煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中無線激光甲烷傳感器的研究與設(shè)計(jì)1

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中無線激光甲烷傳感器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：本文對(duì)無線傳感器進(jìn)行基本誤差、響應(yīng)時(shí)間、溫度和壓力影響等性能測(cè)試。結(jié)果表明,該無線激光甲烷傳感器精度高、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下甲烷氣體濃度,滿足煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中瓦斯監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：甲烷;

激光;

傳感器;

無線;引言瓦斯災(zāi)害始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵,瓦斯是易燃易爆氣體,當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛仍?%～16%時(shí),遇到火源就會(huì)發(fā)生爆炸。一旦發(fā)生瓦斯事故,就會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。在煤礦開采過程中,快速、準(zhǔn)確、便捷地監(jiān)測(cè)井下瓦斯氣體的濃度,在煤礦安全生產(chǎn)中起到很重要的作用。目前,瓦斯監(jiān)測(cè)傳感器的原理主要分為催化、紅外、熱導(dǎo)和激光四大類。其中,催化甲烷傳感器是通過催化元件表面無焰燃燒,使得載體催化元件阻值變化,導(dǎo)致橋路失衡,產(chǎn)生與甲烷含量成線性比例的輸出信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷含量的監(jiān)測(cè)。催化甲烷具有測(cè)量范圍窄、探頭易中毒、需頻繁標(biāo)校、“跳大數(shù)”誤報(bào)警等缺點(diǎn)。熱導(dǎo)甲烷傳感器采用甲烷和空氣導(dǎo)熱率不同的原理實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的監(jiān)測(cè),主要用于高濃度段4%～40%瓦斯監(jiān)測(cè)。紅外和激光甲烷傳感器,都采用光譜吸收原理,均能實(shí)現(xiàn)滿量程的甲烷監(jiān)測(cè),但是紅外甲烷傳感器受濕度影響較大,而激光甲烷傳感器相對(duì)穩(wěn)定可靠,不易受濕度影響。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)有的傳感器,基本上都采用有線方式,需要敷設(shè)通信線路來傳遞監(jiān)測(cè)信息。工作面環(huán)境十分惡劣,在生產(chǎn)過程中通信線纜容易斷裂,一旦鏈路發(fā)生故障,監(jiān)控系統(tǒng)將無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下甲烷濃度值,嚴(yán)重影響安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)上述情況,本文提出了一種基于WaveMesh無線自組網(wǎng)技術(shù)的激光甲烷傳感器的研究與設(shè)計(jì)。1煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)概況1.1安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀目前,煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)礦井氣體的關(guān)鍵措施,其利用各種傳感器,可以對(duì)礦井下各種氣體的含量及殘留狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以對(duì)各種安全監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析與利用?，F(xiàn)行的安全監(jiān)控系統(tǒng)大多是20世紀(jì)90年代后期所創(chuàng)建的,具有較高的智能化水平,可以與網(wǎng)絡(luò)相連接,但其中依舊存在較多的問題:①不具有標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的通訊協(xié)議,因廠商較多,設(shè)備類型也各種各樣,其兼容性不好。②傳感器不具備較好的性能,特別是CO和CH4的傳感器,沒有較長(zhǎng)的使用年限,工作狀態(tài)不具備穩(wěn)定性等諸多問題。③系統(tǒng)不具備較高的診斷功能,不能對(duì)故障點(diǎn)及性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的判斷,存在較高的錯(cuò)誤報(bào)警率。④現(xiàn)行的系統(tǒng)無法區(qū)分報(bào)警,且安全防護(hù)性能較低?，F(xiàn)行系統(tǒng)無法與大數(shù)據(jù)時(shí)代及三化融合的要求存在較多的差別。1.2新系統(tǒng)改造標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)對(duì)于以上這些問題,國(guó)家頒發(fā)了相關(guān)文件為安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改善提供相應(yīng)的技術(shù)支撐及目標(biāo)要求。為了將煤礦生產(chǎn)的安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改善,河南省相關(guān)部門進(jìn)行了深入的調(diào)研,組織專家舉行了學(xué)術(shù)交流會(huì),積極吸取各個(gè)煤礦的意見,同時(shí)查閱相關(guān)的資料,制定出相關(guān)的技術(shù)方案及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),為安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)提供牢固的依據(jù),其關(guān)鍵內(nèi)容如下:①傳感器可以應(yīng)用于各個(gè)采掘工作面,使傳輸過程具有數(shù)字化,使防護(hù)級(jí)別實(shí)現(xiàn)IP65要求。②系統(tǒng)具備預(yù)警和報(bào)警的功能,可以進(jìn)行分級(jí)報(bào)警,能夠抵抗電磁的干擾。③系統(tǒng)可以接入較多的系統(tǒng),如瓦斯抽放等,使多系統(tǒng)、多網(wǎng)的數(shù)據(jù)相互融合。④非正常數(shù)據(jù)的分析及儲(chǔ)存加密功能,完成自我診斷與評(píng)估,實(shí)現(xiàn)緊急聯(lián)動(dòng)。2傳感器的工作原理2.1激光甲烷檢測(cè)原理甲烷氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的激光具有吸收作用,可通過檢測(cè)激光光強(qiáng)被吸收的強(qiáng)弱來判斷被測(cè)環(huán)境中甲烷的濃度。本文采用雙波長(zhǎng)檢測(cè)法,它與傳統(tǒng)單波長(zhǎng)吸收光譜技術(shù)的不同之處是具有2個(gè)波長(zhǎng),通過測(cè)量波長(zhǎng)和參考波長(zhǎng)2個(gè)同時(shí)測(cè)定待測(cè)氣體,以克服單波長(zhǎng)測(cè)定時(shí)的光路中由背景引起的干擾。相比傳統(tǒng)催化甲烷傳感器,使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)的負(fù)偏差,需定期標(biāo)校的缺點(diǎn),激光甲烷傳感器原則上無需標(biāo)校。同時(shí)對(duì)激光甲烷進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,進(jìn)一步提高了傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。按照比爾定律,激光器發(fā)射出強(qiáng)度為I0的激光,經(jīng)2個(gè)不同的單色器選取出雙波長(zhǎng),即測(cè)量波長(zhǎng)λa和參考波長(zhǎng)λb,穿過濃度為C、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的甲烷氣體,會(huì)因吸收而產(chǎn)生損失,激光強(qiáng)度變?yōu)椋?/p>

式中a———甲烷吸收系數(shù)；β———光路引起的背景的干擾;K———光電靈敏度;I———透射光強(qiáng)。由于雙波長(zhǎng)λa、λb相差很小,可以認(rèn)為βλa≈βλb。由（1）/（2）可得到

通過調(diào)整使K（λb)I0（λb）=K（λa)I0（λa）,且測(cè)量波長(zhǎng)的投射光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參考波長(zhǎng)的投射光強(qiáng),即I（λa）/I（λb）<1,式（3）進(jìn)一步轉(zhuǎn)換可得被測(cè)甲烷氣體濃度

2.2壓力及溫度補(bǔ)償原理在實(shí)際應(yīng)用過程中,氣體吸收系數(shù)a不僅與氣體種類、入射光波長(zhǎng)有關(guān),而且還受環(huán)境溫度、壓力等因素的影響,是一個(gè)非常復(fù)雜的量。由理想氣體狀態(tài)方程可得到氣體吸收系數(shù)

式中p———壓強(qiáng),kPa;M———?dú)怏w物質(zhì)的量,mol;t———溫度,K;x———比例常數(shù);V———?dú)怏w體積,L。氣體中甲烷體積濃度C一定時(shí),k為吸收比例系數(shù)。因此,不同壓力和溫度工作環(huán)境下,吸收系數(shù)是一個(gè)變值,直接影響吸收光強(qiáng)。2.3無線通信原理無線通信采用WaveMesh無線自組網(wǎng)技術(shù),傳輸可靠效率高,組網(wǎng)靈活。無線網(wǎng)絡(luò)支持多路徑路由協(xié)議和跳頻機(jī)制,可有效避免其他無線信號(hào)的干擾。無線網(wǎng)絡(luò)由傳感器組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和分站匯聚節(jié)點(diǎn)組成,傳感器負(fù)責(zé)將采集到的甲烷濃度以無線方式發(fā)送,匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收無線數(shù)據(jù),分析處理后進(jìn)行相應(yīng)控制并向上層傳輸。組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò),當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障時(shí),仍能自動(dòng)優(yōu)化新的路由并重新組網(wǎng),以此確保任意時(shí)刻均為最佳路由通信。在井下組網(wǎng),必須考慮到特殊的地理環(huán)境和巷道分布,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),無線節(jié)點(diǎn)間通信距離可達(dá)100m,支持多級(jí)中繼延長(zhǎng)無線通信距離。3傳感器總體設(shè)計(jì)無線激光甲烷傳感器主要由鋰電池供電電路、微處理器、甲烷濃度采集電路、人機(jī)交互、控制輸出和無線通信電路等組成,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光甲烷探頭部分完成甲烷氣體濃度的采集,數(shù)據(jù)以數(shù)字方式送至處理器,經(jīng)處理后在數(shù)碼管上顯示并存儲(chǔ),同時(shí)通過無線通信電路進(jìn)行傳輸。傳感器采用鋰電池供電,全部電路均采用低功耗設(shè)計(jì),延長(zhǎng)工作時(shí)間,當(dāng)電池電量低的時(shí)候,傳感器會(huì)主動(dòng)上傳低電量報(bào)警提示。甲烷濃度超限時(shí)傳感器聲光報(bào)警,傳感器可通過遙控完成地址、標(biāo)校、報(bào)警值和無線網(wǎng)絡(luò)的ID、發(fā)射功率及通信速率等相關(guān)參數(shù)設(shè)定。圖1傳感器總體結(jié)構(gòu)圖

4結(jié)語本文給出了一種礦用無線激光甲烷傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),詳細(xì)介紹了無線激光甲烷傳感器的工作原理,給出傳感器的總體設(shè)計(jì)與部分模塊設(shè)計(jì)。并進(jìn)行基本誤差、響應(yīng)時(shí)間、壓力及溫度影響實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,傳感器具有誤差小、精度高和響應(yīng)快等特點(diǎn)。在兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,本無線激光甲烷傳感器安裝簡(jiǎn)便,數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)穩(wěn)定地上傳到地面監(jiān)測(cè)中心,有效克服了有線傳感器的局限性,更好地為煤礦安全生產(chǎn)服務(wù)。參考文獻(xiàn)[1]劉統(tǒng)玉,王紀(jì)強(qiáng),孟祥軍,等.面向礦山安全物聯(lián)網(wǎng)的光纖傳感器[J].