馬 京

（晉煤集團晟泰公司 ，山西 晉城 048006）

瓦斯是制約礦井生產(chǎn)安全的不利因素，在井下采掘過程中，精準(zhǔn)、快速、便捷的測定瓦斯?jié)舛葘Υ龠M礦井生產(chǎn)安全具有重要意義[1～2]?，F(xiàn)今瓦斯傳感器類型主要分為紅外、催化、導(dǎo)熱以及激光等四類，絕大多數(shù)仍是采用有線傳輸方式對，需要鋪設(shè)大量的信號傳輸線路，由于井下環(huán)境十分惡劣，時常會出通信線纜斷裂情況，影響井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測[3～5]。因此，文中設(shè)計了一種可以自動進行溫度、壓力補償?shù)臒o線激光甲烷傳感器。

1 工作原理

1.1 瓦斯檢測原理

瓦斯可以吸收特定波長激光，可以通過檢測激光強若來對環(huán)境中瓦斯?jié)舛扰卸?。為了提升檢測精度，傳感器采用雙波長檢測，相對于傳統(tǒng)的催化傳感器，設(shè)計的傳感器理論上不用定期校準(zhǔn)。對傳感器進行壓力、溫度等補償后的檢測精度會進一步提升[6]。

根據(jù)比爾定律，發(fā)射器發(fā)出強度I0激光，通過兩個單色器從而選出雙波長，分別是測量波長（λa）及參考波長（λb），激光通過長度L，濃度為C的瓦斯氣體時，會由于瓦斯的吸收作用而產(chǎn)生能量損傷，具體的測量波長（λa）及參考波長（λb）強度可以由下述公式進行計算：

其中：α表示瓦斯吸收系數(shù)；β表示背景干擾；K表示光電靈敏度；I表示透射光強度。

由于測量波長（λa）及參考波長（λb）相近，可以近似認為βλa=βλb，公式（1）/（2）可得：

調(diào)整使得 I0(λa)K(λa)I(λa)=I0(λb)K(λb)I(λb)，同時測量波長（λb）投射光強度遠遠小于測量波長（λa）投射光強度，對公式（3）進一步轉(zhuǎn)換，瓦斯?jié)舛菴公式為：

1.2 溫度、壓力補償

瓦斯吸收系數(shù)（α）會受到光波長度、空氣成分、溫度、壓力等影響，具體確定十分困難。在理想狀態(tài)下，瓦斯吸收系數(shù)（α）可以采用下述公式計算[7]：

式中：p為環(huán)境壓力（kPa）；M為氣體摩爾量（mol）;t為環(huán)境溫度（K）;x為比例常數(shù)；V為氣體體積（L）。

當(dāng)瓦斯?jié)舛菴為一定值時，k會隨溫度、壓強變化，直接影響瓦斯吸光效果。因此，通過溫度、壓力傳感元件檢測外界環(huán)境中溫度、壓力變化情況，根據(jù)溫度、壓力變化曲線建立溫度、壓力補償模型，從而減少溫度、壓力對激光瓦斯傳感器測量結(jié)果影響。

2 激光瓦斯傳感器無線通信原理

基于Wave Mesh協(xié)議構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，具有傳輸效率高、組網(wǎng)方便靈活，且支持調(diào)頻機制及多路徑路由，避免其他無線傳輸信號干擾。構(gòu)建達到傳感器無線傳輸網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點（激光甲烷傳感器）、匯聚節(jié)點組成，激光甲烷傳感器將檢測到的瓦斯?jié)舛纫詿o線方式傳輸，匯聚節(jié)點負責(zé)接收工作，并經(jīng)過簡單處理后傳輸至上層通信網(wǎng)絡(luò)。傳輸系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以隨時的增加或者拆除，當(dāng)傳輸系統(tǒng)某個節(jié)點發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動的對路由優(yōu)化并組網(wǎng)。考慮到井下環(huán)境復(fù)雜以及巷道布置特點，傳輸網(wǎng)絡(luò)布置形式為樹型拓撲，無線傳輸距離在100m以上，增加中繼器數(shù)量可以提升無線傳輸范圍。

3 傳感器設(shè)計方案

3.1 總體設(shè)計方案

設(shè)計的傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，組成包括鋰電池、瓦斯?jié)舛炔杉娐?、微處理器、無線通信電路等。瓦斯探頭對外界環(huán)境中的瓦斯?jié)舛冗M行采集，并將采集數(shù)據(jù)傳輸至微處理器，數(shù)碼管上顯示檢測結(jié)果，無線通信電路進對檢測數(shù)據(jù)傳輸。傳感器供電采用鋰電池，全部電路功耗低，提升設(shè)備工作時限。當(dāng)鋰電池電量過低時，無線激光甲烷傳感器會上傳電量過低信息，提供更換電池。當(dāng)檢測到瓦斯?jié)舛瘸迺r，傳感器自動發(fā)出聲光報警信號。

圖1 總體設(shè)計框架

3.2 激光瓦斯探頭設(shè)計

設(shè)計的激光瓦斯探頭工作流程如圖2所示，通過調(diào)整型激光器輸入電流從而發(fā)出不同波長激光。激光器發(fā)出高速正弦信號以及低速掃描信號，光電探測器接收到激光器發(fā)出的信號后將光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過檢測輸入到激光器中的電流，從而得到發(fā)出的激光波長，進行二次諧波及轉(zhuǎn)換處理后，從而對低噪窄帶檢測。消除檢測系統(tǒng)背景光譜干擾后，就可以實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測。

圖2 激光瓦斯探頭工作流程

3.3 溫度補償

受到外界溫度變化影響，激光器發(fā)射的激光波長會受到溫度影響，因此需要對溫度進行控制。具體為采用TEC(半導(dǎo)體致冷器)，不同方向電流通過TEC會加熱或者制冷，從而控制激光器環(huán)境溫度保持恒定。MAX8521溫度控制芯片可以控制±1.5A電流。具體的溫度自動補償控制電路如圖3所示。

圖3 溫度自動補償控制電路

3.4 壓力補償

在礦井井下甲烷傳感器運行環(huán)境中，運行壓力一般在130kPa以內(nèi)，因此應(yīng)選擇合理的壓力傳感器元件?？紤]到激光甲烷傳感器空間布局，采用體積小，檢測范圍大（0～200kPa）的NPP-301壓力傳感器內(nèi)部有高精度電阻應(yīng)變片，測量電路采用惠斯頓電橋，電路設(shè)計簡單，檢測精度及效率高，穩(wěn)定性強。

3.5 無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

傳感器無線通信采用的組網(wǎng)模塊為BM200N，具有無線、低功率、低能耗特點。在BM200N組網(wǎng)模塊內(nèi)部鑲嵌有Wave Mesh傳輸協(xié)議，采用433MHz工作頻段，有1個基本信號，1～15個輔助信道，具體的信道、頻點選擇根據(jù)實際情況確定。用以無線數(shù)據(jù)收發(fā)的RXD、TXD與微處理PTE23、PTE22引腳連接。

4 性能測試

4.1 基本誤差及響應(yīng)時間

按照AQ6211-2008標(biāo)準(zhǔn)，選用6臺無線激光甲烷傳感器，放入瓦斯?jié)舛葹?2%、3.54%、8.6%、20.01%、34.98%、60.13%、86%等7種環(huán)境中，對傳感器檢測數(shù)值進行記錄，充分測量4次，并取平均值，具體測量結(jié)果如表1所示。從測量結(jié)果可以看出，無線激光甲烷傳感器的測量精度較高，基本誤差小。

表1 瓦斯?jié)舛葴y量結(jié)果

對傳感器響應(yīng)時間測試主要檢測傳感器靈敏度，按照200ml/min速度將濃度為20%的瓦斯通過無線激光甲烷傳感器，記錄傳感器顯示值達到90%標(biāo)準(zhǔn)值時的時間，共測量三測，取平均值，具體的測試數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以看出，傳感器具有較快的響應(yīng)速度，可以滿足井下對瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控需求。

表2 傳感器響應(yīng)時間

4.2 溫度及壓力影響測試

為了驗證溫度對傳感器影響，在40℃高溫箱、0℃低溫箱中放入測試樣機，恒溫2h后，每隔1h測量一次樣機數(shù)值，共測量三次，取平均值。從測量結(jié)果可以得出，采用溫度補償后的無線激光甲烷傳感器可以較好的適應(yīng)外界環(huán)境溫度變化。

在瓦斯?jié)舛葹?2%、3.54%、8.6%、20.01%、34.98%、60.13%、86%等7種環(huán)境中，通過使用抽氣泵改變環(huán)境壓力，選用40kPa、60kPa…140kPa等6種壓力條件下。當(dāng)無線激光甲烷傳感器未進行壓力補償時，在瓦斯?jié)舛缺３植蛔兊那闆r下，隨著檢測環(huán)境中壓力增加，測量值出現(xiàn)變大趨勢，反之，壓力降低時測量值偏小，檢測環(huán)境與常規(guī)環(huán)境壓力差值越大，無壓力補償?shù)膫鞲衅鳒y量誤差越高。裝有壓力補償傳感器瓦斯?jié)舛认嗤?、壓力不同環(huán)境下檢測結(jié)果差別不大，總體誤差控制在3%以內(nèi)。

5 總 結(jié)

文中提出一個基于激光檢測及Wave Mesh協(xié)議的無線激光甲烷傳感器，并對該傳感器的工作機理進行詳細敘述，給出了傳感器的設(shè)計方案，具體包括總體設(shè)計方案、激光瓦斯探頭設(shè)計、溫度補償、壓力補償、無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計等內(nèi)容，最后對設(shè)計的無線激光甲烷傳感器性能從測量精度、靈敏度、溫度以及壓力響應(yīng)等方面進行試驗，結(jié)果表明設(shè)計的傳感器具有精度高、誤差小、反應(yīng)靈敏等特點，可以滿足礦井對瓦斯監(jiān)控需要。在山西某礦井下應(yīng)用結(jié)果表明，該傳感器安裝便捷，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實時傳輸至通信網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)有效甲烷催化傳感器存在的布置局限、定期校驗弊端，可以更好地為服務(wù)于礦井生產(chǎn)。