管道型紅外甲烷傳感器在負(fù)壓抽采管路中的檢測(cè)技術(shù)研究

董康寧，楊晉芳

（1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京100083；2.北京思優(yōu)特科技發(fā)展有限公司，北京100083）

瓦斯事故是煤礦井下安全生產(chǎn)的主要威脅之一，也是一直困擾煤礦行業(yè)的重大難題。針對(duì)我國(guó)高、突瓦斯礦井，須按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)程有關(guān)規(guī)定及”先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測(cè)監(jiān)控”的方針，無(wú)論高瓦斯礦井的井型大小，也不管煤層有無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，都必須建立地面永久抽放瓦斯系統(tǒng)或井下臨時(shí)抽放瓦斯系統(tǒng)，并對(duì)抽放管道的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[1-2]。

目前，已有多種成熟的氣體濃度檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)甲烷等氣體濃度的方法主要有：催化元件法、熱傳導(dǎo)法、光干涉法、電化學(xué)法、紅外光譜吸收法等[3]。現(xiàn)有的礦用紅外甲烷傳感器在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到負(fù)壓、凝露、粉塵堵塞、氣體流速低、溫度、濕度、壓力等干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。

管道型紅外甲烷傳感器在負(fù)壓抽采管路中的檢測(cè)技術(shù)，首先采用新型專(zhuān)用管路裝置將負(fù)壓環(huán)境中的氣體經(jīng)濾塵濾水后引入傳感器的氣室，使傳感器能夠準(zhǔn)確采樣到抽采管路中的氣體濃度[4]；其次傳感器的氣室內(nèi)置1 個(gè)基于紅外光譜吸收原理的紅外敏感元件及壓力采集元件[5]。紅外探測(cè)敏感元件是由1 個(gè)紅外激光發(fā)射器發(fā)射紅外光，經(jīng)過(guò)3.39 μm濾光片以及管道內(nèi)的甲烷氣體通過(guò)管道型甲烷傳感器的氣路裝置進(jìn)入紅外敏感元件氣室，吸收3.39 μm 紅外光后,以自發(fā)輻射形式釋放出光子,由光子探測(cè)器接收，其輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器后，可以輸出CH4氣體濃度的模擬或數(shù)字信號(hào)[6]。因礦井下瓦斯抽采管路的負(fù)壓環(huán)境，會(huì)對(duì)紅外氣體在氣室的光吸收產(chǎn)生較大影響，因此，將壓力采集元件采集到的壓力與實(shí)際采集到的甲烷濃度進(jìn)行分析得出壓力補(bǔ)償算法模型，從而對(duì)甲烷濃度值進(jìn)行軟件修正，提高管道型紅外甲烷傳感器的測(cè)量精度。

1 管道型紅外甲烷傳感器研制的理論依據(jù)

根據(jù)量子力學(xué)觀點(diǎn)，分子的能量分布并不是連續(xù)的，而是量子化的一個(gè)個(gè)能級(jí)。當(dāng)分子從某個(gè)高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)釋放出一定頻率的光子；反之，當(dāng)分子由某個(gè)低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)則需要吸收一定頻率的光子[7]。發(fā)射或者吸收光的頻率必須滿足玻爾的頻率條件，換言之，只有光子的能量恰好等于原子能態(tài)與能態(tài)之差時(shí)，這個(gè)光子才會(huì)被分子吸收[8]。而每種不同的氣體分子所能吸收的光也不一樣，氣體分子吸收光子之后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，又會(huì)將吸收的光子自發(fā)釋放出來(lái)。光譜吸收法檢測(cè)氣體濃度的原理就是通過(guò)檢測(cè)氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)，根據(jù)其變化情況來(lái)檢測(cè)氣體濃度的方法[9]。每種氣體分子都有自己的吸收（或輻射）譜特征，光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后的光強(qiáng)將發(fā)生變化，因而具有高度的選擇特性。

當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的平行輸入光通過(guò)充有氣體的氣室時(shí)，如果光源光譜覆蓋一個(gè)氣體吸收線，光通過(guò)氣體時(shí)發(fā)生衰減，根據(jù)Lambert-Beer 定律[10]，可以得出輸出光強(qiáng)I（λ）、輸入光強(qiáng)I0（λ）和氣體體積分?jǐn)?shù)三者之間的關(guān)系為：

式中：α 為一定波長(zhǎng)下單位體積分?jǐn)?shù)、單位長(zhǎng)度的介質(zhì)吸收系數(shù)；L 為吸收路徑的長(zhǎng)度；c 為氣體體積分?jǐn)?shù)。

可得：c=（-1/αL）ln（I（λ）/I0（λ））

由此表明：如果L、α與λ已知，通過(guò)檢測(cè)I（λ）和I0（λ）就可以測(cè)得氣體的體積分?jǐn)?shù)。

2 管道型紅外甲烷傳感器新型專(zhuān)用氣路裝置

礦用管道型紅外甲烷傳感器測(cè)量瓦斯抽采管道中的瓦斯氣體時(shí)，需要將氣體從管道中引入傳感器，但由于抽采管路存在負(fù)壓、凝露、粉塵堵塞、氣體流速低、溫度、濕度、壓力干擾等因素，如果引入氣體的“氣路裝置”設(shè)計(jì)不合理。就會(huì)引起氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的氣體取樣裝置，該裝置的焊接絲扣焊接在瓦斯抽放管路上，然后與管道型紅外甲烷傳感器之間采用法蘭連接。該氣路裝置利用流體力學(xué)原理，使得負(fù)壓管路中的氣體順利進(jìn)入傳感器氣室，并且可以有效去除管路中的凝結(jié)水和粉塵，確保了傳感器的精確采樣。氣路裝置模型圖如圖1。

圖1 氣路裝置模型圖Fig.1 Model diagram of gas path device

新型專(zhuān)用氣路裝置使用前后的采樣數(shù)據(jù)對(duì)比值見(jiàn)表1。由表1 可以看出，對(duì)比沒(méi)有使用新型專(zhuān)用氣路裝置的管道型紅外甲烷傳感器，采用了專(zhuān)用氣路裝置的氣體采樣值有了明顯的上升，但受管道內(nèi)負(fù)壓環(huán)境的影響，采樣到的數(shù)值準(zhǔn)確度出現(xiàn)較大偏差，此時(shí)需要用壓力補(bǔ)償模型來(lái)實(shí)現(xiàn)將采樣到的數(shù)值修正到真實(shí)值。

表1 新型專(zhuān)用氣路裝置使用前后的CH4 采樣數(shù)據(jù)對(duì)比值Table 1 Comparison of CH4 sampling data before and after the use of the new special gas circuit device

3 管道型紅外甲烷傳感器

依據(jù)紅外吸收原理特性得出，甲烷氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光具有強(qiáng)烈的吸收作用，甲烷的濃度越大，對(duì)紅外光的吸收越強(qiáng)烈。當(dāng)一束特定的紅外光經(jīng)過(guò)含有甲烷的氣體后，由于甲烷氣體的吸收，紅外探測(cè)器接收的光信號(hào)減弱，通過(guò)對(duì)減弱的光信號(hào)進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后，再進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、處理，驅(qū)動(dòng)發(fā)光數(shù)碼管顯示甲烷的濃度。同時(shí)將檢測(cè)的甲烷濃度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率量信號(hào)或者RS485 信號(hào)，由電纜傳輸給關(guān)聯(lián)設(shè)備。當(dāng)檢測(cè)的甲烷體積分?jǐn)?shù)高于設(shè)定的報(bào)警值，傳感器發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)檢測(cè)的甲烷體積分?jǐn)?shù)高于設(shè)定的斷電值時(shí)，傳感器輸出斷電信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)的甲烷體積分?jǐn)?shù)低于設(shè)定的復(fù)電值時(shí)，傳感器輸出變?yōu)閺?fù)電信號(hào)。

3.1 管道型紅外甲烷傳感器整體架構(gòu)

管道型紅外甲烷傳感器由小型化氣室、單片機(jī)、光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示、數(shù)字接口、專(zhuān)用氣路裝置等組成。單片機(jī)經(jīng)光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路對(duì)光源進(jìn)行4 Hz 電調(diào)制。紅外敏感組件輸出信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大及A/D 轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、處理，轉(zhuǎn)換成濃度值顯示并傳輸。

傳感器外殼由不銹鋼沖壓而成，前后蓋之間有橡膠墊密封，防塵、防水。傳感器上部的把手便于攜帶和安裝。傳感器顯示窗口由4 位發(fā)光數(shù)碼管組成，數(shù)碼管顯示所檢測(cè)的甲烷體積分?jǐn)?shù)值。聲報(bào)警裝置位于顯示窗口上方。傳感器的頂端是氣光報(bào)警燈，底端是氣室，氣室中安放紅外探測(cè)敏感元件和壓力采集元件，被測(cè)氣體經(jīng)專(zhuān)用氣路裝置取氣后由擴(kuò)散方式進(jìn)入氣室。傳感器整體架構(gòu)圖如圖2。

圖2 管道型紅外甲烷傳感器架構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline infrared methane sensor

3.2 管道型紅外甲烷傳感器壓力補(bǔ)償硬件

傳感器測(cè)量管道中的氣體時(shí)，由于瓦斯抽放管路處于負(fù)壓狀態(tài)，受負(fù)壓影響傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)很大偏差，故而需要在硬件設(shè)計(jì)上加入壓力數(shù)據(jù)采集，從而建立壓力補(bǔ)償算法模型，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

傳感器壓力數(shù)據(jù)采集采用一種硅壓阻式壓力芯片，可提供高度精確的線性電壓輸出，輸出電壓與作用壓力成正比。且芯片本身是激光加工而成，量程精確，有偏移校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。壓力傳感器測(cè)量范圍為0～200 kPa，可以滿足瓦斯抽放管路中負(fù)壓管路的環(huán)境要求。壓力傳感器的放大電路如圖3。

圖3 壓力傳感器放大電路Fig.3 Pressure sensor amplifier circuit

3.3 管道型紅外甲烷傳感器壓力補(bǔ)償模型

管道型紅外甲烷傳感器在瓦斯抽放管路中采集的實(shí)時(shí)原始數(shù)據(jù)受壓力影響，出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，故而在軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行了壓力補(bǔ)償計(jì)算，算法公式如下：

式中：CO為補(bǔ)償前的CH4體積分?jǐn)?shù)，%；Up為實(shí)時(shí)采集到的壓力值，kPa；CN為補(bǔ)償后的CH4體積分?jǐn)?shù)值，%。

管道型紅外甲烷傳感器壓力補(bǔ)償前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表見(jiàn)表2。

表2 壓力補(bǔ)償前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 2 Comparison table of experimental data before and after pressure compensation

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)煤礦瓦斯抽采管路中負(fù)壓影響無(wú)法將氣體自燃擴(kuò)散到傳感器氣室及負(fù)壓環(huán)境會(huì)對(duì)管道型紅外甲烷傳感器氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)造成影響，研制了新型專(zhuān)用氣路裝置，并提出了一種切實(shí)可行的壓力補(bǔ)償算法模型, 重點(diǎn)介紹了壓力補(bǔ)償硬件電路和補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)驗(yàn)證。通過(guò)采用給紅外敏感元件壓力補(bǔ)償?shù)姆绞?，解決礦井井下壓力變化因素對(duì)紅外氣體檢測(cè)產(chǎn)生的影響，使得先進(jìn)的紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下。