金光贤 孟 辉 贾光辉
(1.山东微感光电子有限公司,山东 济南 250014;2.山东新矿赵官能源有限责任公司,山东 德州 251113)
在高瓦斯矿井开采过程中,先抽后采是防范瓦斯事故的治本之策。开展煤矿瓦斯抽采利用,可使高瓦斯矿井在低瓦斯状态下开采,避免了煤矿生产的灾害,同时具有非常可观的环保价值[1]。在瓦斯抽采过程中管道内甲烷的浓度浮动较大,需要用专门的配气管道对抽采的瓦斯进行配气,才能得到浓度较高且浓度值稳定的瓦斯气体,因此,对抽采和配气管道内甲烷等气体浓度的检测十分必要。瓦斯抽采的过程中为了抑爆,通常向管道内喷大量的水雾,造成管道内湿度较高。此外,由于瓦斯抽采的管道一般都比较长,且所处的环境比较复杂,在抽采过程中很容易出现管道泄漏的情况,而甲烷在5%~16%的范围内就容易爆炸[2]。
目前煤矿气体检测主要有载体催化燃烧式、热导式、光干涉式和红外吸收式等,但这些检测手段均存在不同程度的弊端,比如电化学类瓦斯传感器易漂移,测量范围小,长期可靠性差,精度低,易中毒等;红外吸收式传感器易存在不同气体的交叉干扰[3-5]。在这种恶劣环境下传统的甲烷传感器很难做到实时、在线且准确地测量。随着光纤传感技术的发展,激光光谱吸收的光纤传感器越来越受到研究者的关注[6-7]。激光甲烷传感器具有测量范围宽、测量误差低、响应速度快、调校周期长,使用寿命长、气体单一性高、后期维护方便等特点。通过综合对比,激光甲烷传感器与其他几种传感器对比,在稳定性和可靠性方面要具有明显的优势,特别适合在煤矿瓦斯抽采管道这种恶劣环境下应用。
由于抽采管道内气体的压力和环境温度变化较大,对浓度的测量值有较大的影响,为了提高对气体浓度的测量精度,本文介绍了激光甲烷传感器在宽温度范围、宽压力范围下的适应性,并引入物联网技术,实现远端实时监测。
甲烷采用气体光谱吸收的原理进行检测。根据Lambert-Beer定律,当一束光强为I0(λ)的平行光通过装有待测气体的气室时,如果光源光谱覆盖一个或多个该气体的吸收谱线,则透射光强I(λ)与入射光强I0(λ)及气体浓度C之间的关系(2)为:
式中:
α(λ)-介质的吸收系数;
L-光吸收气体的长度;
P-气体介质的总压力;
S(T)-该气体特征谱线的线强度,表示谱线的吸收强度,只与温度有关;
Φ(λ)-线型函数,表示被测吸收谱线的形状,与温度、总压力和气体中的各成分含量有关。
对式(1)两边进行对数运算后在整个频域内进行积分,则可得:
因此,气体浓度可以直接通过下式计算而得:
在已知压力、吸收线强度和光吸收气体的有效长度等参数的情况下,将-ln(I/I0)在频域上的积分值带入式(3)中,就可以最终得到气体浓度值。通常情况下不直接对光谱吸收率信号进行积分,而采用对应的线型函数进行拟合,从线型拟合结果中精确得到该积分值,减小直接积分时测量误差的影响。实际传感器设计中一般先假设气体的压力和吸收线是一个常数,只需测量吸收前后光强的变化即可测得待测气体的浓度。为了提高测量的准确性和可靠性,需要温度和压力补偿[8]。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,在瓦斯抽放管道使用物联网技术,是时代的进步及趋势。实现随时随地可查看瓦斯抽放管道的数据,对于煤矿安全生产意义非常大。
图1 无线激光甲烷传感器监测系统
该系统由传感器端、服务器端、PC及移动终端组成。传感器使用矿用无线激光甲烷传感器,通讯方式为GPRS通讯方式,设备终端由常规的电脑终端、手机等移动设备端组成。服务器端使用有人服务器,实现传感器与电脑端、手机移动端的连接,实现实时监测的目的。
传统甲烷传感器工作温度范围为0~40℃,适用于煤矿井下环境。在瓦斯抽放监测中,室外使用时需要更宽的工作温度范围。基于DFB的激光甲烷传感器需要激光器温控单元,且温控单元可控温的范围是有限的,一般在±20℃范围内,进一步提高工作温度范围扩展存在难度。
基于VCSEL激光器技术创新了自适应多波段光谱吸收技术,实现了无温控、超低功耗激光光谱检测。应用该技术实现了宽温度范围的准确测量。
激光甲烷传感器在-10℃~50℃内测量结果如表1所示。
表1 激光甲烷传感器温度补偿数据(标准气体20%)
图2 激光甲烷传感器温度补偿曲线(标准气体20%)
为适应于煤矿使用,当前设计的温度范围为-15℃~55℃。根据实际应用需求,温度可扩展到-30℃~70℃,进一步提高性能。
当前,在瓦斯抽放中使用的传统甲烷传感器压力范围为50~150kPa,为了适应各种场合的应用,研究宽压力补偿方法是非常必要的。基于VCSEL激光器技术创新了压力高精度补偿技术,实现30~200kPa压力范围内准确测量。
激光甲烷传感器在30~200kPa压力范围内甲烷浓度测量数据如表2所示。
表2 激光甲烷传感器压力补偿数据(标准气体20%)
激光甲烷传感器在30~200kPa压力范围内甲烷浓度趋势如图3所示。
图3 激光甲烷传感器压力补偿曲线(标准气体20%)
压力范围30~200kPa内,通过压力补偿监测精度有明显的提高。
为了稳定运行,现场安装了滤水滤尘装置,同步在设备内部采用防水措施。如图4所示。
引入物联网概念,搭建矿用无线激光甲烷传感器监测系统,实现手机终端实时监测的目的。可在全球任何地方,随时查询每个传感器信息。
矿用激光甲烷传感器可同时精确测量甲烷浓度、温度、压力等信息,长期运行过程中,不出现跳变、断线等异常情况。
阐述了激光甲烷传感器,基于VCSEL激光器技术实现宽温度补偿及宽压力补偿。在温度范围-15℃~55℃、压力范围30~200kPa下更准确地测量甲烷浓度,适用于瓦斯抽放监测。并在瓦斯抽放管道的应用中引入物联网技术,实现远端实时监测、随时随地监测的目的。
图5 手机移动端数据展示