安全監(jiān)測(cè)性能。

1 激光甲烷傳感器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的激光甲烷傳感器是一種氣體傳感器，運(yùn)用的是光譜吸收的原理，對(duì)于不同氣體會(huì)呈現(xiàn)出不同的光譜吸收曲線，據(jù)此依靠單色光譜識(shí)別技術(shù)完成CH4濃度計(jì)算工作[2]，且其他的環(huán)境因素對(duì)其結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，具體的原理圖如圖1。

根據(jù)激光甲烷傳感器中的光強(qiáng)計(jì)算用下式。

I=I0exp(-AD)

(1)

其中，I代表傳感器探測(cè)的激光光強(qiáng)，單位cd(代表candela)；I0代表的是激光射出時(shí)的光強(qiáng)，單位cd；A 代表消光系數(shù)，單位L/(mol·cm)；D代表光程，單位m。

圖1 激光甲烷傳感器設(shè)計(jì)原理圖

設(shè)計(jì)的傳感器中，光強(qiáng)度I0通過(guò)發(fā)光二極管測(cè)出，其中的消光系數(shù)[3-5]：

A=Cαλ

(2)

其中，C代表甲烷的體積分?jǐn)?shù)，單位為%；αλ代表甲烷的吸收系數(shù)。

因此，甲烷的體積分?jǐn)?shù)可以通過(guò)以上的(1)、(2)公式得出。如果遇上井下復(fù)雜因素對(duì)光探測(cè)器結(jié)果精度造成影響，可以通過(guò)使用標(biāo)校雙路探測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)最終結(jié)果精度的保障。

2 激光甲烷傳感器對(duì)比試驗(yàn)

將激光甲烷傳感器與其余兩種催化燃燒式傳感器及高低濃度傳感器做對(duì)照實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)的傳感器本身有較高的穩(wěn)定性和檢測(cè)精度，同時(shí)還具備自校準(zhǔn)功能，即遇見(jiàn)復(fù)雜環(huán)境中不利因素的干擾，也能給出可靠的檢測(cè)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中的混合氣體主要包含烷類、丁醇類、烷類混合氣體和苯類，實(shí)驗(yàn)中的氣體體積分?jǐn)?shù)占比分別為樣本氣體占4%，丁烷混合氣體和甲烷氣體各占剩余氣體的一半。最終結(jié)果如表1[6-8]。

表1 測(cè)試盒中固定氣體濃度下測(cè)得CH4 體積分?jǐn)?shù) 單位：%

經(jīng)上表可知，高濃度甲烷傳感器與催化燃燒式傳感器都存在一定的測(cè)量誤差。但是，設(shè)計(jì)的激光甲烷傳感器由于其特殊的檢測(cè)原理顯示出超高的精度。能源企業(yè)井下的工作區(qū)域存在較多的電磁設(shè)備，因此對(duì)設(shè)備的傳感器造成干擾在所難免，其中就有供電系統(tǒng)的諧振引起的過(guò)壓?jiǎn)栴}；其余設(shè)備的電磁干擾；開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電磁導(dǎo)致的干擾[9]。對(duì)于以上幾種問(wèn)題，本文有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出以下幾種實(shí)驗(yàn)：不同間距的干擾測(cè)試；高頻通訊設(shè)備發(fā)射瞬時(shí)對(duì)傳感器的影響測(cè)試；380 V 開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)對(duì)傳感器的影響測(cè)試。這3 組試驗(yàn)的所用樣本甲烷的體積分?jǐn)?shù)均為4%。統(tǒng)計(jì)出以下三表的測(cè)試結(jié)果[10]。

表2 不同距離3組傳感器測(cè)得的CH4體積分?jǐn)?shù)結(jié)果 單位：%

通過(guò)上表結(jié)果可知，當(dāng)傳感器與干擾源距離越小時(shí)，產(chǎn)生的測(cè)量誤差越大，距離超過(guò)5米后，這種干擾將不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生大的影響。從以上三組實(shí)驗(yàn)中也可得到，催化燃燒式傳感器受到影響最大，其次是高濃度甲烷傳感器，設(shè)計(jì)的激光甲烷傳感器則是變現(xiàn)最為穩(wěn)定的，幾乎不受其影響。

表3 開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間3組傳感器測(cè)得的CH4體積分?jǐn)?shù)結(jié)果 單位：%

通過(guò)上表結(jié)果可知，受到開(kāi)關(guān)動(dòng)作影響最明顯的傳感器為催化燃燒式傳感器，且具有20%測(cè)量誤差，其余兩種傳感器產(chǎn)生幾乎可以忽略的干擾。這從另外一方面表明了設(shè)計(jì)的傳感器完備的性能。

表4 通訊設(shè)備與傳感器不同距離下測(cè)得的CH4體積分?jǐn)?shù)結(jié)果 單位：%

通過(guò)上表結(jié)果可知，前兩個(gè)傳感器受通訊設(shè)備影響較大，同時(shí)激光甲烷傳感器顯示出了強(qiáng)大的抗干擾性能。若設(shè)備的電路引用電磁屏蔽技術(shù)，則可以保證傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境中的正常工作，顯著減少干擾產(chǎn)生的不必要的影響。

激光甲烷傳感器性能的驗(yàn)證需要在實(shí)地進(jìn)行測(cè)量，因此，筆者特意將5套激光甲烷傳感器設(shè)定在同煤礦下的各個(gè)區(qū)域，同時(shí)在各傳感器旁邊設(shè)定一個(gè)T1000型傳感器，進(jìn)行連天不間斷采樣，采樣間隔為2 h，對(duì)其測(cè)量的數(shù)值對(duì)比[11]。筆者取這兩個(gè)設(shè)備的平均值為對(duì)比參考，觀察其每天的相對(duì)誤差值的波動(dòng)，最終結(jié)果顯示，激光甲烷傳感器的整體相對(duì)誤差在2%以下，誤差范圍控制在±2%。以前布置設(shè)備不便，如今筆者再布置5臺(tái)傳感器，并收集30天的數(shù)據(jù)，最終得到所有設(shè)備的相對(duì)誤差波動(dòng)如圖2[12]。

圖2 連續(xù)采樣甲烷傳感器相對(duì)誤差

從圖2可知，在連續(xù)30天采樣結(jié)束后，設(shè)計(jì)的激光甲烷傳感器的相對(duì)誤差始終控制在±5%，具有很好的穩(wěn)定性，這反映出其測(cè)量精度的較高可靠性，在復(fù)雜環(huán)境下仍然能夠表現(xiàn)出良好的性能，這對(duì)于減少礦下工作量，降低人工成本和保障企業(yè)的安全都有很大的幫助。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)能源企業(yè)環(huán)境，以及現(xiàn)用傳統(tǒng)設(shè)備存在的諸多的問(wèn)題，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)分析了激光甲烷傳感器，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了各個(gè)影響因素的性能測(cè)試對(duì)比，并且進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，最終得出以下結(jié)論。

第一，設(shè)計(jì)的激光甲烷傳感器因其特殊的檢測(cè)原理顯示出超高的精度，且能夠抵抗其余設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。

第二，設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)y(cè)得誤差保持在±5%以下，滿足井下的甲烷傳感器的使用要求。這證明設(shè)計(jì)的激光甲烷傳感器在瓦斯監(jiān)測(cè)中能夠適用于復(fù)雜環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高且可靠性強(qiáng)，對(duì)于能源企業(yè)的安全保障工作具有較大意義。